恒流型本安開(kāi)關(guān)電源的研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TM933文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A摘要：首先，分析單端反激變換器的工作原理與工作模式，推導(dǎo)出其在恒流輸出狀態(tài)下的臨界電感值。 論文通過(guò)一個(gè)精密小電阻對(duì)輸出電流監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)恒流；輸出濾波電容是在滿足電氣性能指標(biāo)與本安性能指標(biāo)基礎(chǔ)之上進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)；保護(hù)電路采用電流變化率檢測(cè)和圖騰柱驅(qū)動(dòng)以加快保護(hù)速度。最后，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求設(shè)計(jì)樣機(jī)并搭建系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性及有效性。

關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全；單端反激變換器引言

隨著煤礦、石化等危險(xiǎn)場(chǎng)所機(jī)械化、自動(dòng)化和信息化程度的提高，電氣電子設(shè)備的應(yīng)用得到普及，電源作為電氣設(shè)備的核心，其安全性能至關(guān)重要。電源在這些場(chǎng)所中占居很重要的地位，據(jù)統(tǒng)計(jì)電氣電子設(shè)備發(fā)生的故障70%來(lái)自電源，因此電源必須滿足防爆的要求。開(kāi)關(guān)電源每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)兩種輸出模式：恒壓輸出模式與恒流輸出模式。目前國(guó)內(nèi)外研究人員多是對(duì)恒壓輸出模式的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行本安特性研究，而對(duì)恒流輸出模式開(kāi)關(guān)電源的本安特性研究較少。由于煤礦、石化等危險(xiǎn)場(chǎng)所大力推廣LED燈的應(yīng)用，而LED燈需要恒流驅(qū)動(dòng)，通過(guò)研究恒流輸出模式下開(kāi)關(guān)電源的本安特性能夠推動(dòng)LED燈在煤礦等危險(xiǎn)場(chǎng)所的普及，因此對(duì)恒流型本安開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

一、單端反激變換器工作原理

單端反激變換器的工作原理圖如圖1-1所示。功率開(kāi)關(guān)管K導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)電感電流i1線性增加，續(xù)流二極管D因承受反偏電壓而截止，次級(jí)電感L2所在回路不導(dǎo)通，電能轉(zhuǎn)化成在初級(jí)電感L1中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量，負(fù)載由濾波電容C供能。功率開(kāi)關(guān)管K斷開(kāi)時(shí)，變壓器副邊承受正向偏壓，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，初級(jí)電感L1將其儲(chǔ)存的能量通過(guò)互感傳遞給次級(jí)電感L2，其電感電流線性減小。此時(shí)能量傳輸分兩種情況：電感電流大于Io時(shí)，電感L2向負(fù)載供能的同時(shí)給電容充電；電感電流小于Io時(shí)，由電感L2和電容C一起向負(fù)載供能。

圖1-1單端反激變換器原理圖

r

圖中參數(shù)分別定義為

Vi：輸入電壓；i1：流過(guò)電感L1的輸入電流； T：變壓器；L1：變壓器的初級(jí)電感；N1：初級(jí)匝數(shù)；K：功率開(kāi)關(guān)管；i2：流過(guò)電感L2的電流；L2：變壓器的次級(jí)電感； N2：次級(jí)匝數(shù)； D：續(xù)流二極管；C：輸出濾波電容； ic：流過(guò)電容C的電流；uc：電容兩端的電壓；Vo：輸出電壓；Io：輸出電流； RL：負(fù)載。

在功率開(kāi)關(guān)管K斷開(kāi)期間，若流過(guò)次級(jí)電感L2的電流i2在下個(gè)開(kāi)通時(shí)期還沒(méi)有到來(lái)之前就已經(jīng)降為零，出現(xiàn)斷續(xù)狀態(tài)，稱為斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）。反之，若次級(jí)電感L2的電流i2在本周期結(jié)束時(shí)沒(méi)有降為零，稱為連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）。在連續(xù)導(dǎo)電模式中，如果電容向負(fù)載供電，則稱為不完全電感供電模式（IISM）；如果電容不向負(fù)載供電，則稱為完全電感供電模式（CISM）。

當(dāng)變換器工作在CCM模式時(shí)，變換器輸出電流，輸入電壓增益為

(1.1)

當(dāng)變換器工作在DCM模式時(shí)，變換器的輸出電流，輸入電壓增益為

(1.2)

式中，n=N1/N2，為變壓器的匝比；f為開(kāi)關(guān)頻率；d為占空比。

二、單端反激變換器的臨界電感

（一） CCM與DCM的臨界電感

單端反激變換器CCM模式和DCM模式劃分的原則是判斷流過(guò)變壓器副邊的電感電流最小值IL2V是否等于零，假設(shè)所有器件都是理想器件，電感儲(chǔ)能完全供給負(fù)載，據(jù)此可以得到CCM模式和DCM模式的臨界變壓器副邊電感值LC為

(2.1)

當(dāng)副邊電感值L2>LC時(shí)，變換器工作在CCM模式，反之，變換器工作在DCM模式。

（二） CISM與IISM的臨界電感

CISM模式與IISM模式劃分的原則是判斷通過(guò)變壓器副邊電感電流的最小值IL2V與輸出電流Io是否相等。

在CCM模式下，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管K導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電感電流i1由初始電流值線性增加到峰值，設(shè)原邊初始電流值為IL1V，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電流達(dá)到峰值為IL1V+(Vi/L1)Ton，變換器的輸入功率為

(2.2)

輸出功率為

(2.3)

設(shè)所有器件為理想器件，不產(chǎn)生損耗，則Pi=Po，即

(2.4)

所以

(2.5)

當(dāng)變換器的開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)后，原邊電感電流降為零，原邊儲(chǔ)存的能量通過(guò)互感傳遞給副邊，此時(shí)副邊電感電流最大，之后隨著時(shí)間近似線性遞減。

變壓器原副邊參數(shù)滿足如下所示的關(guān)系

(2.6)

因此可以得到副邊電感電流最小值

(2.7)

CISM與IISM的臨界狀態(tài)為IL2V=Io，即

(2.8)

結(jié)合式(3.1)得

(2.9)

即臨界電感值為

(2.10)

根據(jù)副邊電感L2與LK的大小關(guān)系，即可判斷變換器的工作模式。

比較式(2.1與式(2.10)可以得出二者的關(guān)系為

(2.11)

由于占空比d<1，所以LK>LC。

由此可知，單端反激變換器在CCM模式下存在兩種工作情況：工作于CISM模式或IISM模式，而在DCM模式下只能工作在IISM模式。

三、恒流型本安開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖3-1所示。包括輸入整流濾波、高頻變壓器、整流電路、輸出濾波電路、電流采樣電路、反饋電路、PWM控制器、雙重保護(hù)電路。

圖3-1總體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖

（二）設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

交流輸入電壓Viac：

額定輸出電壓V0：14V

額定輸出電流I0：1.4A

開(kāi)關(guān)頻率地f:

最大占空比Dmax:0.45

效率：η>80%

工作方式：連續(xù)模式

四、仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（一）系統(tǒng)Saber仿真原理圖

在Saber中建立仿真原理圖，如圖4-1所示。

圖4-1系統(tǒng)仿真原理圖

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.變換器樣機(jī)啟動(dòng)波形

如圖4-2可知，反激變換器輸出為1.42A，基本上無(wú)超調(diào)，啟動(dòng)調(diào)整時(shí)間為5.6ms，速度較快，與仿真波形基本一致，因?yàn)閷?shí)際制作參數(shù)的差異，實(shí)際系統(tǒng)中變換器啟動(dòng)速度比仿真較慢，但對(duì)反激變換器性能沒(méi)有影響。

圖4-2 變換器啟動(dòng)波形圖

2.輸出紋波電流

由前面分析知輸入電壓最小，負(fù)載電阻最小時(shí)輸出紋波電流最大，此時(shí)輸出紋波電流實(shí)驗(yàn)波形如圖4-3所示。

圖4-3輸出電流紋波波形（橫縱坐標(biāo)，標(biāo)出！）

由圖4-3可知，輸出紋波電流最大值小于20mA，完能達(dá)到2%的指標(biāo)。表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)良好。輸出紋波電流實(shí)驗(yàn)波形并非像仿真波形那樣光滑，而是存在毛刺，這是因?yàn)榉抡娌ㄐ螢槔硐肭闆r，而實(shí)際上開(kāi)關(guān)變換器中存在大量的開(kāi)關(guān)噪聲及受電路板電磁干擾的影響。

（三）總結(jié)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的恒流型本安開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)研究，包括啟動(dòng)情況、輸出紋波電流、負(fù)載突變及輸出短路火花放電情況，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明理論的正確性與可行性。

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