矿用隔爆兼本安型直流电源的制作方法

1.本发明涉及一种矿用隔爆兼本安型直流电源。


背景技术：

2.目前，矿用直流电源变换器，广泛使用在矿用电机车上，装有电器元件的机芯直接固定在机壳上，由于电机车在运行中产生的撞击和震动，造成机芯上的电器元件极容易损坏，影响生产。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用qr功率变换模块进行电压转换、mos晶体管作为开关，能够降低电路损耗，提高了直流电源的传输效率，延长了整个直流电源的使用寿命的矿用隔爆兼本安型直流电源。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：矿用隔爆兼本安型直流电源，包括防护和emc模块、qr功率变换模块、控制和驱动模块、光耦隔离模块、输出采样模块、lc输出滤波模块和电流限制模块；防护和emc模块分别与交流输入电源和qr功率变换模块相连，qr功率变换模块的输出与lc滤波输出模块连接，lc滤波模块的输出分别连接输出采样模块和电流限制模块，输出采样模块的输出依次连接光耦隔离模块、控制和驱动模块后输入qr功率变换模块；电流限制模块输出12v直流电。
5.进一步地，所述防护和emc模块通过整流桥实现；qr功率变换模块采用隔离变压器；lc输出滤波模块包括二极管d1和电容，二极管d1的正极与隔离变压器的输出相连，二极管d1的负极分别与电流限制模块、输出采样模块和电容连接，电容的另一端接地；输出采样模块采用tl431，tl431的输出连接光耦隔离模块；驱动和控制模块包括控制器和mos管q1，控制器的输入端连接光耦隔离模块的输出，控制器的输出分别连接隔离变压器和mos管的栅极，mos管的源极与隔离变压器相连，漏极通过电阻接地。
6.发明的有益效果是：本发明采用qr功率变换模块进行电压转换、mos晶体管作为开关，能够降低电路损耗，提高了直流电源的传输效率，延长了整个直流电源的使用寿命。
附图说明
7.图1为本发明的矿用隔爆兼本安型直流电源的结构示意图一；
8.图2为本发明的矿用隔爆兼本安型直流电源的结构示意图二；
9.图3为本发明计算vclamp/vreflect的比值kc的示意图。
具体实施方式
10.下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
11.如图1所示，本发明的一种矿用隔爆兼本安型直流电源，包括防护和emc模块、qr功率变换模块、控制和驱动模块、光耦隔离模块、输出采样模块、lc输出滤波模块和电流限制
模块；防护和emc模块分别与交流输入电源和qr功率变换模块相连，qr功率变换模块的输出与lc滤波输出模块连接，lc滤波模块的输出分别连接输出采样模块和电流限制模块，输出采样模块的输出依次连接光耦隔离模块、控制和驱动模块后输入qr功率变换模块；电流限制模块输出12v直流电。
12.防护和emc模块是为了进行电磁干扰设计的，防止交流点输入的干扰和瞬时大电流对后级电流的影响，本发明中通过整流桥实现，如图2所示；qr功率变换模块采用隔离变压器；lc输出滤波模块包括二极管d1和电容，二极管d1的正极与隔离变压器的输出相连，二极管d1的负极分别与电流限制模块、输出采样模块和电容连接，电容的另一端接地；输出采样模块采用tl431，tl431的输出连接光耦隔离模块；驱动和控制模块包括控制器和mos管q1，控制器的输入端连接光耦隔离模块的输出，控制器的输出分别连接隔离变压器和mos管的栅极，mos管的源极与隔离变压器相连，漏极通过电阻接地(图中省略了电阻)。
13.本发明的矿用隔爆兼本安型直流电源工作的时候，采用mos管q1打开和关断进行控制，mos管q在打开和关断的时候所产生的一个频率叫开关频率(可以理解为mosfet的开关切换的频率，开关频率也就是说变频器输出的电压其实是一系列的脉冲，脉冲的宽度和间隔均不相等)。
14.本发明的矿用隔爆兼本安型直流电源的参数分别为：
15.1、输入电压、输出功率、开关电源效率、开关电源工作时开关芯片工作的打开和关闭的频率、输出电流；
16.最小交流输入电压vin
min
＝85v，最大交流输入电压vin
max
＝265v，u
ov
大输出功率p
out
＝36w，输出直流电压v
out
＝12v，估计效率η＝0.83，二极管正向压降vf＝0.8v，最大输出功率时开关频率f
sw
＝52khz，mosfet的输出电容c
oss
＝100pf，mos管功率的节温tj＝110℃，在tj＝110℃这个情况下mos管的电阻r
dson110
＝0.5ω，输入的电源电压的纹波(就是电源的扰动)v
bulkripple
＝20v。
17.输入最小直流电压控制ic内部电流检测门限值输入最大直流电压输入最大直流电压输出最大直流电流
[0018]vmin
＝vin
mindc-v
bulkripple
＝120.208-20＝100v
[0019]
总体时延t
prop
＝150ns。
[0020]
2、变压器的参数；
[0021]
雪崩电压bvdss＝600v，mos管雪崩电压降额系数α＝0.85；
[0022]
变压器漏感比k＝l
leak
/l
p
，l
leak
指变压器的漏感，l
p
指变压器的励磁电感，k
leak1
＝0.004，k
leak2
＝0.008，k
leak3
＝0.01；
[0023]
钳位二极管恢复时间过冲v
os
＝20v
[0024]vdsmax
＝bvdss
·
α＝510v
[0025]
kc定义为vclamp/vreflect的比值，vclamp指原边变压器的钳位电压，vreflect指副边反射到原边变压器的电压。kc的取值是一个折衷值，有经验给定假设给定，kc＝1.2,
1.25.....6。
[0026]
mos管的导通功率损耗
[0027]
变压器磁恢复损耗分别为：变压器磁恢复损耗分别为：
[0028]
通过取不同的kc计算上述参数，并绘制成以kc为横轴，p
cond
(kc)、p
rclp1
(kc)、p
rclp2
(kc)、p
rclp3
(kc)为纵轴的四条曲线，如图3所示。取曲线交点的最小值最为最终确定的kc值，得到kc＝2。
[0029]
反激变压器原副边绕组变比
[0030]
反激变压器峰值电流
[0031][0032]
反激变压器电感量
[0033]
限流采样电阻值
[0034]
一次和二次均方根电流计算：
[0035]
反激变压器原边绕组电流有效值d
max
表示开关频率得到的最大占空比。
[0036]
反激变压器原边绕组电流平均值
[0037]
反激变压器副边绕组峰值电流
[0038]
反激变压器副边绕组电流有效值
[0039][0040]
rcd(电阻resistance、电容capacitance、二极管diode)钳位计算：
[0041]
钳位电压v
clamp
＝(bvdss*α-v
os-vin
maxdc
)＝115.233v
[0042]
漏感等于初级电感的1％：l
leak
＝0.01l
p
[0043]
钳位电阻
[0044]
考虑v
clamp
在钳位电容c
clp
上20％的波动来计算：
[0045]
变压器原边的过冲电压
[0046]
启动电阻计算，根据控制ic器件手册提供的公式计算芯片的启机电容c
vcc1
：
[0047]icc1
＝20ua，i
cc2
＝2ma，v
ccon
＝17v，v
ccoff
＝9v，qg＝17nc，t
reg
＝10ms，t
startup
＝3s
[0048][0049]
输入过欠压计算控制器芯片的相关计算：控制器应开始切换的直流电压v
bulkon
＝110，控制器应停止切换的直流电压v
bulkoff
＝70。
[0050]
回滞电流源ibo＝10ua，交流输入欠压vbo＝0.8v
[0051]
bo桥下拉电阻计算：bo桥下拉电阻计算：
[0052]
3、反馈环路，包括增益传输函数、闭环传输函数；
[0053]
光耦输出电容c
opto
＝2.5nf，环路穿越频率fc＝1khz，环路相位裕度pm＝60；输出下拉设定电阻输出上拉设定电阻负载电阻
[0054]
主功率的增益传输函数计算方法为：
[0055]
相位需要提升的相位boost＝pm-ps-90＝70.172，pm指相位裕量，需要提升的增益补偿极点位置f
pc
＝k*fc＝5.721khz，补偿零点位置零点电容值极点电容值补偿增益gs＝20log(|g
x
(fc)|)＝-19.107，光耦上拉电阻值r
pullup
指
光耦的上拉电阻，ctr指光耦的传输比率，光耦级的增益扫频的频率范围f＝1,4，....，100000；
[0056]
主功率的增益传输函数g1(f)为：
[0057][0058]
其中，go为直流增益，r
esr
为输出电容的串联等效电阻，c
out
为输出电容，i为虚数符号，vc为控制电压信号，r
eq
指等效负载电阻。
[0059]
闭环传输函数表达式为：
[0060][0061]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。