[發明專利]一種考慮濾波電容ESR的本質安全型Buck-Boost變換器設計方法

有效

• 申請號: 201911076936.1
• 申請日: 2019-11-06
• 公開（公告）號: CN110798067B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 皇金鋒;李林鴻;張鵬超;董鋒斌
• 申請（專利權）人: 陜西理工大學
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02M1/14;H02M1/32
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種考慮濾波電容ESR的本質安全型Buck?Boost變換器設計方法，包括：S1：確定變換器的輸入電壓V_i范圍、負載R范圍、輸出電壓V_o，工作頻率f，R_C的最大值R_C,max；S2：規定紋波電壓指標V_pp,max，并計算出變換器所要求的最小放電能量W_B；S3：由以上參數確定滿足變換器工作模式所要求的最小電感L_min；S4：根據最小電感L_min計算ΔV_1,max；S5：將ΔV_1,max與所規定的最大紋波電壓指標V_pp,max進行比較，若ΔV_1,max≥V_PP,max，計算L_min1，求得最小電容為C_min1；若ΔV_1,maxV_pp,max，求得最小電容C_min2；S6：求得最大輸出短路放電能量W_max，將W_max與W_B比較，對變換器本質安全性能進行評判，直至設計結束；S7：進行仿真驗證和實驗驗證。本發明給出了變換器電感及電容的設計方法，適用于煤礦、石化等易燃、易爆等危險環境下。

技術領域

本發明屬于應用于煤礦、石化等易燃、易爆環境下Buck-Boost變換器設計技術領域，具體涉及一種考慮濾波電容ESR的本質安全型Buck-Boost變換器設計方法。

背景技術

應用于煤礦、石化等易燃、易爆環境下的開關電源不僅要滿足在最危險工況(如輸出短路)時釋放的能量不能引爆危險環境的氣體等介質，同時還要滿足電氣性能指標如紋波電壓的要求。Buck-Boost變換器可以實現寬電壓輸入或寬電壓輸出的功能，且其具有體積小、效率高、重量輕等優點，因此在煤礦、石化等易燃、易爆等危險環境中具有廣闊的應用前景。

本質安全型開關變換器的研究一直是國內外學者關注的熱點，輸出本安Buck-Boost變換器的最危險輸出短路放電工況研究對Buck-Boost變換器的最危險工況進行了研究；輸出本質安全型Buck-Boost DC-DC變換器的分析與設計對Buck-Boost變換器的輸出短路釋放能量進行了分析，并通過連續導電模式(CCM)的紋波電壓表達式，設計了滿足輸出紋波電壓要求的最小電容。由以上文獻可知，本質安全Buck-Boost變換器的電容大小不僅要考慮輸出發生短時時釋放的能量，同時要滿足紋波電壓要求，因此，本質安全開關變換器的電容設計尤為關鍵。

現有的文獻對Buck-Boost變換器的紋波電壓分析基于理想電容，未考慮寄生參數對紋波電壓的影響，為了為了滿足紋波電壓要求，一般選取2～4倍裕量的濾波電容，這樣不僅會增大了變換器的體積和成本，同時增加了變換器發生短路故障時釋放的能量。

大量實驗研究發現，濾波電解電容等效串聯電阻(Equivalent SeriesResistance，ESR)對紋波電壓的影響非常大，即基于理想電容的紋波電壓理論與實驗存在較大的誤差。具體表現為：ESR會影響變換器輸出電壓增益、臨界電感等參數；ESR也會導致紋波電壓波形發生畸變；當外界或開關電源本身工作溫度發生變化時，其電解電容的ESR隨之變化，相應的紋波電壓的形狀及大小也會出現較顯著的變化。如果ESR較大的話，即使電容選擇2～4倍的裕量也無法滿足紋波電壓指標要求。

申請人于2019.8.1提交了專利號為201910706895.3，名稱為一種Boost變換器輸出紋波電壓建模方法，考慮濾波電容ESR對Boost變換器輸出紋波電壓的影響，并且對應用于危險環境的本質安全型Boost變換器的進一步優化設計提供了指導。

發明內容