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(jí)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(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)，而且電路穩(wěn)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(chǔ)能電感L以及濾波電容C組成。

當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，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(shí)，電容C處于充電狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S斷開時(shí)，續(xù)流二極管D因承受正向電壓而導(dǎo)通，iL線性減小，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(nèi)容可知，同時(shí)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(jì)實(shí)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(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。