改進型本安Buck變換器的分析與設(shè)計

李艷 劉樹林

摘要：提出了一種輸出具有LC濾波電路的本安Buck變換器，使得在特定的電氣性能指標(biāo)要求下，可不提高變換器工作頻率，但能減小變換器內(nèi)部的電感量及電容量，達(dá)到提升該變換器本質(zhì)安全性能的目的。深入分析了該拓?fù)潆娐吩陔姼须娏鬟B續(xù)模式（CCM）時的輸出紋波電壓，指出輸出紋波電壓最大值是在輸入電壓最大，負(fù)載電阻為CCM與DCM的臨界電阻時取得。根據(jù)最大輸出紋波電壓指標(biāo)要求，在給定的動態(tài)范圍內(nèi)，得出了本安Buck變換器電感、電容參數(shù)的設(shè)計方法。為了說明改進型Buck變換器相比于傳統(tǒng)型Buck變換器的優(yōu)勢，在相同的輸出紋波電壓指標(biāo)要求下，對傳統(tǒng)型及改進型Buck變換器的電感、電容取值進行了比較分析，得出所提出的改進型Buck變換器采用較小的電感、電容即可滿足電氣性能指標(biāo)要求，因而可提高其本安性能。因此，通過在Buck變換器的輸出附加LC濾波電路，不僅能有效提高本安Buck變換器的輸出功率，還能減小其體積。給出了設(shè)計實例，仿真與實驗結(jié)果驗證了改進電路拓?fù)淅碚摲治龅恼_性及減小目標(biāo)電感、電容量的可行性。

關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全;改進型Buck變換器;低通濾波器;紋波電壓;輸出功率

中圖分類號：TN 624文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0225文章編號：1672-9315（2019）02-0360-06

0引言

本質(zhì)安全是應(yīng)用在井下、化工廠等易燃、易爆危險性環(huán)境中電氣電子設(shè)備的最佳防爆型式[1-3]。由于其高轉(zhuǎn)換效率、寬輸入動態(tài)范圍、體積小、重量輕等優(yōu)點，開關(guān)電源成為本安防爆電源的最佳形式，并引起越來越多研究者的關(guān)注。隨著工礦企業(yè)智能化的不斷推進，安全等級的不斷提高，本安型設(shè)備正被廣泛推廣使用，而用電裝置的核心控制芯片所需的電壓逐漸降低，對低壓大功率本安變換器的需求也逐漸增大[4-9]。

根據(jù)IEC定義，本質(zhì)安全電路是指“在規(guī)定的實驗條件下，正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體混合物的電路”[4]。然而，電感和電容是開關(guān)變換器中的主要儲能元件，在電感分?jǐn)嗷蛘咻敵龆搪窌r，會產(chǎn)生電火花。本安電路是通過限制電感分?jǐn)喾烹娕c輸出短路等火花放電能量，使易燃易爆氣體不被引爆。因此，設(shè)計本質(zhì)安全開關(guān)變換器的關(guān)鍵是：在滿足電氣性能指標(biāo)的前提下，使變換器中的電感、電容值盡可能的小[10-12]。

為了在較低開關(guān)頻率條件下，減小本安Buck變換器中的電感量和電容量，研究者做了大量的研究。對于傳統(tǒng)Buck變換器，文獻[5]對其工作模式以及輸出紋波電壓進行了詳細(xì)的分析，并且給出了電感、電容的設(shè)計方法。但是為了滿足電氣性能指標(biāo)要求，所設(shè)計出的電感、電容值都比較大，致使其本安輸出功率限制在比較小的范圍[13-18]。雖然可以通過增加開關(guān)頻率來減小Buck變換器的電感量與電容量，但是，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗也增大了[19-23]。

文獻[8]應(yīng)用交錯并聯(lián)磁集成技術(shù)，設(shè)計耦合系數(shù)，可以增大等效電氣電感，同時減小等效本質(zhì)安全電感以實現(xiàn)本安。但是該電路并沒有減小相應(yīng)的電容參數(shù)，而且由于電路中有2個開關(guān)管、2個電力二極管及耦合電感等器件，增加了電路的復(fù)雜度[24-25]。

為了解決上述問題，文中提出了一種高階變換電路拓?fù)?。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)Buck變換電路的輸出端級聯(lián)一組LC低通濾波電路。改進型的開關(guān)變換拓?fù)淇梢栽诓惶岣唛_關(guān)頻率的前提下，減小變換電路中的電感量與電容量，且能滿足相應(yīng)的電氣性能指標(biāo)要求。在給定的動態(tài)范圍，對所提出的變換電路的輸出紋波電壓進行了深入分析，得出了CCM的最大輸出紋波電壓。并給出了滿足電氣性能指標(biāo)的電感、電容選擇依據(jù)。給出設(shè)計實例，在相同的電氣性能指標(biāo)要求下，對比分析了傳統(tǒng)Buck變換電路與改進型Buck變換電路電感、電容參數(shù)值的大小，仿真與實驗結(jié)果體現(xiàn)了改進型Buck變換電路的優(yōu)越性。

1改進型Buck變換器的組成

傳統(tǒng)與改進型Buck變換器的原理圖分別如圖1及圖2所示。對比兩電圖發(fā)現(xiàn)，改進型變換拓?fù)涫窃趥鹘y(tǒng)Buck變換電路的輸出級聯(lián)一個二階LC LPF而組成。圖中Vi為輸入直流電壓;vC，vC1，vC2分別為電容C，C1，C2兩端的電壓;Vo為變換電路的輸出電壓;Io為輸出電流。

5結(jié)論

1）提出了一種改進型本安Buck開關(guān)變換電路拓?fù)?

2）得出了在CCM工作模態(tài)下，改進型Buck變換電路的輸出紋波電壓表達(dá)式，指明其分別隨著輸入電壓和負(fù)載電阻的增加而增加，且當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電阻為CCM與DCM臨界電阻時達(dá)到最大值;

3）推導(dǎo)得出了滿足電氣性能指標(biāo)要求的改進型Buck變換電路拓?fù)渲须姼小㈦娙輩?shù)的設(shè)計依據(jù);

4）對比分析了傳統(tǒng)型與改進型Buck電路電感量與電容量的大小，得出：在相同的電氣性能指標(biāo)要求下，傳統(tǒng)Buck電路的電感量及電容量比改進型Buck變換電路總電感量與總電容量大很多;

5）說明了改進型Buck電路可在電感、電容量較小的前提下，同時滿足電氣性能及本安要求。

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