一种考虑滤波电容ESR的本质安全型Buck-Boost变换器设计方法与流程

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-boostdc-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(equivalentseriesresistance，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。

技术实现要素：

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，分析并总结了变换器考虑滤波电容esr的纹波电压数学模型，变换器最危险工况即短路时释放能量表达式，提出了在输入电压、负载电阻和esr的动态变化范围内本质安全型buck-boost变换器的参数优化设计方法。

本发明的技术方案是：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vi范围[vi,min，vi,max]，负载r范围[rmin，rmax]，输出电压vo，工作频率f，确定滤波电容的等效串联电阻rc的最大值即rc,max；

s2：规定纹波电压指标vpp,max，并计算出变换器所要求的最小放电能量wb；

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lmin，最小电感lmin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ia时工作在ccm，即要求最小临界电阻rcm>ra即可，lmin计算公式是：

其中，ra表示变换器的工作模式临界电阻；

s4：将lmin代入计算公式(2)计算δv1,max：

式中，α＝rminvi,min-rc,maxvo；

s5：将δv1,max与所规定的最大纹波电压指标vpp,max进行比较，若δv1,max≥vpp,max，计算lmin1，求得cism3模式下所需要的最小电容cmin1；若δv1,max<vpp,max，求得最小电容cmin2；

s6：求得最大输出短路放电能量wmax，将wmax与wb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rc,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。

方案进一步地，所述s2中，所述最小放电能量wb计算过程是：

其中，cb为最小点燃电压v对应的电容，为了确保变换器输出满足本质安全要求，必须有v＝kvo，k为安全系数。

方案进一步地，所述安全系数k为1.5。

方案进一步地，所述s5中，所述最大输出短路放电能量wmax的计算过程是：

式中，wc为变换器短路时刻电容释放的能量，wl短路时刻电感释放的能量，c为电容值，ilp,max为电感电流的最大值，

式中，α＝rminvi,min-rc,maxvo。

方案进一步地，所述s5中，所述δv1,max与所规定的最大纹波电压指标vpp,max进行比较的过程是：

a.若δv1,max≥vpp,max，此时令δv1,max＝vpp,max，求得满足纹波要求的电感lmin1：

式中，α＝rminvi,min-rc,maxvo，

γ＝rminrc,max(vi,minvo-vi,minvpp,max+vo²+vovpp,max)；

根据(7)式求得cism3模式下所需要的最小电容cmin1，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wmax，将其与s2中计算的wb比较，若wmax<wb，则输出电路本质安全，若wmax>wb，则不符合本质安全要求，此时需要减小rc,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＝rminvi,min-rc,minvo，β＝rminvo[2flmin1(vi,min+vo)-rc,minvi,min]；

b.若δv1,max<vpp,max，纹波电压随着电容c的增大而减小，r＝rmin，vi＝vi,min，rc＝rc,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cmin2＝max{ccism1，ccism2}，实际中需选取一定裕量的电容，即c＝λcmin2，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wmax，若wmax<wb，则输出电路本质安全，若wmax>wb，则不符合本质安全要求，此时同样需要减小rc,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，tm＝-b/2a，

，

本发明的优点是：

1.本发明结合动态范围下变换器的最大输出纹波电压、最大短路放电能量，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，有很好的动态特性；

2.本发明提出的考虑滤波电容esr的本质安全型buck-boost变换器的参数设计方法可应用于其它本质安全型dc-dc变换器，可为其它变换器减小体积、及降低直流电源发生短路故障时引起的爆炸风险提供理论依据。

附图说明

图1是本发明buck-boost变换器拓扑图；

图2是本发明buck-boost变换器设计流程图；

图3是本发明不同参数电解电容时电感电流及输出纹波电压仿真结果图；

图4是本发明不同参数电解电容时电感电流及输出纹波电压的实验结果；

图5是输出纹波电压与负载及输入电压的关系图；

图6是输出短路释放能量与负载及输出电压关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做清楚完整的描述，以使本领域的技术人员在不需要作出创造性劳动的条件下，能够充分实施本发明。

本发明的具体实施方式是：如图1-6所示，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：输出滤波电解电容等效为rc和c的串联，等效电路如图1所示，确定变换器的输入电压vi范围[vi,min，vi,max]，负载r范围[rmin，rmax]，输出电压vo，工作频率f，确定滤波电容的等效串联电阻rc的最大值即rc,max；

s2：规定纹波电压指标vpp,max，并计算出变换器所要求的最小放电能量wb；

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lmin，最小电感lmin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ia时工作在ccm，即要求最小临界电阻rcm>ra即可，lmin计算公式是：

其中，ra表示变换器的工作模式临界电阻；

s4：根据最小电感lmin计算δv1,max，代入计算公式(2)：

式中，α＝rminvi,min-rc,maxvo；

s5：将δv1,max与所规定的最大纹波电压指标vpp,max进行比较，若δv1,max≥vpp,max，计算lmin1，求得cism3模式下所需要的最小电容cmin1；若δv1,max<vpp,max，求得最小电容cmin2；

s6：求得最大输出短路放电能量wmax，将wmax与wb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rc,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。

进一步地，所述s2中，所述最小放电能量wb计算过程是：

其中，cb为最小点燃电压v对应的电容，为了确保变换器输出满足本质安全要求，必须有v＝kvo，k为安全系数，所述安全系数k为1.5。

进一步地，所述s5中，所述最大输出短路放电能量wmax的计算过程是：

式中，wc为变换器短路时刻电容释放的能量，wl短路时刻电感释放的能量，c为电容值，ilp,max为电感电流的最大值，

式中，α＝rminvi,min-rc,maxvo。

进一步地，所述s5中，所述δv1,max与所规定的最大纹波电压指标vpp,max进行比较的过程是：

a.若δv1,max≥vpp,max，此时令δv1,max＝vpp,max，求得满足纹波要求的电感lmin1：

式中，α＝rminvi,min-rc,maxvo，

γ＝rminrc,max(vi,minvo-vi,minvpp,max+vo²+vovpp,max)；

根据(7)式求得cism3模式下所需要的最小电容cmin1，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wmax，将其与s2中计算的wb比较，若wmax<wb，则输出电路本质安全，若wmax>wb，则不符合本质安全要求，此时需要减小rc,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＝rminvi,min-rc,minvo，β＝rminvo[2flmin1(vi,min+vo)-rc,minvi,min]；

b.若δv1,max<vpp,max，纹波电压随着电容c的增大而减小，r＝rmin，vi＝vi,min，rc＝rc,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cmin2＝max{ccism1，ccism2}，实际中需选取一定裕量的电容，即c＝λcmin2，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wmax，若wmax<wb，则输出电路本质安全，若wmax>wb，则不符合本质安全要求，此时同样需要减小rc,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，tm＝-b/2a，

为了验证理论分析的正确性，搭建了一台应用于ⅰ类环境的buck-boost变换器，主电路如图1所示。具体参数为：vi＝7～13v，r＝40～70ω，vo＝10v，f＝10khz，vpp,max＝2％vo＝200mv，要求其输出电流大于0.17a时工作在ccm，即ra＝60ω，规定rc,max＝180mω，另取安全系数k＝1.5，因此考察电压v＝10×1.5＝15v，cb＝190.0μf(根据容性电路的最小点燃电压曲线)，代入公式(3)可得变换器所要求的最小点燃放电能量wb＝9.5mj，最小电感lmin＝958.7μh，将lmin代入式(2)求得δv1,max＝147.8mv<vpp,max，由式(8)求得此模式下所需要的最小电容cmin2＝116.5μf，取裕量后c＝λcmin2＝128.2μf，此时输出短路释放的最大能量wmax＝6.8mj<wb，因此输出电路满足本质安全要求。下面分别通过仿真和实验进行验证：仿真选取的电感l＝958.7μh，电解电容参数分别如表1所示，电感电流及输出纹波电压仿真结果如图3所示，仿真与理论分析的对比结果如表1所示，由表1可知，仿真结果与理论分析得到的变换器短路放电能量及输出纹波电压结果一致。当减小rc时，可以有效的减小滤波电容，但当rc超标时，纵使增大一定量的滤波电容，输出纹波电压仍然可能不达标。

表1

实验选取电感l＝959μh，电容参数的标称值分别为：150μf/35v、100μf/50v、220μf/250v，图4为不同参数电解电容时电感电流及输出纹波电压的实验结果，左侧分别为vt的驱动信号vgs波形、电感电流il以及输出电压vo波形；右侧为il和vo的放大图，实验与理论分析的对比结果如表2所示。

由表2可知，实验结果与理论分析得到的变换器短路放电能量结果基本一致。从图4可以清楚的看到滤波电容esr对纹波电压的影响，且纹波电压的实验结果与理论分析的纹波结果误差仅为5％左右。同样由实验结果可知当减小rc时，可以有效的减小滤波电容，但当rc超标时，纵使增大一定量的滤波电容，输出纹波电压仍然可能不达标。

表2

当滤波电容取c＝132.0μf>λcmin2＝128.2μf、rc＝128mω<rc,max＝180mω时，变换器输出纹波电压和输出短路释放能量与负载和输入电压的实验结果分别如图5和图6所示。

由图5可知，变换器的输出纹波电压随着负载阻值的增大而减小，随着输入电压的增大而减小，在r＝40ω、vi＝7v时达到最大值，此时的输出纹波电压为155mv<vpp,max＝200mv，满足纹波指标要求。

由图6可知，变换器短路放电能量随着负载阻值的增大而减小，随着输入电压的增大而减小，在r＝40ω、vi＝7v时达到最大值，此时的短路放电能量为7.0mj<wb＝9.5mj，满足本质安全要求。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述，需要指出的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。