矿用隔爆兼本质安全型开关电源设计

摘要

目前本安直流电源人多采用线性电源，效率低、动态范围窄且十分笨重，而开关电源克服了这些缺点，具有广阔的发展前景。但是当前，对开关电源本安参数设计、本质安全非爆炸性判据以及与开关电源相匹配的保护电路等方面的研究很少，难以满足指导本安开关电源设计的要求。所以，对反激变换器进行本质安全特性和保护电路适配性研究，并以此为基础设计一款本安电源对推广本安开关电源的应用具有重要的意义。
　　本文设计了一款满足本安要求的18V/1A本安反激电源，主要进行了三个方面的工作。首先，对变换器的静态特性进行了深入分析，指出本安反激变换器的连续模式需要细分为完全电感供能和不完全电感供能两种模式，通过推导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，为设计同时满足电路输出性能要求和本质安全要求的储能器件提供依据。其次，分析了本安保护电路截断能量的方式、自恢复功能实现以及负载误触发等问题，并通过引入单稳态电路、虚拟软开关技术和软启动技术实现保护电路与反激电源相匹配。最后，根据本安电气要求，设计了一款具有截止型自恢复保护电路的本安反激电源。本文的创新之处在于通过对本安反激电源火花放电时能量传输的研究和对本安保护电路适配性研究，实现本安开关电源容量的提高，并通过单稳态触发器实现了自恢复功能。
　　根据本文设计，绘制了符合本安要求的版图并制作了样机，通过本安非爆炸性判据及实验验证了本文设计，测试结果表明:样机输出电压18V、纹波小于2％，故障保护电路关断时间小于0.5ms、自恢复动作尝试周期为3.1ms，电路等效输出电容小于23μF、小于最小点燃曲线规定的电容值。各项参数均达到预期设计指标。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要设计指标及研究内容

第二章 反激式本安电源的基本原理及特性研究

2．1 本质安全反激式开关变换器结构及特点简介

2．1．1 反激变换器基本结构

2．1．2 本质安全开关变换器的特点

2．1．3 本质安全反激变换器的结构分析

2．2 本安反激式电源设计思路

2．3 变压器临界电感与本安电源工作模式分析

2．3．1 DCM模式下能量传输过程

2．3．2 CISM及IISM模式下能量传输过程

2．3．3 CCM与DCM模式的临界电感值与工作区域

2．3．4 CISM与IISM模式的临界电感值与工作区域

2．4 输出纹波电压与电感值关系

2．4．1 CISM-CCM模式下输出纹波电压

2．4．2 IISM-CCM模式下输出纹波电压

2．4．3 DCM模式下输出纹波电压

2．5 本章小结

第三章 反激式本安电源优化设计及参数计算

3．1 主电源电路设计与优化

3．1．1 电源控制芯片选择

3．1．2 虚拟软开关技术

3．1．3 反馈回路的设计

3．2 限能保护及驱动开关电路设计与优化

3．2．1 保护电路类型选取及设计

3．2．2 带自恢复功能的截止型保护电路设计

3．2．3 驱动电路优化设计

3．3 关键元器件参数选型及计算

3．3．1 变压器设计

3．3．2 控制芯片参数设计

3．3．3 其他元器件选型

3．4 PCB版图设计

3．5 本章小结

第四章 实验与验证

4．1 反激式电源非爆炸性本质安全判据

4．1．1 输出短路最大能量分析

4．1．2 非爆炸性方法验证本文设计

4．2 实验验证

4．1 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

作者简介