相比線性電源,本質(zhì)安全開關(guān)電源具有電源轉(zhuǎn)換效率高、體積小、質(zhì)量輕和電網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),其為工作在危險(xiǎn)環(huán)境下的本安型電氣設(shè)備提供電能,是設(shè)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此實(shí)現(xiàn)電源的本質(zhì)安全,是實(shí)現(xiàn)整個(gè)電氣設(shè)備本質(zhì)安全的基礎(chǔ)。
由于半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展,各種不同的電氣設(shè)備以及芯片的工作電壓不斷降低。Buck變換器作為開關(guān)電源的重要組成單元,因其能夠?qū)崿F(xiàn)降壓,故受到研究人員關(guān)注,并得到廣泛研究和應(yīng)用。
然而,目前本安Buck變換器的研究和發(fā)展還面臨著急需解決的問題:缺少系統(tǒng)、簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)方法,且輸出功率還有很大空間亟待提升。隨著近年來我國(guó)煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展,用于井下的安全檢測(cè)及監(jiān)控設(shè)備數(shù)量大大增加,提高了對(duì)本安開關(guān)變換器輸出功率和安全性能的要求。
但是目前應(yīng)用于危險(xiǎn)環(huán)境的本安Buck變換器功率很小,大部分只有十幾瓦,無(wú)法在要求更高功率的場(chǎng)合下應(yīng)用,因而使用范圍受到了限制。并且,目前設(shè)計(jì)本安變換器時(shí),都是在已知變換器的輸入、輸出電壓的情況下,先假設(shè)一個(gè)工作頻率的基礎(chǔ)上進(jìn)行,具體設(shè)計(jì)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(jī)性,可能會(huì)出現(xiàn)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(wú)法保證能夠設(shè)計(jì)出滿足本質(zhì)安全要求的開關(guān)變換器,以至于設(shè)計(jì)初期盲目提出指標(biāo)。
在設(shè)計(jì)初期也并不能明確變換器可以實(shí)現(xiàn)的最大輸出功率,需要重新選定工作頻率,再重復(fù)圖1所示的設(shè)計(jì)過程,直到得到符合要求的參數(shù)設(shè)計(jì)范圍為止。顯然,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法復(fù)雜繁瑣,且浪費(fèi)大量時(shí)間。因此,迫切需要研究出更加系統(tǒng)、便捷的設(shè)計(jì)方法。
圖1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法流程
一般在對(duì)本安電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),通常將其分為簡(jiǎn)單電路和復(fù)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(jiǎn)單電路,由多個(gè)電阻、電感或電容組合而成的電路稱為復(fù)雜電路。
Buck變換器電路中同時(shí)含有電感和電容兩種儲(chǔ)能元件,面臨的本質(zhì)安全問題更加復(fù)雜:當(dāng)電感分?jǐn)嗷螂娙荻搪窌r(shí),產(chǎn)生的電弧或火花可能會(huì)點(diǎn)燃危險(xiǎn)性環(huán)境的爆炸性氣體混合物。因此,為便于分析和判斷開關(guān)變換器的本安性能,將其本質(zhì)安全劃分為內(nèi)部本質(zhì)安全和輸出本質(zhì)安全兩部分。
通常為保證輸出本質(zhì)安全性能,限制變換器輸出端發(fā)生短路故障時(shí)的火花能量,在Buck變換器電路中加入截止保護(hù)電路。當(dāng)變換器正常工作時(shí),其保護(hù)電路不工作,整體工作原理與典型Buck變換器相同;當(dāng)變換器發(fā)生電容短路故障時(shí),保護(hù)電路迅速動(dòng)作,迫使Buck變換器的開關(guān)管立即關(guān)斷,在最短的時(shí)間內(nèi)切斷能量回路,從而保證變換器的輸出本安性能。
然而,當(dāng)變換器中的電感發(fā)生分?jǐn)喙收蠒r(shí),即使截止型保護(hù)電路能夠迅速關(guān)斷開關(guān)管,但由于電感處于變換器電路內(nèi)部,作為一種電流無(wú)法突變的儲(chǔ)能元件,電感的兩端會(huì)因?yàn)樵囼?yàn)裝置電極的斷開而感應(yīng)出較大的反電動(dòng)勢(shì),導(dǎo)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(huì)引燃周圍易燃、易爆的混合氣體,導(dǎo)致內(nèi)部本質(zhì)安全的要求不能滿足。因此,電容短路時(shí)火花放電引起的輸出本安問題無(wú)需考慮,西安科技大學(xué)的研究人員主要針對(duì)內(nèi)部本質(zhì)安全Buck變換器的設(shè)計(jì)方法展開研究。
為實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高本質(zhì)安全開關(guān)變換器的安全性能,業(yè)界學(xué)者們也進(jìn)行了大量研究,但是采用是迭代法,計(jì)算過程復(fù)雜。除此之外,本質(zhì)安全開關(guān)變換器的輸出功率,也是一直以來研究重點(diǎn)之一。
然而,目前對(duì)于開關(guān)變換器本質(zhì)安全性能的評(píng)價(jià),基本是通過能量等效的方法和適當(dāng)?shù)胤糯筇幚韺㈤_關(guān)變換器等效為簡(jiǎn)單電路,然后根據(jù)國(guó)標(biāo)給出的臨界點(diǎn)燃曲線對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。受限于現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法,要設(shè)計(jì)出輸出功率較大的本安開關(guān)變換器較為困難。
鑒于上述問題,研究人員以本安Buck變換器為例,對(duì)其輸出功率和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)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(zhì)安全性能要求,根據(jù)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(shè)計(jì)指標(biāo)要求,推導(dǎo)出最小電阻表達(dá)式,進(jìn)而得出變換器能夠同時(shí)滿足本安性能要求及電氣指標(biāo)要求時(shí)的最大功率。根據(jù)所得的最大功率,分析其與輸出電壓、輸入電壓及開關(guān)頻率之間的變化關(guān)系,得到可以用于指導(dǎo)本安Buck變換器優(yōu)化設(shè)計(jì)的四維關(guān)系坐標(biāo)圖。并給出不同給定參數(shù)下相應(yīng)的本安變換器的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法與具體的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。
采用所提出的便捷設(shè)計(jì)方法,本安變換器的設(shè)計(jì)可一次完成,縮短了設(shè)計(jì)周期,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程,同時(shí)還可滿足不同給定條件下具體需求。
圖2 所提出的設(shè)計(jì)流程
根據(jù)三種不同的給定條件和要求,以下提出相應(yīng)的本安Buck變換器的簡(jiǎn)便快速設(shè)計(jì)方法。
設(shè)計(jì)方法一
對(duì)于工作在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境的本安Buck變換器,當(dāng)已知的電氣性能指標(biāo)參數(shù)包括輸出電壓(Vo)、開關(guān)頻率(f)、輸出紋波電壓(Vpp)、輸入電壓(Vi,min~Vi,max),設(shè)計(jì)目標(biāo)為設(shè)計(jì)出既可滿足本安性能設(shè)計(jì)要求,也能滿足電氣性能指標(biāo)要求,并且輸出功率最大的本安Buck變換器,具體設(shè)計(jì)過程如圖3所示。
圖3 本安Buck變換器的設(shè)計(jì)方法一
圖3中,對(duì)于給定參數(shù)的本安Buck變換器,首先,依據(jù)本安性能指標(biāo)得到本安Buck變換器的最小負(fù)載電阻和最大輸出功率;其次,根據(jù)推導(dǎo)所得到的公式可以確定變換器最大的電感設(shè)計(jì)限值,根據(jù)變換器期望的輸出紋波電壓指標(biāo)及所得的最大電感設(shè)計(jì)限值,可以得出最小電容;根據(jù)輸出電壓,通過查表可得滿足輸出本安要求的最大電容設(shè)計(jì)限值,根據(jù)變換器期望的輸出紋波電壓指標(biāo)以及所得的最大電容設(shè)計(jì)限值,可以得出最小電感。
依據(jù)以上步驟,可以設(shè)計(jì)出同時(shí)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(shè)計(jì)方法二
對(duì)于工作在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境的本安Buck變換器,當(dāng)已知的電氣性能指標(biāo)參數(shù)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(shè)計(jì)目標(biāo)為設(shè)計(jì)出既可滿足本安性能設(shè)計(jì)要求,也能滿足電氣性能指標(biāo)要求的本安Buck變換器,且此變換器需要達(dá)到設(shè)定的功率目標(biāo)。具體設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
圖4 本安Buck變換器的設(shè)計(jì)方法二
由圖4可知,根據(jù)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(guān)頻率的四維關(guān)系坐標(biāo)圖,即可得到實(shí)現(xiàn)所期望該功率的最小開關(guān)頻率,小于該開關(guān)頻率,即使改變輸入電壓和輸出電壓也無(wú)法實(shí)現(xiàn)所期望的輸出功率。
設(shè)計(jì)方法三
對(duì)于工作在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境的本安Buck變換器,當(dāng)已知的電氣性能指標(biāo)參數(shù)包括輸出電壓(Vo)、輸出紋波電壓(Vpp)及輸入電壓(Vi, min~Vi, max),設(shè)計(jì)目標(biāo)為設(shè)計(jì)出既可滿足本安性能設(shè)計(jì)要求,也能滿足電氣性能指標(biāo)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(shè)計(jì)流程如圖5所示。
圖5 本安Buck變換器的設(shè)計(jì)方法三
由圖5可知,根據(jù)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(guān)頻率的四維關(guān)系坐標(biāo)圖,即可得到該參數(shù)下,變換器能夠輸出的最大功率。
結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例,研究人員對(duì)設(shè)計(jì)方法和所推導(dǎo)的公式進(jìn)行驗(yàn)證,證明上述相關(guān)理論分析和所得結(jié)論的正確性。
圖6 本質(zhì)安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)
圖7 實(shí)驗(yàn)裝置
他們最后得出結(jié)論如下:
1)經(jīng)過分析,定義當(dāng)滿足設(shè)計(jì)要求的電感取值范圍不存在時(shí),所對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻是本安開關(guān)變換器的最小負(fù)載電阻,此時(shí)變換器的功率最大。
2)依據(jù)最大等效電感及本安性能判據(jù),推導(dǎo)出能夠滿足設(shè)計(jì)要求的最大電感、電容。依據(jù)期望的輸出紋波電壓指標(biāo),得出了電感電容的最小值。綜上所述,即可得出滿足設(shè)計(jì)要求的電感、電容設(shè)計(jì)范圍。
3)通過最大功率與輸入電壓、輸出電壓及開關(guān)頻率的變化關(guān)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(dāng)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(diào)減小,隨著輸入電壓Vi的增加而單調(diào)減小。
4)結(jié)合最大功率與輸入電壓、輸出電壓及開關(guān)頻率的變化關(guān)系四維圖,總結(jié)出三種基于最大功率的本安Buck變換器設(shè)計(jì)方法,避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的反復(fù)和盲目,使設(shè)計(jì)過程一次性完成,節(jié)約時(shí)間,降低了成本。
另外,研究人員還指出,本設(shè)計(jì)方法不僅可以簡(jiǎn)化本安Buck變換器的設(shè)計(jì),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(shè)計(jì)方法可對(duì)這些變換器求解最大電感、最小負(fù)載電阻以及最大功率提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。
以上研究成果發(fā)表在2021年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,論文標(biāo)題為“基于最大功率的本安Buck變換器設(shè)計(jì)方法”,作者為劉樹林、郝雨蒙 等。