一种本安型准谐振反激变换器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种本安型准谐振反激变换器设计方法，该方法首先根据设计要求对其参数和性能指标进行了设置，然后计算所述反激变换器的最大电流I

An intrinsically safe quasi resonant flyback converter design method

The invention discloses an intrinsically safe type quasi resonant flyback converter design method, firstly, according to the design requirements of its parameters and performance indexes were set up, and then calculate the maximum current of the flyback converter I

【技术实现步骤摘要】
一种本安型准谐振反激变换器设计方法
本专利技术涉及一种防爆场合用DC-DC变换器，尤其涉及一种输出本安型准谐振反激DC-DC变换器设计方法。
技术介绍
本质安全电源作为通讯、监控、检测、报警以及控制系统的供电设备，在石油、化工、纺织和煤矿等含有爆炸性混合物的工作环境中得到了广泛地应用。其基本原理为：通过限制电源电路的各种参数或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能，使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物，从而实现电气防爆。伴随着开关电源技术的发展，本安电源发展经历了自激振荡的晶体管直流变换器、串联开关稳压电源、开关稳压电源等几个阶段。而在进行本安电源的设计时，通常需要遵循本安电路设计的三条基本原则：第一，本安电路与其他电路必须适当隔离；第二，本安电路在规定的条件下，任何元件的热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物；第三，对于本安电路，应根据其电气设备规定等级进行试验或评定，其任何电火花不得引燃规定的爆炸性气体混合物[1]。现有的本安型DC-DC变换器多是采用线性电源实现。线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较电压放大器，此电压放大器的输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压。由于调制管串联于回路当中，因此流过与负载端相等的电流，此时调整管上的功率损耗即为Pd＝(Vin-Vo)Io，以输入电压Vin＝12V输出电压Vo为5V输出电流Io为2A为例，调整管上的损耗Pd为14W，这时的输出功率Po仅为10W，可以看到大部分的功率损耗在开关管上。当输入、输出电压差越大时，线性电源的效率就越低。调整管消耗的能量基本都转换为热量，一方面要为调整管装设大的散热器，另一方面，温度的升高对于电源可靠性有很多不良影响。另外大容量的本安电源需要输出很小的电容，而采用开关方式后为稳定输出电压需要较大的滤波电容，在设计上二者存在矛盾。另外，目前在本安开关变换器方面的研究与应用主要集中在BUCK等非隔离变换器，不能很好的适应于具有隔离要求的本安应用场合。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种本安型准谐振反激DC-DC变换器设计方法，用于隔离型本安电源内部DC-DC变换部分的要求，在实现变换器具有很好的动态特性和快速响应负载波动等电气性能的同时，保证变换器的本质安全性能。为实现上述目的，本专利技术提供了一种本安型准谐振反激变换器设计方法，步骤如下：步骤1：根据设计要求，设定如下参数和性能指标；输入电压Vin，输出电压Vo，纹波电压Vpp，输出电流Io，输出功率Po，输出最小电阻RL,min，输出最大电阻RL,max，效率η；步骤2：设置开关频率：最低开关频率fmin和最高开关频率fmax；步骤3：计算所述反激变换器的最大电流ILSP,max以及输出电容最小值Cmin；步骤4：计算Q导关断时火花放电最大释放能量W1max，Q导通时短路火花放电最大释放能量能量W2max；步骤5：对所设计的准谐振变换器的输出本质安全性能进行评判判断，若所述准谐振变换器的输出是满足本质安全的，则设计结束，否则返回到步骤2重新执行。在本专利技术的较佳实施方式中，所述步骤1中设计要求为：Vin＝24V±5％，输出电压：Vo＝12V，纹波电压：Vpp＝25mV，输出电流：Io＝2A，输出功率：Po＝24W，输出最小电阻：RL,min＝6Ω，输出最大电阻：RL,max＝60Ω，效率：η＝0.8。在本专利技术的另一较佳实施方式中，所述步骤2中所述预期的最低开关频率：fmin＝45kHz，最高开关频率：fmax＝150kHz。在本专利技术的较佳实施方式中，所述步骤3中最大电流计算公式如下：所述步骤3中最小电容计算公式如下：上述两式中，Vo为输出电压，Vin,min为最低输入电压，γ为变压器变比，RL,min为最小负载电阻值，fmin为最低开关频率。在本专利技术的另一较佳实施方式中，所述步骤4中所述Q关断时火花放电最大释放能量W1max计算公式如下：所述Q导通时短路火花放电最大释放能量能量W2max计算公式如下：上述两式中，Vo为输出电压，Tc是火花放电维持时间，RL为负载电阻，VH为电弧电压，Ls为次级电感，ILSP为次级电感Ls的峰值电流值。在本专利技术的较佳实施方式中，所述步骤5中所述本质安全性评判步骤如下：步骤5-1：若W1max>W2max，则Wmax＝W1max，否则Wmax＝W2max；步骤5-2：根据下式得到准谐振变换器的等效电容Ce：步骤5-3：如果变换器的输出电压为Vo，在考虑足够的安全系数K后，根据国标GB3836.4提供的简单电容电路的最小点燃电压曲线，查得对应于KVo的临界点燃电容CB，并将得到的等效电容Ce与最小点燃电容CB相比较，如果满足Ce<CB，则认为开关变换器的输出是满足本质安全的。本专利技术给出的准谐振反激变换器设计方法，可适用于隔离型本安电源内部DC-DC变换部分的要求，同时具有很好的动态特性，能够快速响应负载的波动。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是准谐振反激DC-DC变换器的原理图；图2是DCM下准谐振反激变换器的电感电流波形图；图3是准谐振变换器的输出短路实验简化图；图4是输出短路火花放电等效简单电容电路；图5是本专利技术一较佳实施方式的准谐振反激变换器设计方法流程图。具体实施方式一种准谐振反激变换器的原理图如图1所示，其中Vin是输入电压，ip为初级瞬时电流，is为次级瞬时电流，Rp是初级绕组的电阻，Lp为初级绕组电感量，Ls为次级绕组电感量，LLEAK为初级绕组漏感量，Q是功率开关管，Cp为谐振电容，Np、Ns分别为初次级绕组线圈的匝数，VD为整流二极管，Ns为输出滤波电容，Vo为变换器输出电压，RL为变换器负载。当功率开关管Q导通时，整流二极管VD承受反向偏置电压截止，此时流过初级电感Lp的电流ip线性增加，储能电感Lp将电能转换成磁能。这时，负载仅由输出滤波电容Co供能；当功率MOSFET关断时，首先寄生电容Cp与寄生漏感LLEAK发生谐振，之后变压器初级电感Lp消磁，消磁结束后，Cp和Lp进行谐振，从而使功率开关管Q漏极电压呈振荡衰减变化，系统在功率开关管Q漏极谐振电压波形的诸多谷底中根据负载的不同选取特定的谷底导通开关器件，从而达到降低开关损耗的目的。而为了降低系统的开关损耗和电磁干扰，准谐振变换器通常工作在DCM模式，这样便可以实现开关的零电压导通。由图2可知，DCM时变换器的变压器初次级电感Lp和Ls的峰值电流分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种本安型准谐振反激变换器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据设计要求，设定如下参数和性能指标；输入电压V

【技术特征摘要】
1.一种本安型准谐振反激变换器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据设计要求，设定如下参数和性能指标；输入电压Vin，输出电压Vo，纹波电压Vpp，输出电流Io，输出功率Po，输出最小电阻RL,min，输出最大电阻RL,max，效率η；步骤2：设置开关频率：最低开关频率fmin和最高开关频率fmax；步骤3：计算所述反激变换器的最大电流ILSP,max以及输出电容最小值Cmin；步骤4：计算Q关断时短路火花放电最大释放能量W1max，Q导通时短路火花放电最大释放能量W2max；其中，Q表示功率开关管；步骤5：对所设计的准谐振变换器的输出本质安全性能进行评判判断，若所述准谐振变换器的输出是满足本质安全的，则设计结束，否则返回到步骤2重新执行；所述步骤3中最大电流计算公式如下：所述步骤3中最小电容计算公式如下：上述...

【专利技术属性】
技术研发人员：于月森，李世光，吕威，张迎新，伍小杰，吕凤新，曾羿博，
申请(专利权)人：广州市特种机电设备检测研究院，中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44