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(shí)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(shí)取得。根據(jù)最大輸出紋波電壓指標(biāo)要求，在給定的動(dòng)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(jì)方法。為了說明改進(jìn)型Buck變換器相比于傳統(tǒng)型Buck變換器的優(yōu)勢(shì)，在相同的輸出紋波電壓指標(biāo)要求下，對(duì)傳統(tǒng)型及改進(jìn)型Buck變換器的電感、電容取值進(jìn)行了比較分析，得出所提出的改進(jìn)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(jì)實(shí)例，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)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(jìn)型Buck變換器;低通濾波器;紋波電壓;輸出功率

中圖分類號(hào)：TN 624文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0225文章編號(hào)：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(xiǎn)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(dòng)態(tài)范圍、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)，安全等級(jí)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(chǔ)能元件，在電感分?jǐn)嗷蛘咻敵龆搪窌r(shí)，會(huì)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(jì)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(duì)于傳統(tǒng)Buck變換器，文獻(xiàn)[5]對(duì)其工作模式以及輸出紋波電壓進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并且給出了電感、電容的設(shè)計(jì)方法。但是為了滿足電氣性能指標(biāo)要求，所設(shè)計(jì)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(xiàn)[8]應(yīng)用交錯(cuò)并聯(lián)磁集成技術(shù)，設(shè)計(jì)耦合系數(shù)，可以增大等效電氣電感，同時(shí)減小等效本質(zhì)安全電感以實(shí)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(gè)開關(guān)管、2個(gè)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(jí)聯(lián)一組LC低通濾波電路。改進(jìn)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(dòng)態(tài)范圍，對(duì)所提出的變換電路的輸出紋波電壓進(jìn)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(jì)實(shí)例，在相同的電氣性能指標(biāo)要求下，對(duì)比分析了傳統(tǒng)Buck變換電路與改進(jìn)型Buck變換電路電感、電容參數(shù)值的大小，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了改進(jìn)型Buck變換電路的優(yōu)越性。

1改進(jìn)型Buck變換器的組成

傳統(tǒng)與改進(jìn)型Buck變換器的原理圖分別如圖1及圖2所示。對(duì)比兩電圖發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)型變換拓?fù)涫窃趥鹘y(tǒng)Buck變換電路的輸出級(jí)聯(lián)一個(gè)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)型Buck變換電路拓?fù)渲须姼?、電容參?shù)的設(shè)計(jì)依據(jù);

4）對(duì)比分析了傳統(tǒng)型與改進(jìn)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(jìn)型Buck變換電路總電感量與總電容量大很多;

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

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]LIU Shulin，LIU Jian，YANG Yinlin，et al.Design of intrinsically safe buck DC/DC converters[C]//Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines & Systems，Nanjing，China，2005：1327-1331.

[2]于月森，何慧君，張望，等.Buck三電平變換器本質(zhì)安全特性的分析[J].煤礦機(jī)械，2013，34（6）：92-94.

YU Yuesen，HE Huijun，ZHANG Wang，et al.Analysis on intrinsically safe properties of buck threelevel converter[J].Coal Mine Machinery，2013，34（6）：92-94.

[3]Arsha B U，Ramesh K P.Higher order sliding mode control based dutyratio controller for the DC/DC buck converter with constant power loads[C]//In Proceedings of the International Conference on Electrical，Electronics，and Optimization Techniques（ICEEOT），Tamil Nadu，India，2016：478-483.

[4]Eckhoff P K.Minimum Ignition Energy（MIE）：a basic ignition sensitivity parameter in design of intrinsically safe electrical apparatus for explosive dust clouds[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2002（15）：305-310.

[5]劉樹林，崔強(qiáng)，李勇.Buck變換器的輸出短路火花放電能量及輸出本質(zhì)安全判據(jù)[J].物理學(xué)報(bào)，2013，62（16）：438-447.

LIU Shulin，CUI Qiang，LI Yong.Output shortcircuit spark discharging energy and output intrinsic safety criterion of Buck converters[J].Acta Physica Sinica，2013，62（16）：438-447.

[6]劉樹林，劉健，寇蕾.Buck變換器的紋波電壓分析及其應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（2）：91-97.

LIU Shulin，LIU Jian，KOU Lei.Analysis of output ripple voltage of Buck DC/DC converter and its application[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2007，22（2）：91-97.

[7]付園園，姚素英，徐江濤，等.Buck DCDC變換器電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].南開大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，45（6）：33-40.

FU Yuanyuan，YAO Suying，XU Jiangtao，et al.Optimization of inductance for Buck DCDC converter[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Nankaiensis，2012，45（6）：33-40.

[8]楊玉崗，祁鱗，李龍華.交錯(cuò)并聯(lián)磁集成Buck變換器本質(zhì)安全性輸出紋波電壓的分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（6）：181-188.

YANG Yugang，QI Lin，LI Longhua.Analysis of output ripple voltage of essential safety for interleaving magnetics buck converter[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（6）：181-188.

[9]陳鳴，李舒然，陳方林.Buck變換器輸入/輸出濾波相關(guān)問題研究[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，55（1）：75-79.

CHEN Ming，LI Shuran，CHEN Fanglin.The input and output filtering of Buck converter[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2016，55（1）：75-79.

[10]劉健，劉樹林，楊銀玲，等.Buck變換器的輸出本質(zhì)安全特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（19）：52-57.

LIU Jian，LIU Shulin，YANG Yinling，et al.Output intrinsically safe behavior of Buck converters and its optimal design[J].Proceedings of the CSEE，2005，25（19）：52-57.

[11]LIU Shulin，LIU Jian，LI Yan.Equivalentresistance based analysis of inductor disconnected discharge behavior for intrinsic safety Buck converters[J].Journal of Coal Science & Engineering，2008，14（3）：485-488.

[12]LIU Shulin，LI Yan，LIU Li.Analysis of output voltage ripple of Buck DCDC converter and its design[C]//The 2nd Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System，2009：112-115.

[13]YANG Yong，JIANG Yachao，LI Xingdong，et al.Optimal design of voltagecontrolled voltage source secondorder unit gain Butterworth lowpass filter[C]//2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering（ICEICE），2011：4318-4321.

[14]Wazir M，Mohammad U，Muhammad A，et al.Performance analysis of analog butterworth low pass filter as compared to chebyshev TypeⅠ filter，chebyshev TypeⅡ filter and elliptical filter[J].Circuits and Systems，2014（5）：209-216.

[15]Nguyen V，Tran V，Choi W，et al.Analysis of the output ripple of the DCDC boost charger for LiIon batteries[J].Journal of Power Eletronics，2014，14（1）：135-142.

[16]Nardo A，F(xiàn)emia N，Petrone G，et al.Optimal buck converter output filter design for pointofload applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（4）：1330-1341.

[17]Babaei E，Mahmoodieh M E S，Sabahi M.Investigating Buck DCDC converter operation in different operational modes and obtaining the minimum output voltage ripple considering filter size[J].Journal of Power Electronics，2011，11（6）：793-800.

[18]劉樹林，汪子為，鐘明航，等.基于Matlab的Boost變換器輸出本安性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2017（S1）：282-287.

LIU Shulin，WANG Ziwei，ZHONG Minghang，et al.Evaluating system based on Matlab for outputintrinsic safety performance of Boost converter[J].Journal of China Coal Society，2017（S1）：282-287.

[19]劉樹林，馬一博，文曉明，等.輸出本安BuckBoost變換器的最危險(xiǎn)輸出短路放電工況研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（14）：253-260.

LIU Shulin，MA Yibo，WEN Xiaoming，et al.Research on the most dangerous output shortcircuit discharge conditions of output intrinsic safety BuckBoost converters[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30（14）：253-260.

[20]Juan Rodríguez，Diego G Lamar，Pablo F? Miaja，et al.Reproducing singlecarrier digital modulation Schemes for VLC by controlling the first switching harmonic of the DCDC power converter output voltage ripple[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2018，33（9）：7994-8010.

[21]陳國(guó)杰，周有平，李斌.Buck恒流電源的輸出紋波分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2015，35（5）：422-425.

CHEN Guojie，ZHOU Youping，LI Bin.Analysis on output ripple and optimal design of Buck constant current power supply[J].Nuclear Electronics & Detection Technology，2015，35（5）：422-425.

[22]WingTo Fan，Ken KuenFaat Yuen，Henry ShuHung Chung，et al.Power semiconductor filter：use of series-pass device in switching converters for filtering input current harmonics[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31（3）：2053-2068.

[23]HU Wei，ZHANG Fangying，XU Yawu.Output voltage ripple analysis and design considerations of intrinsic safety flyback converter based on energy transmission modes[J].Journal of Power Electronics，2014，14（5）：908-917.

[24]Babaei E，Nesaz S R，Khasraghi K J.Assessment of stepup DCDC converter with high voltage ratio in different operational modes[J].Arabian Journal for Science and Engineering，2014，39（3）：2033-2043.

[25]CUI Baochun，CHENG Hong，WANG Cong，et al.Analysis of discharge spark energy in Buck converter of a continuous mode of inductive current[J].Journal of China University of Mining & Technology，2006，16（4）：514-517.