基于开关变换器的输出本质安全电源性能改善研究

摘要

当前检测监控设备、报警及通讯设备在煤矿中应用非常普遍，其供电电源性能的可靠性及稳定性直接关系到煤矿的生产安全。因此研究具有本安特性好、适用范围广、使用方便的本安电源，对于煤炭安全生产具有重要的工程意义。目前输出本质安全开关电源具有体积小、重量轻、输入电压范围广等优点，广泛应用于煤矿、石化等危险环境下，但其仍存在输出纹波大、保护动作时间长等问题。
　　本文首先研究了电路中常见几种放电形式的放电规律，其中主要研究火花放电形式;由于开关电源输出端为电容，且电容电路放电具有放电能量比较集中、放电电流瞬间急剧增加、放电时间很短等特点，本文主要研究其放电特性，同时研究电感和电容组成的CL电路的放电特性，通过建立数学模型，利用Matlab完成了仿真分析，得到了电感对电容电路放电的影响。其次分析了目前煤矿井下常用的输出本质安全电源设计方案，在对各种隔离式拓扑的优缺点及适用领域分析的基础上，选择反激式拓扑作为输出本安电源的主电路结构，通过深入分析反激变换器不同工作模式能量传输过程、开关频率及电压间的关系，为电源本安性能及电气指标的改善提供了方法;研究了电感、电容减小放电火花能量的一些措施，对于电容可以采取在回路中增加小电感的方法，对于电感可以采取的方法有多种，如并联电阻、电容、稳压管等。然后根据输出本安开关电源的性能要求，确定了总体设计方案，以KA5L0380R为核心制定了合理的控制策略，并对反激电路中高频变压器采用AP法进行了设计，同时对其他主要元件进行了参数的计算和选型;设计了由降压稳压器LM2576和四电压比较器LM339组成的输出稳压限能电路，不仅进一步实现了电压的稳定，而且缩短了电源保护动作时间。接着介绍了PFC电路中常见拓扑结构、控制方式及工作模式，选取了CRM模式下的峰值电流控制Boost电路，以控制芯片FAN7527B为核心，对PFC电路进行总体设计，并对主电路及控制芯片外围电路进行了参数设计，通过输入电流波形的频谱分析以及其他关键波形的分析对设计的PFC电路进行了验证。最后搭建了基于Labview的输出本安电源平台，设计了一款具有多种功能的虚拟示波器，其硬件主要由信号调理电路、数据采集卡及计算机构成，完成对输出本安开关电源电压、电流等信号的采集，软件设计是在图形化开发环境Labview中进行，完成所测信号的显示、处理及存储，通过虚拟示波器对输出本安开关电源的性能进行验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状以及发展趋势

1．2．1 本质安全防爆技术

1．2．2 本质安全理论的发展及研究现状

1．2．3 本质安全电源的发展及研究现状

1．3 本文主要工作及内容安排

第二章 本质安全电路放电特性分析

2．1 本安电路电火花的产生规律

2．1．1 火花放电简要介绍

2．1．2 电弧放电简要介绍

2．1．3 辉光放电简要介绍

2．2 电源电路放电特性分析

2．2．1 电容电路放电特性

2．2．2 放电数学模型及仿真分析

2．2．3 电感对电容放电电路的影响

2．3 本章小结

第三章 输出本安开关电源相关理论研究

3．1 输出本安电源的组成及性能要求

3．1．1 输出本安电源的组成

3．1．2 输出本安电源的性能要求

3．2 开关电源的原理及拓扑介绍

3．2．1 开关电源的原理

3．2．2 隔离式拓扑介绍

3．2．3 反激变换器工作原理

3．3 反激变换器的能量传输模式分析

3．3．1 CCM模式的能量传输及输出纹波电压

3．3．2 DCM模式的能量传输及输出纹波电压

3．4 输出本安开关电源保护的设计

3．4．1 电源中储能元件的保护

3．4．2 电源输出本安性能改善方法

3．5 本章小结

第四章 输出本质安全开关电源的设计

4．1 系统的总体结构设计及技术指标

4．2 前级稳压电路设计

4．2．1 输入滤波电路设计

4．2．2 主电路的控制芯片选择

4．2．3 反馈电路设计

4．2．4 钳位电路设计

4．2．5 基于KA5L0380R的前级稳压电路设计

4．3 高频变压器设计及元器件选型

4．3．1 高频变压器的设计

4．3．2 开关管的选型设计

4．3．3 输出整流二极管的选型设计

4．4 输出稳压电路设计

4．4．1 稳压芯片选型

4．4．2 基于LM2576的稳压电路设计

4．5 保护电路设计

4．5．1 比较电路选型

4．5．2 双重保护电路设计

4．6 本章小结

第五章 基于Boost变换器的功率因数校正电路研究

5．1 有源功率因数校正技术概述

5．1．1 拓扑电路选择

5．1．2 控制方式选择

5．1．3 工作模式选择

5．2 Boost PFC电路系统设计方案

5．2．1 控制电路芯片选择

5．2．2 有源功率因数校正电路设计方案

5．3 Boost PFC电路参数设计

5．3．1 Boost PFC主电路参数设计

5．3．2 基于控制芯片FAN7527B的外围电路设计

5．4 Boost PFC电路结果分析

5．5 本章小结

第六章 基于Labview的输出本安电源实验平台搭建

6．1 测试输出本安电源的虚拟示波器总体设计

6．1．1 虚拟示波器的总体设计

6．1．2 数据采集卡USB2088的性能及技术指标

6．1．3 虚拟示波器的指标

6．2 测试输出本安电源的虚拟示波器软件实现

6．2．1 虚拟示波器的前面板设计

6．2．2 虚拟示波器的程序设计

6．3 基于Labview的输出本安电源试验验证

6．3．1 输出本安开关电源PCB设计

6．3．2 输出本安开关电源试验调试及结果分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文