改进型本安Buck变换器的分析与设计

李艳 刘树林

摘要：提出了一种输出具有LC滤波电路的本安Buck变换器，使得在特定的电气性能指标要求下，可不提高变换器工作频率，但能减小变换器内部的电感量及电容量，达到提升该变换器本质安全性能的目的。深入分析了该拓扑电路在电感电流连续模式（CCM）时的输出纹波电压，指出输出纹波电压最大值是在输入电压最大，负载电阻为CCM与DCM的临界电阻时取得。根据最大输出纹波电压指标要求，在给定的动态范围内，得出了本安Buck变换器电感、电容参数的设计方法。为了说明改进型Buck变换器相比于传统型Buck变换器的优势，在相同的输出纹波电压指标要求下，对传统型及改进型Buck变换器的电感、电容取值进行了比较分析，得出所提出的改进型Buck变换器采用较小的电感、电容即可满足电气性能指标要求，因而可提高其本安性能。因此，通过在Buck变换器的输出附加LC滤波电路，不仅能有效提高本安Buck变换器的输出功率，还能减小其体积。给出了设计实例，仿真与实验结果验证了改进电路拓扑理论分析的正确性及减小目标电感、电容量的可行性。

关键词：本质安全;改进型Buck变换器;低通滤波器;纹波电压;输出功率

中图分类号：TN 624文献标志码：A

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

0引言

本质安全是应用在井下、化工厂等易燃、易爆危险性环境中电气电子设备的最佳防爆型式[1-3]。由于其高转换效率、宽输入动态范围、体积小、重量轻等优点，开关电源成为本安防爆电源的最佳形式，并引起越来越多研究者的关注。随着工矿企业智能化的不断推进，安全等级的不断提高，本安型设备正被广泛推广使用，而用电装置的核心控制芯片所需的电压逐渐降低，对低压大功率本安变换器的需求也逐渐增大[4-9]。

根据IEC定义，本质安全电路是指“在规定的实验条件下，正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物的电路”[4]。然而，电感和电容是开关变换器中的主要储能元件，在电感分断或者输出短路时，会产生电火花。本安电路是通过限制电感分断放电与输出短路等火花放电能量，使易燃易爆气体不被引爆。因此，设计本质安全开关变换器的关键是：在满足电气性能指标的前提下，使变换器中的电感、电容值尽可能的小[10-12]。

为了在较低开关频率条件下，减小本安Buck变换器中的电感量和电容量，研究者做了大量的研究。对于传统Buck变换器，文献[5]对其工作模式以及输出纹波电压进行了详细的分析，并且给出了电感、电容的设计方法。但是为了满足电气性能指标要求，所设计出的电感、电容值都比较大，致使其本安输出功率限制在比较小的范围[13-18]。虽然可以通过增加开关频率来减小Buck变换器的电感量与电容量，但是，随着开关频率的提高，开关损耗也增大了[19-23]。

文献[8]应用交错并联磁集成技术，设计耦合系数，可以增大等效电气电感，同时减小等效本质安全电感以实现本安。但是该电路并没有减小相应的电容参数，而且由于电路中有2个开关管、2个电力二极管及耦合电感等器件，增加了电路的复杂度[24-25]。

为了解决上述问题，文中提出了一种高阶变换电路拓扑。该拓扑结构是在传统Buck变换电路的输出端级联一组LC低通滤波电路。改进型的開关变换拓扑可以在不提高开关频率的前提下，减小变换电路中的电感量与电容量，且能满足相应的电气性能指标要求。在给定的动态范围，对所提出的变换电路的输出纹波电压进行了深入分析，得出了CCM的最大输出纹波电压。并给出了满足电气性能指标的电感、电容选择依据。给出设计实例，在相同的电气性能指标要求下，对比分析了传统Buck变换电路与改进型Buck变换电路电感、电容参数值的大小，仿真与实验结果体现了改进型Buck变换电路的优越性。

1改进型Buck变换器的组成

传统与改进型Buck变换器的原理图分别如图1及图2所示。对比两电图发现，改进型变换拓扑是在传统Buck变换电路的输出级联一个二阶LC LPF而组成。图中Vi为输入直流电压;vC，vC1，vC2分别为电容C，C1，C2两端的电压;Vo为变换电路的输出电压;Io为输出电流。

5结论

1）提出了一种改进型本安Buck开关变换电路拓扑;

2）得出了在CCM工作模态下，改进型Buck变换电路的输出纹波电压表达式，指明其分别随着输入电压和负载电阻的增加而增加，且当输入电压最大，负载电阻为CCM与DCM临界电阻时达到最大值;

3）推导得出了满足电气性能指标要求的改进型Buck变换电路拓扑中电感、电容参数的设计依据;

4）对比分析了传统型与改进型Buck电路电感量与电容量的大小，得出：在相同的电气性能指标要求下，传统Buck电路的电感量及电容量比改进型Buck变换电路总电感量与总电容量大很多;

5）说明了改进型Buck电路可在电感、电容量较小的前提下，同时满足电气性能及本安要求。

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