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iL《Io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。

　　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，其主電路結構如圖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成：由PWM控制的開關管S；續流二極管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。

　　下面在一個開關周期內分析LC-Buck變換器的工作原理。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L1的電流iL1線性增加，儲能電感L1將電能轉換成磁能儲存在電感L1中，當iL1》Io時，電容C1進入充電狀態。當開關管S斷開時，由于流過儲能電感L1的電流不能突變，所以在L1兩端便感應出一個左負右正的自感電勢，使續流二極管D導通，L1便把原先儲存起來的磁能轉換成電能供給負載。此時，電感電流iL1線性減小，當iL1《Io時，電容C1進入放電狀態。LC-Buck變換器在整個動態工作范圍內，由電感L2和電容C2組成二階低通濾波器，對第一級輸出電壓Vo1上的紋波電壓Vpp1進行有效衰減，使得第二級輸出電壓Vo上的紋波電壓Vpp在小電感、小電容的情況下就能達到規定的電氣性能指標要求。

　　3 實驗驗證

　　在輸入電壓、開關頻率、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。具體指標如下所述：

　　輸入電壓為yi=21～27 V，工作頻率為f=300 kHz，負載電阻RL范圍為10～100 Ω。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。體現出了LC-Buck變換器的優越性。

　　4 結語

　　本文首先分析了基本Buck變換器的組成及工作原理；其次提出了采用LC濾波的本安Buck變換器來提高變換器輸出功率的方案，并且分析了LC-Buck變換器的組成及原理。最后通過實驗驗證了LC-Buck變換器可大大提高本安電路輸出功率的結論。