采用LC滤波的大功率本安Buck开关变换器

摘要：随着矿井智能化的不断推进及安全级别的不断提高，本质安全型电气电子设备正被广泛推广使用，而其中的核心控制芯片所需的电压越来越低，所以对低压大功率本安电源的需求也就越来越大。为了提高本安Buck变换器的输出功率，采用了一种在基本本安Buck变换器的输出端附加LC滤波电路的方法，分析了采用LC滤波的大功率本安Buck变换器(LC-Buck变换器)的组成及工作原理，通过实验对比得出了本安LC-Buck变换器在同等紊件下可以有效提高输出功率的结论。
关键词：矿井智能化；本安电源；LC滤波器；Buck开关变换器

0 引言
    随着对大功率低电压本安电源的需求增大，基本本安Buck变换器就需要进一步提高输出功率。但是要想提高输出功率，增大输出电流，可以使变换器输出端电感电容的容量增加，但是这样很容易引燃爆炸性气体，降低本质安全性能；再者可以通过提高开关频率来实现，一方面能够减小为满足输出纹波电压要求所需的电感和电容取值，因此也有利于本质安全，但另一方面提高开关频率却降低了变换器的效率，导致最大电感电流增大而不利于本质安全。此外提高开关频率还可能导致电容器的实际有效容量显著下降而影响滤波效果，并且过高的开关频率不仅不易实现，而且电路稳定性也会受影响。为此，本文提出在基本本安Buck变换器输出端采用LC滤波电路的思想，使得本安Buck变换器在小电感、小电容的情况下，就能既满足电气性能指标，又能满足本质安全性能指标，且能有效提高输出功率。

1 基本Buck变换器的组成及工作原理
    基本Buck变换器的电路原理图如图1所示。它主要由开关管S，续流二极管D，储能电感L以及滤波电容C组成。

    当开关管S导通时，续流二极管D因承受反向电压而截止，流过电感L上的电流iL线性增加，在负载电阻RL，上流过电流为Io，RL两端的输出电压为Vo，极性上正下负，如图1所示。在iL>Io时，电容C处于充电状态。当开关管S断开时，续流二极管D因承受正向电压而导通，iL线性减小，在iL<Io时，电容C处于放电状态，以维持输出电流Io和输出电压Vo不变。

2 大功率本安LC-Buck变换器
2．1 大功率本安LC-Buck变换器的组成
    由前述内容可知，同时影响电气指标和本质安全性能指标的主要因素是电感和电容取值以及开关频率的选择。因此，本质安全开关变换器的设计实际上就是要在确保电路参数满足电气指标要求的前提下，选择合适的开关频率、电感和输出滤波电容，使其因故障而发生分断和短路时，产生的放电能量足够小，不至于引燃爆炸性气体。
    由于以上矛盾的存在，本文在基本的Buck变换器输出端附加LC滤波电路，使得Buck变换器在电感、电容值不大的情况下，就能同时满足电气性能指标和本质安全性能指标要求，且能提高输出功率。

    本安LC-Buck变换器的组成原理框图如图2所示。
2．2 本安LC-Buck变换器的基本工作原理
    本安LC-Buck变换器是由一个基本Buck变换器和一个二阶L，C低通滤波器所组成，其主电路结构如图3所示。

    由图3可以看出，LC-Buck变换器是由基本Buck变换器的输出端多加一级L，C滤波电路所组成，主要由以下几部分构成：由PWM控制的开关管S；续流二极管D；储能电感L1；输出滤波电感L2；输出滤波电容C1，C2以及负载电阻RL。其中Vi为输入直流电压；Vo1为第一级输出电压，Vo为第二级输出电压。
    下面在一个开关周期内分析LC-Buck变换器的工作原理。当开关管S导通时，续流二极管D因承受反向电压而截止，流过电感L1的电流iL1线性增加，储能电感L1将电能转换成磁能储存在电感L1中，当iL1>Io时，电容C1进入充电状态。当开关管S断开时，由于流过储能电感L1的电流不能突变，所以在L1两端便感应出一个左负右正的自感电势，使续流二极管D导通，L1便把原先储存起来的磁能转换成电能供给负载。此时，电感电流iL1线性减小，当iL1<Io时，电容C1进入放电状态。LC-Buck变换器在整个动态工作范围内，由电感L2和电容C2组成二阶低通滤波器，对第一级输出电压Vo1上的纹波电压Vpp1进行有效衰减，使得第二级输出电压Vo上的纹波电压Vpp在小电感、小电容的情况下就能达到规定的电气性能指标要求。

3 实验验证
    在输入电压、开关频率、等效电容和等效电感都相同的情况下，求两种变换器的最大输出功率。具体指标如下所述：
    输入电压为yi=21～27 V，工作频率为f=300 kHz，负载电阻RL范围为10～100 Ω。最大等效电容为Ce,max=5μF，最大等效电感为Le,max= 20μF，最大纹波电压为Vpp,max=1％Vo。L1=18 μH，C1=1 μF，L2=15μH，C2=0．6μF。
    在一定的负载变化范围内可得基本本安Buck变换器与本安LC-Buck变换器输出功率与负载电阻之间的关系曲线如图4所示。

    由图4可以看出，在同样的输入条件以及同样的等效电感及等效电容条件下，本安LC-Buck变换器的最大输出功率要比基本本安Buck变换器的最大输出功率大得多。说明在基本本安Buck变换器的输出端采用LC滤波，能大大提高本安Buck变换器的输出功率，且能有效降低储能元件电感、电容的容量。体现出了LC-Buck变换器的优越性。

4 结语
    本文首先分析了基本Buck变换器的组成及工作原理；其次提出了采用LC滤波的本安Buck变换器来提高变换器输出功率的方案，并且分析了LC-Buck变换器的组成及原理。最后通过实验验证了LC-Buck变换器可大大提高本安电路输出功率的结论。