本质安全型开关电源的研制

论文摘要

煤炭、石油、天然气等危险性环境中的用电设备越来越多被设计成本质安全型,电源是电气设备的“心脏”,因此,它的本质安全性设计是整个本安系统的基础。本课题将成熟的开关电源技术应用到本质安全电路研究中,基于单端反激式变换器,研制了一款18V/1A输出的本质安全型开关电源。该电源体积小,成本低,输入与输出电气隔离,可实现多路本质安全输出,可为危险性环境下的各类用电设备提供不同电压等级的工作电压。电容短路、电感断路时能产生电火花,集中释放能量,因此,在设计本质安全型开关电源时应控制其故障时产生的电火花能量不点燃周围可燃性气体混合物。输入整流滤波电路在整个电源系统中是存储能量较大的一部分,也是至关重要的一部分,因此,本论文着重研究了这部分电路,采取的本安措施是在输入滤波电容上串接一个电阻,目的是减小电容短路时的瞬间放电电流,从而限制火花放电能量,同时该电路还具有PFC功能。还具体分析了电容串接电阻电路短路火花放电特性,建立数学模型,利用MATLAB仿真软件对各数学表达式进行仿真分析及对输入电流波形进行频谱分析,验证了该方法能有效减小电容的瞬间放电电流,从而减小放电能量,保证电路的本质安全性；并验证了串接电阻对滤波效果无明显影响,且对功率因数稍有提高。单端反激式变换器的变压器实质上是个储能电感,故本电源采取的另一种本安措施就是提高开关电源的工作频率,减小变压器的存储能量。本论文设计了本质安全型开关电源的主电路及过流过压保护电路,给出了重要元器件的具体参数计算及选型分析,还进行了PCB设计,最终制作了本质安全型开关电源样机。实验结果表明：此本质安全型开关电源输出比较稳定,纹波电压小,能够基本达到设计的要求。图[51]表[7]参[63]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 本质安全型开关电源研究的意义
• 1.2 本质安全电路理论及本质安全电源的研究现状与发展
• 1.2.1 本质安全电路理论的研究现状与发展
• 1.2.2 本质安全电源的研究现状与发展
• 1.3 本文主要工作及内容安排
• 2 本质安全型开关电源的理论研究
• 2.1 本质安全型开关电源的主要技术性能要求
• 2.2 本质安全型开关电源的组成及原理
• 2.3 单端反激式变换器的结构和工作原理
• 2.4 单端反激式变换器的能量传输过程分析
• 2.4.1 单端反激式变换器在CCM下的能量传输过程
• 2.4.2 单端反激式变换器在DCM下的能量传输过程
• 2.4.3 CCM与DCM的临界电感
• 2.5 本章小结
• 3 本质安全型开关电源的整体设计
• 3.1 电源总体结构框图设计
• 3.2 输入整流滤波电路设计
• 3.3 本质安全型开关电源主电路设计
• 3.3.1 主电路控制芯片
• 3.3.2 反馈电路设计
• 3.3.3 吸收电路设计
• 3.3.4 电源主电路设计
• 3.4 过流保护电路设计
• 3.5 过压保护电路设计
• 3.6 重要参数设计及元器件选型分析
• 3.6.1 变压器的设计
• 3.6.2 开关管的选型
• 3.6.3 二极管的选型
• 3.7 本章小结
• 4 输入整流滤波电路的设计及仿真分析
• 4.1 输入整流滤波电路的设计
• 4.1.1 传统输入整流滤波电路设计
• 4.1.2 改进型输入整流滤波电路设计
• 4.2 电容串接电阻电路短路放电特性研究
• 4.2.1 电容性电路的放电火花分析
• 4.2.2 电容串接电阻电路火花放电数学模型
• 4.3 电路火花放电数学模型的仿真分析
• 4.3.1 火花放电电压的仿真分析
• 4.3.2 火花放电电流的仿真分析
• 4.3.3 火花放电功率的仿真分析
• 4.3.4 火花放电能量的仿真分析
• 4.4 输入整流滤波电路的Simulink仿真及分析
• 4.4.1 传统输入整流滤波电路的仿真及波形分析
• 4.4.2 改进型输入整流滤波电路的仿真及波形分析
• 4.5 输入整流滤波电路的频谱分析
• 4.5.1 传统输入整流滤波电路的频谱分析
• 4.5.2 改进型输入整流滤波电路的频谱分析
• 4.6 改进型输入整流滤波电路对电源本安性能影响分析
• 4.7 本章小结
• 5 本质安全型开关电源的电路实验与分析
• 5.1 本质安全型开关电源的参数设计
• 5.1.1 变压器参数计算
• 5.1.2 开关管选型分析
• 5.1.3 整流二极管选型分析
• 5.2 本质安全型开关电源的PCB设计
• 5.3 本质安全型开关电源的实验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果