本安防爆开关DC-DC变换器的非爆炸本质安全判据及优化设计理论

现有非爆炸性本质安全判据不适用于非线性的开关DC-DC变换器，也不能指导本质安全DC-DC变换器的设计和制造，从而制约了本质安全开关电源在危险性环境的应用。为此，本课题通过对开关DC-DC变换器进行爆炸性试验，研究其电感分断及输出短路放电的电流-电压特性；建立其电感分断及输出短路放电特性的数学模型，推导出最大电感分断及输出短路放电能量；探索将其电感分断和输出短路放电特性等效为简单线性电路的方法；得出DC-DC变换器的非爆炸性本质安全判据；研究满足本质安全和电气性能指标要求的本质安全DC-DC变换器的元器件参数设计区域；得出本质安全DC-DC变换器的最低工作频率及使其本安输出功率最大的优化设计理论。研制本质安全DC-DC变换器样机，应用安全火花试验装置对其进行爆炸性试验，验证所提出的非爆炸性本质安全判据和设计理论，为在爆炸性环境下推广应用效率高、体积小、重量轻的本质安全开关电源奠定理论基础。

应用于爆炸性环境的直流电源必须满足防爆的要求，本质安全是最佳的防爆形式，本安防爆开关电源必将获得广泛应用。DC-DC变换器是组成开关电源的核心基础，因此，对本安防爆DC-DC变换器的非爆炸性本质安全判据及其优化设计方法进行研究具有重要理论研究意义和工程应用价值。.现有非爆炸本安性能评价方法仅适用于简单电感和电容电路；应用基于安全火花试验装置的开闭爆炸性试验，任然是判断开关电源能否满足本安要求唯一方法；既满足电气性能指标要求，又满足本质安全要求的本安防爆开关DC-DC变换器的设计方法鲜有报道。.为得出本安防爆开关DC-DC变换器的非爆炸性本质安全判据及其优化设计方法，本课题通过对开关DC-DC变换器进行爆炸性试验，研究其电感分断及输出短路放电的电流-电压特性；建立其电感分断及输出短路放电特性的数学模型，推导出最大电感分断及输出短路火花放电能量；根据能量等效原理，将基于安全火花实验装置的电感分断和输出短路火花放电特性等效为简单电感电路及电容电路；依据电感及电容电路的临界点燃曲线，得出了DC-DC变换器的非爆炸本质安全判据；依据得出的本质安全判据及对变换器电气性能指标与元器件参数之间关系的分析，得出了同时满足本质安全和电气性能指标要求的本安防爆DC-DC变换器的电感、电容参数设计区域；通过调节变换器工作频率，改变电感、电容参数设计区域范围，从而得出本质安全DC-DC变换器的最低工作频率；通过采用较高的工作频率，扩展电感、电容参数的选择范围，从而尽可能提高DC-DC变换器的本安输出功率。研制本质安全DC-DC变换器样机，应用安全火花试验装置对其进行爆炸性试验，验证所提出的非爆炸性本质安全判据和设计理论的正确性与可行性。.所提出的非爆炸性本质安全判据，可指导本安防爆DC-DC变换器及开关电源设计、制造和生产，缩短开发周期，减少开发成本；所提出的设计方法，可简化设计流程，在给定的频率下，选用最大的电感及电容，从而可得到尽可能大的本安输出功率。本课题研究所取得的成果，可促进本质安全开关电源及本安型电气电子设备在爆炸性危险环境中的推广应用。