[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

说明书

本发明提供一种考虑滤波电容ESR的本质安全型Buck‑Boost变换器设计方法，包括：S1：确定变换器的输入电压V_i范围、负载R范围、输出电压V_o，工作频率f，R_C的最大值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；S4：根据最小电感L_min计算ΔV_1,max；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，求得最小电容为C_min1；若ΔV_1,maxV_pp,max，求得最小电容C_min2；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，直至设计结束；S7：进行仿真验证和实验验证。本发明给出了变换器电感及电容的设计方法，适用于煤矿、石化等易燃、易爆等危险环境下。

技术领域

本发明属于应用于煤矿、石化等易燃、易爆环境下Buck-Boost变换器设计技术领域，具体涉及一种考虑滤波电容ESR的本质安全型Buck-Boost变换器设计方法。

背景技术

应用于煤矿、石化等易燃、易爆环境下的开关电源不仅要满足在最危险工况(如输出短路)时释放的能量不能引爆危险环境的气体等介质，同时还要满足电气性能指标如纹波电压的要求。Buck-Boost变换器可以实现宽电压输入或宽电压输出的功能，且其具有体积小、效率高、重量轻等优点，因此在煤矿、石化等易燃、易爆等危险环境中具有广阔的应用前景。

本质安全型开关变换器的研究一直是国内外学者关注的热点，输出本安Buck-Boost变换器的最危险输出短路放电工况研究对Buck-Boost变换器的最危险工况进行了研究；输出本质安全型Buck-Boost DC-DC变换器的分析与设计对Buck-Boost变换器的输出短路释放能量进行了分析，并通过连续导电模式(CCM)的纹波电压表达式，设计了满足输出纹波电压要求的最小电容。由以上文献可知，本质安全Buck-Boost变换器的电容大小不仅要考虑输出发生短时时释放的能量，同时要满足纹波电压要求，因此，本质安全开关变换器的电容设计尤为关键。

现有的文献对Buck-Boost变换器的纹波电压分析基于理想电容，未考虑寄生参数对纹波电压的影响，为了为了满足纹波电压要求，一般选取2～4倍裕量的滤波电容，这样不仅会增大了变换器的体积和成本，同时增加了变换器发生短路故障时释放的能量。

大量实验研究发现，滤波电解电容等效串联电阻(Equivalent SeriesResistance，ESR)对纹波电压的影响非常大，即基于理想电容的纹波电压理论与实验存在较大的误差。具体表现为：ESR会影响变换器输出电压增益、临界电感等参数；ESR也会导致纹波电压波形发生畸变；当外界或开关电源本身工作温度发生变化时，其电解电容的ESR随之变化，相应的纹波电压的形状及大小也会出现较显著的变化。如果ESR较大的话，即使电容选择2～4倍的裕量也无法满足纹波电压指标要求。

申请人于2019.8.1提交了专利号为201910706895.3，名称为一种Boost变换器输出纹波电压建模方法，考虑滤波电容ESR对Boost变换器输出纹波电压的影响，并且对应用于危险环境的本质安全型Boost变换器的进一步优化设计提供了指导。

发明内容