[发明专利]一种考虑温度效应的本安Buck变换器参数设计方法

说明书

本发明公开了一种考虑温度效应的本安Buck变换器参数设计方法，包括：给定Buck变换器的电感电流纹波、输出纹波电压以及最小点燃能量；给定工况下Buck变换器的输入电压范围、负载范围、工作温度范围、输出电压、工作频率和等效串联电阻的阻值R_C；计算本安Buck变换器的最小电感和输入电压和R_C动态范围内电容最小值；计算工作温度范围内Buck变换器电容C的容量范围和等效串联电阻的阻值范围；根据上述设计参数，计算最大短路放电能量和最大输出纹波电压，判断是否满足输出本质安全要求，若满足，设计完成；若不满足，则需要减小R_C或提高工作频率，重复上述步骤，直至满足要求。本发明有效地提高变换器的输出本质安全性能。

技术领域

本发明属于变换器技术领域，具体涉及一种考虑温度效应的本安Buck变换器参数设计方法。

背景技术

如今煤矿、石化等企业对生产安全越来越重视，这些企业的生产环境十分复杂，常伴有瓦斯等易燃、易爆等气体，因而需要各种电子设备实时监测工作环境，这些电子设备的供电必须满足防爆要求，而本质安全是目前最佳的防爆形式，因此研究适用于煤矿、石化等危险环境的本质安全电源具有重要意义。

本质安全开关电源具有体积小、效率高、重量轻等优点，在易燃、易爆等危险环境中具有广阔的应用前景，一直以来都是研究人员关注的热点。传统的本质安全开关变换器的分析和设计都基于理想模型，未考虑寄生参数对电气性能指标及本质安全性能的影响，同时也未考虑不同工况温度下元器件参数变化对变换器性能的影响。基于理想模型的本质安全开关电源在选择电容等参数时一般取2～4的裕量，增加了电源短路释放的能量，降低了电源的本安性能。文献《开关变换器分析与设计》研究了考虑电容ESR的本质安全Buck-Boost变换器设计方法，该方法建立了考虑ESR的纹波电压模型，降低了电容选择的裕量，从而提高本安性能，但是该文献未考虑环境温度引起电容容量和ESR变化的情况。

随着变换器工作时长以及环境温度的不同，都会引起功率器件的特征参数(如电容容值C和等效串联电阻ESR)发生变化。当温度升高，电容的容值增大，变换器短路时释放的能量增加，从而产生安全隐患。变换器内部参数发生变化，不仅会影响系统的暂态性能，甚至会影响系统的稳定性，因此考虑温度变化对本安变换器设计具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑温度效应的本安Buck变换器参数设计方法，该方法考虑了不同工况温度变化对电容特征参数的影响，减小滤波电容选择的裕量，从而有效地提高变换器的输出本质安全性能。

本发明所采用的技术方案是一种考虑温度效应的本安Buck变换器参数设计方法，Buck变换器包括开关管VT、二极管VD、滤波电感L、输出滤波电容C、C的等效串联电阻R_C、负载电阻R，Buck变换器输入电压为U_i，输出电压为U_o，包括以下步骤：

步骤1：给定Buck变换器的电感电流纹波Δi_L、输出纹波电压V_PPB以及最小点燃能量W_B；

给定工况下Buck变换器的输入电压范围[U_i,min,U_i,max]、负载范围[R_min,R_max]、工作温度范围[T_C,min,T_C,max]、输出电压U_o、工作频率f和等效串联电阻的阻值R_C；

步骤2：计算本安Buck变换器的最小电感L_min和输入电压U_i和R_C动态范围内Buck变换器的电容最小值C_min1，考虑电路其余寄生参数的影响，实际电容最小值C_min2＝1.2C_min1；