（电力电子与电力传动专业论文）本质安全型单端反激变换器的分析与设计.pdf

s u b j e c t ：a n a l y s i sa n dd e s i g no fi n t r i n s i c a l l ys a f ef l y b a c k c o n v e r t e r s s p e c i a l i t y ：p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e r d r i v e n a m e ：l i a n gh u a n y i n g i n s t r u c t o r ：l i us h u l i n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 丝缉丝丝竺遗 ( s i g n a t ur e ) 2 ；认舭k e l e 曲o n i ce q u i p m e n t sa p p l i e di ne x p l o s i v ec o n d i t i o n sm u s tm e e tt h er e q u i r e m e m s o r a n t i e x p l o s i v e i n t f i n s i c a ls a f e t yi st h eo p t i m a lm e a n sf o ra n t i - e x p l o s i v e b e c a u s e o fi t sl l # a t w e i g h t s m a l ls i z e ，s i m p l em a n u f a c t u r e ，l o wc o s ta n dh i g hs a f e t yp e r f o r m a n c e ，i n t r i n s l c a l l y s a f e 毗出n gp o w e rs u p p l yw i l lh a sav a s tp e r s p e c t i v e t h ef l y b a c kc o n v e 船1 s ab 嬲a i t o p o i o g yo fm es w i t c h i n gp o w e r s u p p l y , a n di sa p p l i e dw i d e l y i np r a c t i c e t h e r e f o r e ，a n a l y s l s a n dd e s i g no fi n t r i n c a l l ys a f ec h a r a c t e r i s t i co ff l y b a c k c o n v e r t e r si st h ev 1 t a lg r o u l l d si o r o p t i m i a ld e s i 伊0 fi 栅璐i c a l l ys a f es 、i t c h i n gp o w e r s u p p l v 1 1 1 ed e s i g no fi n t r i n s i c a l l ys a f es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi sm a i n l y t od e s i g nt h ed e p o s l t e d e n e r g ye l e m e n t s ，w h i c ha r e i n d u c t a n c ea n do u t p u tf i l t e rc a p a c i 觚e t h es t a t i cb e h a v i o r so ff l y b a c kc o n v e r t e r sa r ea n a l y z e dd e e p l y t h e t h r e eo p e r a t i n g m o d e si nt h ef l y ，b a c kc o n y e r t e r sa r ep o i n t e do u t ：c i s m c c m ，i i s m - c c ma n d d c m t h e m a x i m 砌o u t p u tv o l t a g ea n dt h em a x i m u mc u r r e n tt h r o u g hi n d u c t o r a n dt h em 8 x 蛐啪 v a l u e so fs h o m c i r c 武d i s c h a r g e de n e r g yw i t h i nt h ew h o l ed y n a m i co p e r a t i n gr e 9 1 0 n a r e o b t a i n e d 1 h ei i 而n s i c a l l y s a f eb e h a v i o r so ff l y b a c k c o n v e r t e r sa r ea n a l y z e d ，a n d t n e n o n e x p l o s i r eo _ u q ) u ti n t r i n s i cs a f e t yc r i t e r i o n i so b t a i n e d ，a n dt h ee x p l o s i v ee x p e n m e n t s0 士 f l v b a c kc o n v e n e r sa r ed o n eb yu s i n gt h es p a r kt e s te q u i p m e n t e x p e r i m e n tr e s u l t s 肌h e r v e r i f yt h ev a l i d i t yo f t h ec r i t e r i o n 一 t h ed e s i g nr e g i o n o fi n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c e i so b t a i n e da c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n to fo 州v o h a g er i p p l el e v e la n do u t p u ti n t r i n s i cs a f e t y t h ed e s i g nr c 9 1 0 n o f h l d u c 伽c ea n dc a p a c i t a n c ei so b t a i n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f o u t p u tv o i t a g en p p l e l e v e l i n n e ri 嘶n s i cs 出ya n do u t p u t i n t r i n s i cs a f e t yw i t h i nt h ei n p u tv o l t a g ea n dl o a dr a n g e s t h ee x p 耐m e n t a lr e s u i t sa r ei np o s i t i v et ot h ea n a l y s i ss h o w i n g t h ef e a s i b i l i t yo fm ep m p o s e d m e t h o d s 一 1 kd e s i g nm e t h o d so fo u t p u ti n t r i n s i c a l l ys a f ef l y b a c kc o n v e r t e r s a r ep r o p o s e d ln e d e s i g nr e g i o n so fi n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c ea r eo b t a i n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f o u t p u tv o l t a g er i p p l el e v e la n do u t p u ti n t r i n s i cs a f e t yw i t h i nt h ew h o l eo p e r a t i n gr a n g e t h ee x a m p l e sa r eg i v e no u ta n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei np o s i t i v et ot h ea n a l y s i s s h o w i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d s k e yw o r d s ：i n t r i n s i c a l l ys a f ec i r c u i t sf l y b a c kc o n v e r t e r so u t p u ti n t r i n s i cs a f e t y c a p a c i t a n c e i n d u c t a n c e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nb a s i s 西姿彳爹技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：粱职姆日期：z o o 碍心 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：粜商久迎 指导教师躲易f 砌 捌g 年年月c e i 1 绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 1 绪论 随着石化、煤矿生产的机械化、自动化和通信能力程度的不断提高及各类监测监控 系统的推广应用，使这些危险性环境的用电设备越来越多、越来越复杂，用电设备发生 的漏电、短路、过负荷、电火花等电气事故，成为这些危险性环境可燃性气体或物质燃 烧和爆炸潜在的隐患【i l 。因此，应用在这类易燃、易爆环境的监控系统或其它用电设备， 必须满足本质安全的要求1 2 叫，即在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花均不能 点燃规定的爆炸混合物，否则就要采取限制火花的相应措施或被封装在笨重的防爆外壳 内方能使用。 目前，在全球范围内已广泛接受的电气设备防爆技术有：隔爆型1 5 刊( e x d ) 、本质安 全型 8 - - 9 ( e x i ) 、正压型【1 肛1 1 1 ( e x p ) 、增安型1 2 i ( e x e ) 、油浸型、充砂型、浇封型、n 型、 特殊型、粉尘防爆型等。以上每种方式都有其各自的优点，其中隔爆型、本质安全型和 正压型应用较为广泛。比较三种主要防爆型式的优缺点可知，本质安全型电气设备从电 路的电气参数上保证了防爆，省去了隔爆外壳，具有安全程度最高、体积最小、重量最 轻、携带与维护最方便和造价最低廉的五大优点。因此，用于爆炸性危险场所的电气系 统和电气设备，凡是可以或有希望设计成本质安全型的，总是尽量设计成本质安全型， 而不设计成隔爆型或其它类型0 3 j 。 直流电源是电子产品必不可少的重要组成部分，也是功率较大的电子设备，因此其 面临的本质安全问题更为突出。目前使用的直流稳压电源有线性直流稳压电源和开关直 流稳压电源两种，其中线性直流稳压电源用的较多【1 4 】。它虽然相对成熟，具有电源稳定 度及负载稳定度较高、输出纹波电压小、瞬态响应速度快、线路结构简单、便于维修、 没有开关干扰等优点，但由于同时存在效率低、电网适应性差、承受过载和短路的能力 差等致命缺点，不适应煤矿井下要求【l5 1 。然而开关稳压电源与线性稳压电源相比，虽然 存在控制电路较为复杂，瞬态响应差，射频、电磁干扰大，可靠性略差等缺点，但是它 体积小，重量轻，输出电压稳定，效率高达8 5 以上，且交流输入电压范围很宽( 一般 可在9 0 , - - 2 4 0 v ) 。特别是随着v m o s 管、肖特基势垒二极管等新一代高频大功率元件 的出现及一些新颖的电路拓扑和控制技术的采用，使开关稳压电源的工作频率向高频化 发展【1 6 - 2 2 ，电源的体积和重量越来越小，而电气性能指标却大幅度提高。所以开关稳压 电源十分适合煤矿井下要求【2 3 喇】。 可见，开关电源应用于煤矿井下、石化行业或一些危险的环境中有着广阔的前景， 因此，对本质安全开关电源的研究具有重要意义。 西安科技大学硕士学位论丈 目前对本质安全型电源的研究主要局限于对非隔离的本安型开关电源的研究，而在 实际中应用最多的还是隔离型开关电源。所以，目前的非隔离型本安型开关电源远不能 满足实际的需要，这就要求我们必须对隔离型本质安全开关电源进行研究。 作为开关变换器的一种，单端反激变换器主要应用于高电压、小功率的场合，而隔 爆兼本安开关电源，主要用于给危险环境的电气设备提供合适的工作电压，其功率通常 不是很大。因此，结构和控制相对较简单的单端反激变换器就成为隔爆兼本安开关电源 的首选。该变换器最大的特点就是它在b u c k b o o s t 变换器的基础上插入了变压隔离器， 使它克服了以往变换器输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过大，以及无法 实现多路输出等缺点。与其它隔离式变换器相比它具有电路简洁、成本低、体积小等优 点，它的最独特优点就是在所有变换器中抗电网能力最强，对来自电网的干扰可做到全 隔离，而其它电路形式都做不到。 因此，单端反激变换器被众多学者所关注，并将得到广泛的应用。所以对本质安全 型单端反激变换器的研究不仅具有重要的意义，更是进行本质安全开关电源研究的进一 步拓展。 此外，研究本课题有助于本质安全技术的推广应用；有助于开关电源的应用范围的 扩大。在国内、外对本领域的研究人员较少，而它的市场潜力是很大的，因此具有相当 的学术意义和经济效益。 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 ) 国外对本质安全理论的研究 煤矿电气设备最初的电气防爆技术是耐压防爆外壳，1 9 2 6 年英国制定了b s 2 2 9 标 准，1 9 3 3 年德国制定了v d e l 7 1 标准。国际电工委员会( i e c ) 关于电气防爆技术成立 了委员会t c 3 1 。其后，随着生产的发展，各种危险场所增多，电气技术提高，以英、 德为中心，相继出现了一些电气设备的其它防爆形式，如本质安全型、增安型等。其它 许多国家也相继开始研究，他们的成果多反映在各国的防爆电气标准中。经过( i e c ) t c 3 1 委员会成员国共同磋商、协调，各种防爆技术方式现在已编制成i e c 7 9 系列的国 际推荐标准【2 引。 从目前发展情况来看，国外在工作于普通环境下的稳压电源研究上发展迅速，但在 本安防爆稳压电源的研究上与我国基本处于同一水平，在本质安全型开关电源方面也还 处于零星的研发状态，没有形成批量产品。1 9 8 8 年美国r i c h a r da l e x a n d e r 和d e n n i s k i n d s c h u h 申请了内置镍镉电池的本质安全电池电路专利【2 6 1 ，该电路包括一个通过开关 晶体管的小电流通路和一个通过晶闸管的大电流通路，当电路检测到加载信号后，在上 2 1 绪论 电前等待0 5 秒，如果负载未连接好，再等待0 5 秒，这样就避免了引燃电弧。负载接 好后，电流先通过小电流通路，经过0 5 秒的延迟，再触发晶闸管，晶闸管为负载提供 大电流通路，过载保护采用_ 个热敏开关与电源并联。2 0 0 3 年，美国c l a u d em e r c i e r 申 请了本质安全通用开关电源专利【2 ，其重点是对高频变压器的处理，该电源的高频开关 变压器采用由多层p c b 构成的平板变压器。2 0 0 3 年，法国u d o g e r l a c h 和 t h o m a s u e h l k e n 从提高本质安全电源的输出功率的角度进行了研究，研制出3 0 w 大功 率隔爆兼本质安全电源1 2 引。 总的说来，国外对本质安全理论方面的研究较早也较完整，发展的早期主要集中于 火花试验装置的设计与评价、电极的电弧放电、各种因素对最小点燃电流的影响、最小 点燃能量的确定和点燃曲线的绘制、庖路设计及评价电路各元件对性能的影响等方面。， 指出电极分离速度越快、电极材料熔点、汽化热越低，最小点燃电流越小。后来研究进 一步深化，包括补充电感电容复合电路、减小火花能量、提高电路功率、频率对本安 性能的影响、火花装置的改进、本质安全系统、安全栅、应用等方面。近年来国外在本 质安全理论方面的研究已不限于低压、小电流情况，对电容电压、强电流源支路也有人 进行专门研究，还包括瞬态保护方面的内容。但同国内一样，研制的所谓本安电源仍然 是属于隔爆兼本质安全型直流电源，所以几乎无人对本质安全开关电源的设计、分析、 制作进行深入的研究。 ( 2 ) 国内对本质安全理论的研究 国内虽然对本质安全理论方面的研究较晚，但进展很快，且涉及面广。如电弧放电 2 9 “3 3 】，最小点燃能量计算( 在特定条件下( 一般指最易点燃的放电方式和最易点燃的介 质浓度) ，放电火花点燃爆炸性气体混合物的最小能量，称作该类爆炸性气体的最小点 燃能量) 3 4 1 ，火花试验装置的改进【3 5 3 6 1 ，对本质安全性能的计算机评估 3 7 - 3 9 】，本质安 全电路的设计【删，本安实际应用【4 】等。 上世纪，也有研究人员在开展本安开关电源【4 i 】的研究工作，但还处在经验设计与校 验相结合的阶段，且仍属于隔爆兼本安型： 文献 4 2 对各类型的开关电源主电路进行了比较，选用单端反激电路研制出本质安 全型开关直流稳压电源，采用的本安措施是给输出滤波电容串联一个小电阻来限制火花 放电的能量。当电容并联在电源输出端，作为滤波元件使用时，不能采用电容串电阻放 电的方法。如果电容串联了电阻，则相当于增加了电容的等效电阻e s r ，在同样大小的 纹波电流情况下，会产生很高的输出纹波电压，其滤波效果会大大减小甚至起不到滤波 作用。 文献【4 3 】为了满足本质安全型开关电源主电路的设计要求，提出了在d c d c 变换器 的输出端加稳压限流环节，限流环节的目的主要是限制电容短路放电电流，但是会降低 转换效率。 3 西安科技大学硕士学位论文 文献【4 4 为了满足本质安全型开关电源主电路的设计要求，提出了双端输入增频法， 减小d c d c 变换器的输出滤波电容，从而减小输出短路放电火花的方法，但是电路结 构和控制方法比较复杂。 以上的研究都是属于隔爆兼本安型的，为了满足本质安全型的要求，该方式采取的 方法有：输出加串联电阻；输出加多重化限流限压保护电路；采用复杂的电路结构和控 制方式。但是这些方法使得电路的滤波效果差、转换效率降低、结构和控制方法比较复 杂。所以，隔爆兼本安型不是理想的防爆措施，而本安型不需要防爆外壳和外加电路， 使电路结构简化，因而对本安开关电源的研究将从隔爆兼本安型转向本安型电路的研 究。 从技术水平上讲，目前国内外对本安型的研究已有了较大成果。从原来的只局限于 输出本质安全型开关电源到现在的内部本安和输出本安兼备的开关电源；从原来的只从 保护措施方面对本质安全直流电源的研究转变为从开关电源的主电路d c d c 变换器的 电路参数方面来考虑；从能量的角度讲，从原来的能量泻放分流方面入手转变为从如何 减小能量的产生方面进行研究。 文献【7 】虽然对本质安全开关电源的设计提出了几种思路，例如指出提高开关工作频 率可大大减小滤波电感和电容值，有利于提高电源本质安全防爆性能，但未对此展开研 究。而是和国内其他的研究者一样着重从多重化保护角度出发，研制出一台本质安全开 关电源。 文献【4 5 】从最小点燃能量的角度分析了b u c k 变换器的输出本质安全特性，得出了判 断方法和优化设计方法，由于仅对b u c k 变换器输出本质安全特性进行了分析，没有对 其内部本质安全特性进行分析。 文献【4 6 卜【5 5 】虽然对几种常用变换器的本安特性进行了全面分析，为本质安全开关 电源的进一步研究提供了理论依据，但是它们都是针对非隔离型变换器，而未涉及到隔 离型变换器。 1 2 2 国内外在本质安全开关电源方面的研究概况 ( 1 ) 国内对本质安全开关电源的研究 从7 0 年代起，我国开始了对本安型稳压电源的研制。但直到8 0 年代末才开始了对 本质安全开关电源的研究，而且从事这方面研究的人也较少。9 0 年代以后，越来越多的 研究人员在开展本安型开关电源的研究工作，但还处在经验设计与校验相结合的阶段， 缺乏成熟的理论指导。而且，所谓的本质安全型开关电源实际上仍属于隔爆兼本安型， 都需要加笨重的隔爆外壳1 5 如5 7 1 ，其研究的对象也只局限于非隔离型变换器，对隔离型变 换器的研究几乎是一片空白。 7 0 年代末8 0 年代初，国内出现的容量较大、电路结构有特色的矿用隔爆兼本安型 4 1 绪论 直流稳压电源型号有：江苏煤矿研究所和徐州无线电二厂共同研制的k d h y 型；煤炭 科学研究院唐山分院和山东无线电厂共同研制的仿英国赛瓦德系统的d y l 型；天津煤 矿专用设备厂研制的z k 1 型；煤炭科学研究院常州自动化研究所研制的y z d y - 2 1 8 型； 煤炭科学研究院唐山分院研制的k b h d 1 型等。 ( 2 ) 国外对本质安全开关电源的研究 国外虽然在普通环境下稳压电源的研究上进展迅速，但在本质安全型稳压电源的研 究上与我国基本处于同一水平，在本质安全型开关电源方面还处于零星的研发状态，没 有批量产品，也没有形成这方面的理论体系。 从技术水平上讲，国内外现在虽然已对几种常用变换器从输出本安、内部本安及减 少能量的角度上进行了研究，但是这些还处于试验阶段，未应用于实际，还有待完善。 而且以上研究都是针对非隔离型变换器，而未涉及到隔离型变换器，所以在实际应用中 受到一定的限制。 1 3 本论文的主要工作 本课题将对应用最广泛、最基本的隔离型单端反激变换器的本质安全特性进行全面 而深入的研究，从而得出单端反激变换器的输出本质安全判据和优化设计方法，根据该 设计方法设计一台预期在i 类环境中应用的输出本质安全型单端反激变换器，其主要参 数为：输出虼= 1 8 v , m = 2 、r = 7 5 ，k = a c l 7 6 肛2 6 4 y ，r l = 1 8 f l - 1 8 0 f f l 。假设变 换器的工作频率为f = 2 0 0 k h z ，火花放电维持电压v n = 9 阼火花放电维持时间t c = 2 0 9 s 。 然后对文中变换器的理论分析结果进行仿真，并用所设计的变换器进行安全火花实验验 证。本论文的主要工作如下： ( 1 ) 分析单端反激变换器的工作原理，推导出变换器在整个输入电压和负载的动态 范围内的工作模式、临界电感、输出纹波电压、峰值电感电流、输出短路能量与变换器 元器件各参数的关系，并且得出单端反激变换器在整个动态工作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。 ( 2 ) 分析单端反激变换器输出本质安全特性，通过研究变换器在整个输入电压和负 载动态范围内的最危险工作状态，并以放电能量为依据得出相应的等效电路，容性电路 的最小点燃电压曲线作为输出本质安全的判断依据，得出输出本质安全型单端反激变换 器的判断方法，并通过安全火花试验装置对变换器进行爆炸性试验，验证输出本安判据 的正确性。 ( 3 ) 给出输出本安型单端反激变换器的设计方法。以使变换器输出纹波电压的极大 值最小为约束条件得出电感的设计下限值，以满足输出纹波电压为约束条件，得到电容 设计值的下限；以满足输出本质安全要求为限制条件，得到电容设计值的上限，从而得 出输出本质安全型单端反激变换器的电感、电容参数设计范围。 5 西安科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 给出具体的实例，对论文中给出的输出本安型单端反激变换器的判断方法和优 化设计方法进行详细的说明，并对得到的电感、电容参数的设计范围进行实验验证，最 后运用火花实验装置对样机的本质安全性能进行模拟测试。用实验和测试结果证明理论 分析的正确性和设计方法的可行性。 6 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 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 目前，隔爆兼本安开关电源采用的方案主要有两种，如图2 1 所示。图2 1 ( a ) 所示 方案中，隔爆兼本安开关电源依次由电源降压变压器、整流滤波电路、基于开关变换器 的电压调节电路、多重限流限压电路等组成。此种方案的开关变换器可用非隔离开关变 换器或开关变换器。 图2 1 ( b ) 所示方案中，隔爆兼本安开关电源依次由输入滤波电路、整流滤波电路、 基于开关变换器的电压调节电路、多重限流限压电路等组成。为实现输出与电网的隔离， 此种方案的开关变换器只能采用隔离开关变换器。 割臻紫h 警繁h 亲嚣 ( a ) 方案之一 割管紫h 警警h 蒙祭臻 ( b ) 方案之二 图2 1 隔爆兼本安开关电源组成方案 由上图可知，经开关变换器电压调节电路后，为使其输出满足本质安全要求，还必 须经过多重化输出限能电路才能输出到本质安全电气设备。多重化输出限能电路的作用 就是将输出的电压、电流限制在一定的范围内，以有效抑制输出出现故障时的火花能量， 不致引燃危险环境的爆炸性气体，确保其输出满足本质安全要求。因此，隔爆兼本安电 源实际上仅仅是输出本安电源。 根据以上两种方案可得隔离型单端反激变换器的本安结构框图如图2 2 所示，其中 依次由输入滤波电路、整流滤波电路、基于开关变换器的电压调节电路、多重限流限压 电路等组成。它与上述的方案二较相似，两者不同之处就在于多重限流限压电路在电路 中的实现方式不同，下面将对各部分进行详细说明。 整流滤波：整流部分采用一般的全波整流电路；输入滤波一般采用单一电容滤波或 采用r c 滤波电路较好。滤波电容值不宜过大，因其大小也影响电源输出电路的本安性 7 西安科技大学硕士学位论文 能，在满足滤波效果的情况下，越小越好；应尽量避免采用电感滤波或l c 滤波电路， 因该种滤波电路对输出本安的影响更为明显，因此本设计中采用单一电容滤波。 玢( a 变换器电压调节电路 一。 输入整流 毒输出 本安输出 滤波 _ 滤波 滤波 j l 一 砂 p w m 控制器卜叫保护电路一 一一一j ： 限流限压电路 图2 2 本质安全型单端反激变换器结构框图 变压器：除了携带式仪表式用电池供电，绝大部分本质安全型仪表是通过电网，经 电源变压器进行整流后供电，为了保证电源变压器的初、次级间不会发生短路，须符合 下列结构要求和试验【5 9 枷】。 ( 1 ) 电源变压器输入绕组应用熔断器或断路器保护。变压器本安电路端子与非本安 端子应分两侧布置，防止混触和击穿，端子间的电气间隙、爬电距离不小于表2 1 的规 定值。变压器铁芯应接地。 表2 1 电气间隙与爬电距离c r a m ) ( 2 ) 电源变压器绕组须能承受输出绕组短路电流( 包括所有输出绕组同时短路，或 经限流电阻短路) 的作用，在热保护器( 熔断器、过热继电器) 动作之前，不应产生超 过绝缘等级的允许温度，且不应损坏。 ( 3 ) 电源变压器绕组可以采用下列方式之一制作： 向本安电路供电的绕组与其它绕组分开布置； 采用下列措施之一时，向本安电路供电的绕组与其它绕组可内外重叠分布： a 向本安电路供电的绕组与其它绕组问有加强绝缘。且要通过下列试验，当所 有输出绕组短路后，输入绕组在额定电压作用下经6 小时发热试验，其绕组不应损 坏，并按表2 2 规定值进行绝缘介电强度试验，不应击穿或闪络。 8 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 表2 2 变压器绝缘耐压试验 部位额定电压u ( v )试验电压( v ) 一次绕组、向非本安电路供电的 u 3 61 0 0 0 二次绕组与接地屏蔽、铁心之间 3 6 u 2 2 01 5 0 0 及相互之间2 2 0 u 4 u 最低为1 5 0 0 向本安电路供电的二次绕组与 u 3 61 0 0 0 接地屏蔽、铁心之间及相互之间3 6 u2 u + 1 0 0 0 最低为1 5 0 0 b 向本安电路供电的绕组与其它绕组间用铜箔或铜质导线绕组接地屏蔽隔离。 屏蔽厚度不应小于表2 3 的规定值。 表2 3 不需进行试验的屏蔽厚度 熔断器额定电流( a ) o 10 5l235 屏蔽铜箔最小厚度( n m ) o 0 5o 0 50 0 7 50 1 50 2 5o 3 屏蔽绕组的导线直径( m m ) o 2 0 4 5 0 6 3o 61 1 2 1 4 变压器还必须按照其它有关标准的规定用适当的方法浸渍，以固定绕组。 反激变换器中变压器既起隔离作用又起着储能电感的作用，所以分析电路时可以把 它当作电感对待。电路中电感的分断和输出滤波电容的短路均会产生放电火花，从而有 可能点燃爆炸性气体，所以电路中电感和输出滤波电容参数的设计是本安设计的关键。 在进行本安型反激变换器变压器的设计时，既要根据本安的要求又要考虑电气指标要求 来进行设计；输出滤波电容主要满足输出纹波电压和输出本安的要求。 保护电路：在本安变换器的设计中，为抑制输出短路引起的电火花能量，除了储能 元件参数的设计外，还必须在输出发生短路时，彻底关断输入电源和尽可能隔离储能元 件。目前，大多数隔爆兼本安型开关电源采取的限能保护措施是在输出端附加由晶体管 组成的串联性限流限压多重化保护电路，这种措施的确能达到限能的目的，但存在着 一些问题：功耗大、效率低。由于在输出端附加串联性的限流限压多重化保护电 路，影响了输出电压的稳定性，为此，在对输出电压稳定度要求较高的场合就必须另加 串联稳压电路，以使输出电压不随负载的变化而改变。在输出端附加的串联性限流 限压多重化保护电路中，为了加快保护动作速度，输出过电压和输出短路保护电路通常 用可控硅实现，但保护电路一旦动作，可控硅导通就不能关断，因此必须要在故障消除 后，关断电源，重新上电，电源才能恢复工作。这实际上是不满足本安试验要求的，本 安电路中要求电源的保护必须要有自恢复功能。 对于目前保护电路存在的以上问题，本文采取了在输出端并联可恢复的截止型输出 短路保护电路【6 i 】的措施，有效的解决了以上问题。该保护电路的特点是：出现故障时 9 西安科技大学硕士学位论文 能快速、彻底关断其输入电源，截断故障能量的“源”，有效抑制故障能量的增加。该 保护电路可恢复，即一旦故障消除能自动恢复正常工作。所以，在出现故障时保护电路 可迅速彻底地截断电源向短路处输送能量，且不影响电源的正常工作和相关试验认证。 这就是本设计的输出本安与以往的输出本安的不同之处。 p w m 控制器：用来调节开关电源占空比，使输出电压基本上不随负载变化或不随 输入电压变化而变化，使输出趋于稳定。p w m 控制器可以分为电压模式控制器和电流 模式控制器，由于电流模式控制器具有系统稳定性强、稳定域大、使系统动态特性改善、 及具有快速限制电流的能力，所以变换器中选用电流模式控制芯片u c 3 8 4 3 ，该芯片采 用峰值电流模式控制，内部包含5 v 基准源，用于电压调节器的误差放大器和峰值电流 比较器等，并具有可以提供1 彳峰值电流的驱动电路，以及电源欠压保护电路等。 本安型单端反激变换器的设计关键是变压器和输出滤波电容的设计，而这些元件参 数和电路的最大释放能量、纹波电压及电感电流密切相关。所以，为了设计出本质安全 型单端反激变换器，本文将从变换器的基本工作原理入手，对变换器的能量传输模式、 输出纹波电压和电感电流进行深入分析是设计本安型反激变换器的重要理论依据。 2 2 单端反激变换器工作原理 单端反激变换器的主电路结构如图2 3 所示。在图2 3 中，k 为输入电压、圪为输 出电压、厶为输出电流、s 为开关管、l 、三2 为储能电感、屯为流过电感三l 的电流、幺 为流过电感2 的电流，d 为续流二极管、c 为输出滤波电容、毗为负载电阻。设开关 周期为珏，导通时间为，则开关频率厂乃，开关导通比d = 殆。 图2 3 单端反激变换器的主电路图 + 圪 当开关管s 导通时，续流二极管d 承受反向偏置电压而截止，流过电感三l 的电流屯 线性增加，储能电感l 将电能转换成磁能储存在电感三l 中，此时，负载由输出滤波电 容c 供电；当开关管s 断开时，电流五。降为零，续流二极管d 导通，储能电感l 将能 量通过互感传递给2 ，通过三2 释放能量，流过电感2 的电流么线性减小，在减小到i o 之前，电感电流一部分给负载供电，一部分给电容充电：减小到小于厶后，电容进入放 电状态，负载由电感和电容共同供电，以维持输出电压和输出电流不变。 1 0 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 在开关管s 断开期间，流过电感三2 的电流么线性减小到零时下一个开通周期还没 有到来，则会出现副边电感电流断续的状态。根据副边电感电流是否出现断续将电路的 工作方式分为连续导电模式( c c m ) 和不连续导电模式( d c m ) f 6 2 1 。 根据文献 6 2 】，当变换器工作在c c m 模式时，变换器输出、输入电压增益为 肚v 矿o = y 南d ( 2 1 ) 矿 l 一 、7 其中d 为开关周期导通占空比，) ，为变压器的匝比? = n 2 n ! 。 根据文献 6 2 】，当变换器工作在d c m 模式时，变换器的电压增益为 肚v k o = 鑫2 ( 2 - 2 ) 形 、尼， 、7 2 3 单端反激变换器的能量传输模式 根据单端反激变换器工作原理可知：当变换器的开关s 处于导通状态时，变压器的 原边电感三l 存储能量，电容向负载提供能量，此时能量的传输较简单。但是当开关关 断后，能量的传输过程则要复杂得多，变压器的副边电感、输出滤波电容和负载三者之 间的能量传输与电感上2 的大小密切相关，变压器的副边电感存在一个临界电感三c ，当 l 2 三c 时，变换器工作于c c m 。下面对变换器工 作于这两种模式下，开关关断后的能量传输过程进行深入分析。 2 3 1d c m 下的能量传输过程 当变换器工作于d c m 时，电感电流及电容电压波形如图2 4 所示 二。 o 矗t 2f 2 。f 3 r 分卜 j- 厶 f 图2 4d c m 下单端反激变换器电感电流和电容电压波形 据此可将变换器开关在t l 时刻关断后的能量传输过程分成三个阶段： 第一阶段( f 2 ) ：本阶段为电感2 供能阶段，其等效电路如图2 5 ( a ) 所示。此时， 电感电流乞大于输出电流厶，电感l 2 不仅向负载供能，同时还给电容充电，电容电压 上升。这一阶段一直持续到t 2 时刻电感电流线性下降到岛= i o ，此过程经历的时间为t 2 - h 。 西安科技大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 【c ) 图2 5 单端反激变换器不同阶段的等效电路 第二阶段( 如吨) ：当电感电流么 o 时称为电感完全供能模式( c i s m ) ：而当i l v i o ，所以开关关断期间，电感不仅向负载供能， 1 2 ，匝 ，髓 + 一 r 巧l 一 一 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 同时还给电容充电，其等效电路如图2 5 ( a ) 所示，电感电流和电容电压波形如图2 6 ( a ) 所示。 不完全电感供能模式( i i s m ) 此时i l v o ，电感不仅向 负载供能，同时还给电容充电，电容电压上升，如图2 6 ( b ) 所示的t l t 2 段。第二阶段为 电感和电容同时向负载提供能量阶段，其等效电路如图2 5 ( b ) 所示，此时五。 o 时处于第一阶段即电感供能阶段，此时，电感不仅向负载供能，同时还给电容充电，电 容电压上升；当矗。 o 时处于第二阶段即电感和电容同时向负载提供能量阶段，此时， 电容电压开始下降。显然，传统理论忽略了i i s m 模式的存在。 2 4 单端反激变换器的临界电感与工作区域 根据以上能量传输过程的分析，可以看出存在两个临界电感，即c c m 与d c m 的 临界电感、c i s m 与i i s m 的临界电感，下面分别予以讨论。 2 4 1c c m 与d c m 的临界电感与工作区域 单端反激变换器工作于c c m 和d c m 的临界条件为流过变压器副边电感上2 的最小 电流，l v 是否等于零，由此可得c c m 和d c m 的临界变压器副边电感c 为 k = 等= 莉r l y w , 2 ( 2 3 )。 2 厂2 厂( ，y + 圪) 2 一叫 当电感三2 观c 时，变换器工作在c c m ：当电感l 2 l c c，变换器在整个动态范围内均工作在c c m 模式，对应 图2 7 曲线a 的情形；当l 2 l k 时，变换器工作于完全电感功能( c i s m ) 模式；当2 乱k 时，变换器工 作于不完全电感功o 皂( i i s m ) 模式；当l 2 = l k 时，变换器工作于c i s m 和i i s m 的临介状态。 比较式( 2 1 1 ) 和式( 2 3 ) ，可得： ， 三r = 等 ( 2 1 2 ) 口 由于d l c( 2 1 3 ) 因此，工作于c c m 的单端反激变换器既有可能工作于c i s m 又有可能工作于i i s m ； 而工作于d c m 的单端反激变换器只有可能工作于i i s m 。 可见，单端反激变换器的工作模式有三种：c i s m c c m 、i i s m c c m 和d c m ，而 并非传统的c c m 和d c m 两种模式。 2 5 工作模式与输出纹波电压 输出纹波电压是直流稳压电源的重要指标之一，输出纹波电压的分析对电感和输出 滤波电容的设计具有重要的指导意义。因此，下面将对纹波电压进行深入讨论和分析。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 2 5 1c i s m c c m 下的输出纹波电压 单端反激变换器工作在c i s m c c m 模式时，其电感2 的电流和电容c 上的电压波 形如图2 6 ( a ) 所示，输出纹波电压为 ：盟：兰生：j c r c f 吃c f ( v o + 7 杉) ( 2 1 4 ) 从上式可知，在输入输出电压、负载电阻一定的情况下，电容越大、频率越高，输 出纹波电压就越小。 2 5 2i i s m - c c m 下的输出纹波电压 单端反激变换器工作在i i s m c c m 模式时，其电感l 2 的电流和电容c 上的电压波 形如图2 6 ( b ) 所示。 开关关断后，令f ，= 0 ，则电容的充电电流为 i c ( t ) =