本质安全型单端反激变换器的分析与设计

论文摘要

应用于煤矿、石化等易燃易爆环境的电子设备必须满足防爆的要求,本质安全型是最佳的防爆形式。本质安全型开关电源具有重量轻、体积小、制造工艺简单、成本低、安全性能高等优点,因而具有广阔的发展前景。单端反激变换器是开关变换器的一种基本的拓扑结构,在实际中应用比较广泛,因此对单端反激变换器进行本质安全特性分析是本质安全开关电源设计的重要基础。本质安全型开关变换器的设计,主要是对变换器中的储能元件进行设计,即变换器中的电感和输出滤波电容进行设计。对变换器的静态特性进行了深入分析,指出反激变换器存在三种工作模式:CISM-CCM、IISM-CCM和DCM;得出了变换器工作在整个动态范围内的最大输出纹波电压、最大电感电流和最大输出短路释放能量。对单端反激变换器的本质安全特性进行了分析,得出输出本质安全型单端反激变换器的非爆炸判断方法,并通过安全火花试验装置对变换器进行爆炸性试验,验证了输出本安判据的正确性。得出输出本质安全型单端反激变换器的设计方法,以同时满足输出纹波电压和输出本安要求作为约束条件,得到了本质安全型单端反激变换器电感、电容参数的设计范围。给出了具体实例,并进行仿真和试验研究,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和设计方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究动态及发展趋势
• 1.2.1 国内外对本质安全理论的研究动态及发展现状
• 1.2.2 国内外在本质安全开关电源方面的研究概况
• 1.3 本论文的主要工作
• 2 本质安全型单端反激变换器组成原理及其静态特性分析
• 2.1 本质安全变换器组成框图和工作原理
• 2.2 单端反激变换器工作原理
• 2.3 单端反激变换器的能量传输模式
• 2.3.1 DCM 下的能量传输过程
• 2.3.2 CCM 下的能量传输过程
• 2.4 单端反激变换器的临界电感与工作区域
• 2.4.1 CCM 与DCM 的临界电感与工作区域
• 2.4.2 CISM 与IISM 的临界电感与工作区域
• 2.5 工作模式与输出纹波电压
• 2.5.1 CISM-CCM 下的输出纹波电压
• 2.5.2 IISM-CCM 下的输出纹波电压
• 2.5.3 DCM 下的输出纹波电压
• 2.5.4 工作模式与输出纹波电压的仿真和实验验证
• 2.5.5 最大输出纹波电压的分析
• 2.5.6 最大输出纹波电压的仿真、实验验证及结果分析
• 2.6 单端反激开关变换器的电感电流分析
• 2.6.1 不同工作模式下的峰值电感电流
• 2.6.2 整个动态工作范围内的最大峰值电感电流
• 2.6.3 峰值电感电流的仿真、实验验证以及结果分析
• 2.7 本章小结
• 3 单端反激开关变换器本质安全特性分析和判断
• 3.1 输出短路释放能量分析
• 3.1.1 输出短路最大能量的分析
• 3.1.2 输出短路释放能量W 的最大值
• 3.2 输出本安性能判断
• 3.2.1 输出短路等效电容及输出短路等效电路
• 3.2.2 输出本安判据
• 3.3 输出本质安全判据的验证
• 3.4 本章小结
• 4 本质安全型单端反激变换器的设计与实例验证
• 4.1 输出本质安全型单端反激变换器的设计
• 4.1.1 变压器的设计
• 4.1.2 电容的设计
• 4.1.3 其它元器件的设计
• 4.2 实例与实验验证
• 4.2.1 输出本质安全型反激变换器的设计
• 4.2.2 输出本质安全型反激变换器的实验验证
• 4.3 本章小结
• 5 结论
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的论文