以LC濾波電路的思想 玩轉(zhuǎn)本安Buck變換器

你用過或設(shè)計過大功率低電壓本安電源嗎，隨著電力電子需求的不斷擴大，對基本本安Buck變換器就需要進一步提高輸出功率。要想提高輸出功率可是不簡單的事情，這就需要增大輸出電流，使變換器輸出端電感電容的容量有所增加，但是這樣爆炸性氣體容易被引燃，會降低本質(zhì)安全性能;再者還可以通過提高開關(guān)頻率來實現(xiàn)，好的方面可減小為滿足輸出紋波電壓要求所需的電感和電容取值，因此利于本質(zhì)安全，但是提高開關(guān)頻率降低變換器效率的同時，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)頻率還可導(dǎo)致電容有效容量顯著下降，影響濾波效果，無法實現(xiàn)過高的開關(guān)頻率要求指標(biāo)，還對電路穩(wěn)定性也有一定影響。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，使本安Buck變換器在小電感小電容的環(huán)境下，既能滿足電氣性能指標(biāo)，既能滿足本質(zhì)安全性能指標(biāo)，有可以有效提高輸出功率。

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，儲能電感L以及濾波電容C組成。

當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時，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，如圖1所示。在iL>Io時，電容C處于充電狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S斷開時，續(xù)流二極管D因承受正向電壓而導(dǎo)通，iL線性減小，在iL< Io時，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)計實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)生分斷和短路時，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。

2.2 本安LC-Buck變換器的基本工作原理

本安LC-Buck變換器是由一個基本Buck變換器和一個二階L，C低通濾波器所組成，其主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可以看出，LC-Buck變換器是由基本Buck變換器的輸出端多加一級L，C濾波電路所組成，主要由以下幾部分構(gòu)成：由PWM控制的開關(guān)管S;續(xù)流二極管D;儲能電感L1;輸出濾波電感L2；輸出濾波電容C1，C2以及負載電阻RL。其中Vi為輸入直流電壓;Vo1為第一級輸出電壓，Vo為第二級輸出電壓。

下面在一個開關(guān)周期內(nèi)分析LC-Buck變換器的工作原理。當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時，續(xù)流二極管D因承受反向電壓而截止，流過電感L1的電流iL1線性增加，儲能電感L1將電能轉(zhuǎn)換成磁能儲存在電感L1中，當(dāng)iL1>Io時，電容C1進入充電狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管S斷開時，由于流過儲能電感L1的電流不能突變，所以在L1兩端便感應(yīng)出一個左負右正的自感電勢，使續(xù)流二極管D導(dǎo)通，L1便把原先儲存起來的磁能轉(zhuǎn)換成電能供給負載。此時，電感電流iL1線性減小，當(dāng)iL13 實驗驗證

在輸入電壓、開關(guān)頻率、等效電容和等效電感都相同的情況下，求兩種變換器的最大輸出功率。具體指標(biāo)如下所述：

輸入電壓為yi=21～27V，工作頻率為f=300kHz，負載電阻RL范圍為10～100Ω。最大等效電容為Ce，max=5μF，最大等效電感為Le,max= 20μF，最大紋波電壓為Vpp,max=1%Vo。L1=18 μH，C1=1 μF，L2=15μH，C2=0.6μF。

在一定的負載變化范圍內(nèi)可得基本本安Buck變換器與本安LC-Buck變換器輸出功率與負載電阻之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，在同樣的輸入條件以及同樣的等效電感及等效電容條件下，本安LC-Buck變換器的最大輸出功率要比基本本安Buck變換器的最大輸出功率大得多。說明在基本本安Buck變換器的輸出端采用LC濾波，能大大提高本安Buck變換器的輸出功率，且能有效降低儲能元件電感、電容的容量。體現(xiàn)出了LC-Buck變換器的優(yōu)越性。

4 總結(jié)

本文分析了基本Buck變換器的工作原理和組成，提出采用LC濾波的本安Buck變換器來提高變換器輸出功率的解決方案，對于LC-Buck變換器工作模式給出詳細分析，由實驗驗證出LC-Buck變換器可大大提高本安電路的輸出功率，是電源工程師的不二之選。