矿用多路输出本质安全型两级变换器研究

摘要

随着煤炭行业的飞速发展,各种电气设备在煤矿井下的应用越来越广泛。电源作为电气设备的供能核心,对其安全性能提出了很高的要求。一次本质安全电源,前端输入是非本质安全,隔爆外壳必不可少,防爆型式实际为隔爆兼本安型,即输出本质安全型。由于煤矿井下电压等级高,使得普通变换器开关管所受电压应力大,目前的MOSFET很难满足性能要求,而且通常要求煤矿井下的输出本质安全型电源具有多种等级电压输出,如5V、12V、18V等。基于此,本文设计了一种两级变换器,前级采用的三电平反激变换器克服了传统变换器电压应力大的缺点,后级采用闭环Buck调节器解决了多路输出交叉调整率差的问题,因此对具有多路输出功能的输出本质安全型两级开关变换器进行研究具有很大的实际意义。
　　首先,对输出本质安全型开关电源结构及保护方式的分类进行介绍,通过分析比较其各自特点,对输出本质安全型两级变换器的结构及保护方式进行选择。再对两级变换器的工作原理进行分析,重点推导前级三电平反激变换器在整个工作范围内工作模式、占空比和初级电感峰值电流与变换器各参数的关系式,得出工作模式、占空比和初级电感峰值电流随输入电压、输出电流的变化规律。通过仿真验证理论分析的正确性。
　　然后,对多路输出的两级变换器的稳定性进行分析,通过对前级三电平反激变换器和后级 Buck变换器建立小信号模型并进行计算来验证是否能稳定工作。结合提高本质安全性能的措施,对该新型输出本质安全型变换器进行设计,包括主电路、控制电路和输出截止型保护电路的设计,并对设计过程进行了详细的叙述。制作样机,并通过实验验证样机性能。
　　最后,对后级Buck变换器在正常工作情况下与输出短路情况下储能元件电感和电容的能量传输过程进行分析,得出输出短路最危险时刻及最大输出短路释放能量的极大值。以容性电路火花放电最小点燃电压曲线为依据,从最小点燃放电能量的角度对其进行非爆炸评价。通过实验验证理论分析的正确性。

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1 绪论

1.1研究背景及意义(Background and Significance)

1.2国内外研究概况(Research Situation)

1.3本论文主要研究内容(Main Content of This Paper)

2 输出本质安全型两级变换器的拓扑选择与保护方式

2.1 本安电源分类(Classification of Intrinsically Safe Power Supply)

2.2 输出本质安全型开关电源的拓扑介绍(Topology Description of Output Intrinsically Safe Switching Power Supply)

2.3输出本质安全型开关电源的主要性能指标(Main Performance Requirements of Output Intrinsically Safe Switch Power Supply)

2.4 输出本质安全型开关电源的保护方式(Protection Modes of Output Intrinsically Safe Switch Power Supply)

2.5小结(Conclusion)

3 输出本安型两级变换器稳定性分析与参数设计

3.1 两级变换器的小信号模型和环路分析(Small-signal Model and Loop Analysis of Two-stage Converter )

3.2 两级变换器的稳定性分析(Stability Analysis of Two-stage Converter)

3.3设计指标与设计总框图(Design Index and Block Diagram of the Overall Design)

3.4 前级三电平反激变换器主电路和控制电路设计(Design of Main Circuit and Control Circuit of the First-stage Three-level Converter)

3.5 后级Buck变换器主电路设计(Design of Main Circuit of the Second-stage Buck Converter)

3.6 小结(Conclusion)

4 多路输出本质安全型两级变换器的保护电路设计与非爆炸评价

4.1 输出过压过流保护电路设计(Design of Protection Circuit)

4.2 爆炸性气体的放电引燃(Discharge and Ignition of Explosive Gas)

4.3 能量传输模式分析(Analysis of Energy Transmission Processes)

4.4 输出本质安全性能非爆炸评价(Non-explosive Evaluation of Output Intrinsically Safe Performance)

4.5 小结(Conclusion)

5 多路输出本安型开关电源的实验结果分析

5.1 多路输出本质安全型开关电源稳定性验证结果(Stability Validation Results of Output Intrinsically Safe Switching Power Supply with Multi-output)

5.2 多路输出本质安全型开关电源硬件平台测试结果(Testing Results of Experimental Platform of Output Intrinsically Safe Switching Power Supply with Multi-output)

5.3 输出本安型开关电源负载交叉调整率测试结果(Testing Results of Cross-regulation of Output Intrinsically Safe Switching Power Supply)

5.4输出本质安全型开关电源负载切换测试结果(Testing Results of Load Stepping of Output Intrinsically Safe Switching Power Supply)

5.5输出本质安全型开关电源输出保护测试结果(Testing Results of Output Protection of Output Intrinsically Safe Switching Power Supply)

5.6小结(Conclusion)

6 总结与展望

参考文献

附录 A

附录 B

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