采用LC濾波的大功率本安Buck開關(guān)變換器

摘要：隨著礦井智能化的不斷推進(jìn)及安全級別的不斷提高，本質(zhì)安全型電氣電子設(shè)備正被廣泛推廣使用，而其中的核心控制芯片所需的電壓越來越低，所以對低壓大功率本安電源的需求也就越來越大。為了提高本安Buck變換器的輸出功率，采用了一種在基本本安Buck變換器的輸出端附加LC濾波電路的方法，分析了采用LC濾波的大功率本安Buck變換器(LC-Buck變換器)的組成及工作原理，通過實驗對比得出了本安LC-Buck變換器在同等紊件下可以有效提高輸出功率的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：礦井智能化；本安電源；LC濾波器；Buck開關(guān)變換器

0 引言
    隨著對大功率低電壓本安電源的需求增大，基本本安Buck變換器就需要進(jìn)一步提高輸出功率。但是要想提高輸出功率，增大輸出電流，可以使變換器輸出端電感電容的容量增加，但是這樣很容易引燃爆炸性氣體，降低本質(zhì)安全性能；再者可以通過提高開關(guān)頻率來實現(xiàn)，一方面能夠減小為滿足輸出紋波電壓要求所需的電感和電容取值，因此也有利于本質(zhì)安全，但另一方面提高開關(guān)頻率卻降低了變換器的效率，導(dǎo)致最大電感電流增大而不利于本質(zhì)安全。此外提高開關(guān)頻率還可能導(dǎo)致電容器的實際有效容量顯著下降而影響濾波效果，并且過高的開關(guān)頻率不僅不易實現(xiàn)，而且電路穩(wěn)定性也會受影響。為此，本文提出在基本本安Buck變換器輸出端采用LC濾波電路的思想，使得本安Buck變換器在小電感、小電容的情況下，就能既滿足電氣性能指標(biāo)，又能滿足本質(zhì)安全性能指標(biāo)，且能有效提高輸出功率。

1 基本Buck變換器的組成及工作原理
    基本Buck變換器的電路原理圖如圖1所示。它主要由開關(guān)管S，續(xù)流二極管D，儲能電感L以及濾波電容C組成。

    當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時，續(xù)流二極管D因承受反向電壓而截止，流過電感L上的電流iL線性增加，在負(fù)載電阻RL，上流過電流為Io，RL兩端的輸出電壓為Vo，極性上正下負(fù)，如圖1所示。在iL>Io時，電容C處于充電狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S斷開時，續(xù)流二極管D因承受正向電壓而導(dǎo)通，iL線性減小，在iL<Io時，電容C處于放電狀態(tài)，以維持輸出電流Io和輸出電壓Vo不變。

2 大功率本安LC-Buck變換器
2．1 大功率本安LC-Buck變換器的組成
    由前述內(nèi)容可知，同時影響電氣指標(biāo)和本質(zhì)安全性能指標(biāo)的主要因素是電感和電容取值以及開關(guān)頻率的選擇。因此，本質(zhì)安全開關(guān)變換器的設(shè)計實際上就是要在確保電路參數(shù)滿足電氣指標(biāo)要求的前提下，選擇合適的開關(guān)頻率、電感和輸出濾波電容，使其因故障而發(fā)生分?jǐn)嗪投搪窌r，產(chǎn)生的放電能量足夠小，不至于引燃爆炸性氣體。
    由于以上矛盾的存在，本文在基本的Buck變換器輸出端附加LC濾波電路，使得Buck變換器在電感、電容值不大的情況下，就能同時滿足電氣性能指標(biāo)和本質(zhì)安全性能指標(biāo)要求，且能提高輸出功率。

    本安LC-Buck變換器的組成原理框圖如圖2所示。
2．2 本安LC-Buck變換器的基本工作原理
    本安LC-Buck變換器是由一個基本Buck變換器和一個二階L，C低通濾波器所組成，其主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    由圖3可以看出，LC-Buck變換器是由基本Buck變換器的輸出端多加一級L，C濾波電路所組成，主要由以下幾部分構(gòu)成：由PWM控制的開關(guān)管S；續(xù)流二極管D；儲能電感L1；輸出濾波電感L2；輸出濾波電容C1，C2以及負(fù)載電阻RL。其中Vi為輸入直流電壓；Vo1為第一級輸出電壓，Vo為第二級輸出電壓。
    下面在一個開關(guān)周期內(nèi)分析LC-Buck變換器的工作原理。當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時，續(xù)流二極管D因承受反向電壓而截止，流過電感L1的電流iL1線性增加，儲能電感L1將電能轉(zhuǎn)換成磁能儲存在電感L1中，當(dāng)iL1>Io時，電容C1進(jìn)入充電狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S斷開時，由于流過儲能電感L1的電流不能突變，所以在L1兩端便感應(yīng)出一個左負(fù)右正的自感電勢，使續(xù)流二極管D導(dǎo)通，L1便把原先儲存起來的磁能轉(zhuǎn)換成電能供給負(fù)載。此時，電感電流iL1線性減小，當(dāng)iL1<Io時，電容C1進(jìn)入放電狀態(tài)。LC-Buck變換器在整個動態(tài)工作范圍內(nèi)，由電感L2和電容C2組成二階低通濾波器，對第一級輸出電壓Vo1上的紋波電壓Vpp1進(jìn)行有效衰減，使得第二級輸出電壓Vo上的紋波電壓Vpp在小電感、小電容的情況下就能達(dá)到規(guī)定的電氣性能指標(biāo)要求。

3 實驗驗證
    在輸入電壓、開關(guān)頻率、等效電容和等效電感都相同的情況下，求兩種變換器的最大輸出功率。具體指標(biāo)如下所述：
    輸入電壓為yi=21～27 V，工作頻率為f=300 kHz，負(fù)載電阻RL范圍為10～100 Ω。最大等效電容為Ce,max=5μF，最大等效電感為Le,max= 20μF，最大紋波電壓為Vpp,max=1％Vo。L1=18 μH，C1=1 μF，L2=15μH，C2=0．6μF。
    在一定的負(fù)載變化范圍內(nèi)可得基本本安Buck變換器與本安LC-Buck變換器輸出功率與負(fù)載電阻之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

    由圖4可以看出，在同樣的輸入條件以及同樣的等效電感及等效電容條件下，本安LC-Buck變換器的最大輸出功率要比基本本安Buck變換器的最大輸出功率大得多。說明在基本本安Buck變換器的輸出端采用LC濾波，能大大提高本安Buck變換器的輸出功率，且能有效降低儲能元件電感、電容的容量。體現(xiàn)出了LC-Buck變換器的優(yōu)越性。

4 結(jié)語
    本文首先分析了基本Buck變換器的組成及工作原理；其次提出了采用LC濾波的本安Buck變換器來提高變換器輸出功率的方案，并且分析了LC-Buck變換器的組成及原理。最后通過實驗驗證了LC-Buck變換器可大大提高本安電路輸出功率的結(jié)論。