相比線性電源，本質安全開關電源具有電源轉換效率高、體積小、質量輕和電網適應性強等優點，其為工作在危險環境下的本安型電氣設備提供電能，是設備的關鍵環節。因此實現電源的本質安全，是實現整個電氣設備本質安全的基礎。

由于半導體工業的快速發展，各種不同的電氣設備以及芯片的工作電壓不斷降低。Buck變換器作為開關電源的重要組成單元，因其能夠實現降壓，故受到研究人員關注，并得到廣泛研究和應用。

設計挑戰

然而，目前本安Buck變換器的研究和發展還面臨著急需解決的問題：缺少系統、簡潔的設計方法，且輸出功率還有很大空間亟待提升。隨著近年來我國煤礦物聯網技術迅速發展，用于井下的安全檢測及監控設備數量大大增加，提高了對本安開關變換器輸出功率和安全性能的要求。

但是目前應用于危險環境的本安Buck變換器功率很小，大部分只有十幾瓦，無法在要求更高功率的場合下應用，因而使用范圍受到了限制。并且，目前設計本安變換器時，都是在已知變換器的輸入、輸出電壓的情況下，先假設一個工作頻率的基礎上進行，具體設計流程如圖1所示。

圖1所示的方法存在的問題為：由于所選頻率的隨機性，可能會出現最小電容限值大于最大電容限值而致使電容取值范圍不存在的情況，無法保證能夠設計出滿足本質安全要求的開關變換器，以至于設計初期盲目提出指標。

在設計初期也并不能明確變換器可以實現的最大輸出功率，需要重新選定工作頻率，再重復圖1所示的設計過程，直到得到符合要求的參數設計范圍為止。顯然，傳統設計方法復雜繁瑣，且浪費大量時間。因此，迫切需要研究出更加系統、便捷的設計方法。

圖1 傳統設計方法流程

研究現狀

一般在對本安電路進行設計時，通常將其分為簡單電路和復雜電路。除直流電源外只包含一種純電阻、電感或電容元件的電路稱為簡單電路，由多個電阻、電感或電容組合而成的電路稱為復雜電路。

Buck變換器電路中同時含有電感和電容兩種儲能元件，面臨的本質安全問題更加復雜：當電感分斷或電容短路時，產生的電弧或火花可能會點燃危險性環境的爆炸性氣體混合物。因此，為便于分析和判斷開關變換器的本安性能，將其本質安全劃分為內部本質安全和輸出本質安全兩部分。

通常為保證輸出本質安全性能，限制變換器輸出端發生短路故障時的火花能量，在Buck變換器電路中加入截止保護電路。當變換器正常工作時，其保護電路不工作，整體工作原理與典型Buck變換器相同；當變換器發生電容短路故障時，保護電路迅速動作，迫使Buck變換器的開關管立即關斷，在最短的時間內切斷能量回路，從而保證變換器的輸出本安性能。

然而，當變換器中的電感發生分斷故障時，即使截止型保護電路能夠迅速關斷開關管，但由于電感處于變換器電路內部，作為一種電流無法突變的儲能元件，電感的兩端會因為試驗裝置電極的斷開而感應出較大的反電動勢，導致電極兩端的氣體被高壓擊穿，如果釋放的能量足夠大，則很有可能會引燃周圍易燃、易爆的混合氣體，導致內部本質安全的要求不能滿足。因此，電容短路時火花放電引起的輸出本安問題無需考慮，西安科技大學的研究人員主要針對內部本質安全Buck變換器的設計方法展開研究。

為實現本質安全開關電源的優化設計，提高本質安全開關變換器的安全性能，業界學者們也進行了大量研究，但是采用是迭代法，計算過程復雜。除此之外，本質安全開關變換器的輸出功率，也是一直以來研究重點之一。

然而，目前對于開關變換器本質安全性能的評價，基本是通過能量等效的方法和適當地放大處理將開關變換器等效為簡單電路，然后根據國標給出的臨界點燃曲線對其進行評價。受限于現有的評價方法，要設計出輸出功率較大的本安開關變換器較為困難。

化繁為簡

鑒于上述問題，研究人員以本安Buck變換器為例，對其輸出功率和簡化設計方法進行了全面而深入的研究。

首先分析本安Buck變換器的組成、基本特性以及本質安全性能要求，根據最大等效電感得到電路允許的最大電感。分析Buck變換器的設計指標要求，推導出最小電阻表達式，進而得出變換器能夠同時滿足本安性能要求及電氣指標要求時的最大功率。根據所得的最大功率，分析其與輸出電壓、輸入電壓及開關頻率之間的變化關系，得到可以用于指導本安Buck變換器優化設計的四維關系坐標圖。并給出不同給定參數下相應的本安變換器的簡化設計方法與具體的參數設計方法。

采用所提出的便捷設計方法，本安變換器的設計可一次完成，縮短了設計周期，簡化了設計過程，同時還可滿足不同給定條件下具體需求。

圖2 所提出的設計流程

根據三種不同的給定條件和要求，以下提出相應的本安Buck變換器的簡便快速設計方法。

設計方法一

對于工作在爆炸性危險環境的本安Buck變換器，當已知的電氣性能指標參數包括輸出電壓（Vo）、開關頻率（f）、輸出紋波電壓（Vpp）、輸入電壓（Vi,min~Vi,max），設計目標為設計出既可滿足本安性能設計要求，也能滿足電氣性能指標要求，并且輸出功率最大的本安Buck變換器，具體設計過程如圖3所示。

圖3 本安Buck變換器的設計方法一

圖3中，對于給定參數的本安Buck變換器，首先，依據本安性能指標得到本安Buck變換器的最小負載電阻和最大輸出功率；其次，根據推導所得到的公式可以確定變換器最大的電感設計限值，根據變換器期望的輸出紋波電壓指標及所得的最大電感設計限值，可以得出最小電容；根據輸出電壓，通過查表可得滿足輸出本安要求的最大電容設計限值，根據變換器期望的輸出紋波電壓指標以及所得的最大電容設計限值，可以得出最小電感。

依據以上步驟，可以設計出同時滿足本安要求及紋波電壓要求，并能夠輸出最大功率的本安Buck變換器。

設計方法二

對于工作在爆炸性危險環境的本安Buck變換器，當已知的電氣性能指標參數包括期望的輸出功率（P）、輸出電壓（Vo）、輸出紋波電壓（Vpp）及輸入電壓（Vi,min~Vi,max），設計目標為設計出既可滿足本安性能設計要求，也能滿足電氣性能指標要求的本安Buck變換器，且此變換器需要達到設定的功率目標。具體設計流程如圖4所示。

圖4 本安Buck變換器的設計方法二

由圖4可知，根據輸入電壓、輸出電壓及期望變換器能夠輸出的功率，利用上述所得的變換器輸出功率與輸入電壓、輸出電壓及開關頻率的四維關系坐標圖，即可得到實現所期望該功率的最小開關頻率，小于該開關頻率，即使改變輸入電壓和輸出電壓也無法實現所期望的輸出功率。

設計方法三

對于工作在爆炸性危險環境的本安Buck變換器，當已知的電氣性能指標參數包括輸出電壓（Vo）、輸出紋波電壓（Vpp）及輸入電壓（Vi, min~Vi, max），設計目標為設計出既可滿足本安性能設計要求，也能滿足電氣性能指標要求的本安Buck變換器，且此變換器需要能夠輸出最大功率。具體設計流程如圖5所示。

圖5 本安Buck變換器的設計方法三

由圖5可知，根據輸入電壓以及輸出電壓，通過上述所得的最大功率與輸入電壓、輸出電壓及開關頻率的四維關系坐標圖，即可得到該參數下，變換器能夠輸出的最大功率。

結合設計實例，研究人員對設計方法和所推導的公式進行驗證，證明上述相關理論分析和所得結論的正確性。

圖6 本質安全評價系統

圖7 實驗裝置

他們最后得出結論如下：

1）經過分析，定義當滿足設計要求的電感取值范圍不存在時，所對應的負載電阻是本安開關變換器的最小負載電阻，此時變換器的功率最大。

2）依據最大等效電感及本安性能判據，推導出能夠滿足設計要求的最大電感、電容。依據期望的輸出紋波電壓指標，得出了電感電容的最小值。綜上所述，即可得出滿足設計要求的電感、電容設計范圍。

3）通過最大功率與輸入電壓、輸出電壓及開關頻率的變化關系四維圖，分析得出：最大功率Pmax隨著工作頻率f增加而增加，但當頻率增加到一定值后，隨著頻率的增加，輸出功率基本不變；最大功率Pmax隨著輸出電壓Vo的增加而單調減小，隨著輸入電壓Vi的增加而單調減小。

4）結合最大功率與輸入電壓、輸出電壓及開關頻率的變化關系四維圖，總結出三種基于最大功率的本安Buck變換器設計方法，避免了傳統設計方法的反復和盲目，使設計過程一次性完成，節約時間，降低了成本。

另外，研究人員還指出，本設計方法不僅可以簡化本安Buck變換器的設計，其研究思路也同樣適用于其他類型的變換器，如Boost變換器、Buck-Boost變換器、反激和正激變換器等。設計方法可對這些變換器求解最大電感、最小負載電阻以及最大功率提供理論依據和設計指導。

以上研究成果發表在2021年第3期《電工技術學報》，論文標題為“基于最大功率的本安Buck變換器設計方法”，作者為劉樹林、郝雨蒙 等。