采用LC濾波的大功率本安Buck開(kāi)關(guān)變換器

摘要：隨著(zhù)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(lái)越低，所以對低壓大功率本安電源的需求也就越來(lái)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(guò)實(shí)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論。
關(guān)鍵詞：礦井智能化；本安電源；LC濾波器；Buck開(kāi)關(guān)變換器

0 引言
隨著(zhù)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(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現，一方面能夠減小為滿(mǎn)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(kāi)關(guān)頻率卻降低了變換器的效率，導致最大電感電流增大而不利于本質(zhì)安全。此外提高開(kāi)關(guān)頻率還可能導致電容器的實(shí)際有效容量顯著(zhù)下降而影響濾波效果，并且過(guò)高的開(kāi)關(guān)頻率不僅不易實(shí)現，而且電路穩定性也會(huì )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(mǎn)足電氣性能指標，又能滿(mǎn)足本質(zhì)安全性能指標，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(kāi)關(guān)管S，續流二極管D，儲能電感L以及濾波電容C組成。

當開(kāi)關(guān)管S導通時(shí)，續流二極管D因承受反向電壓而截止，流過(guò)電感L上的電流iL線(xiàn)性增加，在負載電阻RL，上流過(guò)電流為Io，RL兩端的輸出電壓為Vo，極性上正下負，如圖1所示。在iL>Io時(shí)，電容C處于充電狀態(tài)。當開(kāi)關(guān)管S斷開(kāi)時(shí)，續流二極管D因承受正向電壓而導通，iL線(xiàn)性減小，在iLIo時(shí)，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
由前述內容可知，同時(shí)影響電氣指標和本質(zhì)安全性能指標的主要因素是電感和電容取值以及開(kāi)關(guān)頻率的選擇。因此，本質(zhì)安全開(kāi)關(guān)變換器的設計實(shí)際上就是要在確保電路參數滿(mǎn)足電氣指標要求的前提下，選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率、電感和輸出濾波電容，使其因故障而發(fā)生分斷和短路時(shí)，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(shí)滿(mǎn)足電氣性能指標和本質(zhì)安全性能指標要求，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。