[发明专利]一种考虑滤波电容ESR的本质安全型Buck-Boost变换器设计方法

权利要求书

1.一种考虑滤波电容ESR的本质安全型Buck-Boost变换器设计方法，其特征在于，包括：

S1：确定变换器的输入电压V_i范围[V_i,min，V_i,max]，负载R范围[R_min，R_max]，输出电压V_o，工作频率f，确定滤波电容的等效串联电阻R_C的最大值即R_C,max；

S2：规定纹波电压指标V_pp,max，并计算出变换器所要求的最小放电能量W_B；

S3：由以上参数确定满足变换器工作模式所要求的最小电感L_min，最小电感L_min常由变换器的工作模式决定，一般要求变换器输出电流大于某个值I_A时工作在CCM，即要求最小临界电阻R_CMR_A即可，L_min计算公式是：

其中，R_A表示变换器的工作模式临界电阻；

S4：将L_min代入计算公式(2)计算ΔV_1,max：

式中，α＝R_minV_i,min-R_C,maxV_o；

S5：将ΔV_1,max与所规定的最大纹波电压指标V_pp,max进行比较，若ΔV_1,max≥V_PP,max，计算L_min1，求得最小电容C_min1；若ΔV_1,maxV_pp,max，求得最小电容C_min2；

最大输出短路放电能量W_max的计算过程是：

式中，W_C为变换器短路时刻电容释放的能量，W_L短路时刻电感释放的能量，C为电容值，I_LP,max为电感电流的最大值，

式中，α＝R_minV_i,min-R_C,maxV_o；

所述ΔV_1,max与所规定的最大纹波电压指标V_pp,max进行比较的过程是：

A.若ΔV_1,max≥V_pp,max，此时令ΔV_1,max＝V_pp,max，求得满足纹波要求的电感L_min1：

式中，α＝R_minV_i,min-R_C,maxV_o，

γ＝R_minR_C,max(V_i,minV_o-V_i,minV_PP,max+V_o²+V_oV_PP,max)；

根据(7)式求得CISM3模式下所需要的最小电容C_min1，再根据(4)式求得变换器发生短路时最大输出短路放电能量W_max：

将其与S2中计算的W_B比较，若W_maxW_B，则输出电路本质安全，若W_maxW_B，则不符合本质安全要求，此时需要减小R_C,max或者提升开关频率f，重新进行设计，直至满足要求，

式中，α＝R_minV_i,min-R_C,minV_o，β＝R_minV_o[2fL_min1(V_i,min+V_o)-R_C,minV_i,min]；

B.若ΔV_1,maxV_pp,max，纹波电压随着电容C的增大而减小，R＝R_min，V_i＝V_i,min，R_C＝R_C,max时纹波电压最大，因此需要通过式(8)中CISM1和CISM2的纹波式求得此模式下所需要的最小电容C_min2＝max{C_CISM1，C_CISM2}，实际中需选取一定裕量的电容，即C＝λC_min2，λ＝1.1，并通过式(4)求得变换器发生短路时最大输出短路放电能量W_max，若W_maxW_B，则输出电路本质安全，若W_maxW_B，则不符合本质安全要求，此时同样需要减小R_C,max或者提升开关频率f，重新进行设计，直至满足要求，

式中，t₂＝(1-D)T，t_m＝-b/2a，

S6：求得最大输出短路放电能量W_max，将W_max与W_B比较，对变换器本质安全性能进行评判，若符合要求则设计结束，若不符合要求，则重新设置R_C,max或者开关频率f重复S2以后的步骤直至设计结束；

S7：搭建应用于Ⅰ类环境的Buck-Boost变换器进行仿真验证和实验验证。