采用LC濾波的大功率本安Buck開關變換器

摘要：隨著礦井智能化的不斷推進及安全級別的不斷提高，本質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越低，所以對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。
關鍵詞：礦井智能化；本安電源；LC濾波器；Buck開關變換器

0 引言
隨著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，降低本質安全性能；再者可以通過提高開關頻率來實現，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，因此也有利于本質安全，但另一方面提高開關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安全。此外提高開關頻率還可能導致電容器的實際有效容量顯著下降而影響濾波效果，并且過高的開關頻率不僅不易實現，而且電路穩定性也會受影響。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，又能滿足本質安全性能指標，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。它主要由開關管S，續流二極管D，儲能電感L以及濾波電容C組成。

當開關管S導通時，續流二極管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。當開關管S斷開時，續流二極管D因承受正向電壓而導通，iL線性減小，在iLIo時，電容C處于放電狀態，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，同時影響電氣指標和本質安全性能指標的主要因素是電感和電容取值以及開關頻率的選擇。因此，本質安全開關變換器的設計實際上就是要在確保電路參數滿足電氣指標要求的前提下，選擇合適的開關頻率、電感和輸出濾波電容，使其因故障而發生分斷和短路時，產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和本質安全性能指標要求，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。