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)性強等優(yōu)點，其為工作在危險環(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)。因此實現(xiàn)電源的本質(zhì)安全，是實現(xiàn)整個電氣設(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。

設(shè)計挑戰(zhàn)

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)、簡潔的設(shè)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(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，用于井下的安全檢測及監(jiān)控設(shè)備數(shù)量大大增加，提高了對本安開關(guān)變換器輸出功率和安全性能的要求。

但是目前應(yīng)用于危險環(huán)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(yīng)用，因而使用范圍受到了限制。并且，目前設(shè)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(shè)一個工作頻率的基礎(chǔ)上進行，具體設(shè)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(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，無法保證能夠設(shè)計出滿足本質(zhì)安全要求的開關(guān)變換器，以至于設(shè)計初期盲目提出指標(biāo)。

在設(shè)計初期也并不能明確變換器可以實現(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)計過程，直到得到符合要求的參數(shù)設(shè)計范圍為止。顯然，傳統(tǒng)設(shè)計方法復(fù)雜繁瑣，且浪費大量時間。因此，迫切需要研究出更加系統(tǒng)、便捷的設(shè)計方法。

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計方法流程

研究現(xiàn)狀

一般在對本安電路進行設(shè)計時，通常將其分為簡單電路和復(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單電路，由多個電阻、電感或電容組合而成的電路稱為復(fù)雜電路。

Buck變換器電路中同時含有電感和電容兩種儲能元件，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，產(chǎn)生的電弧或火花可能會點燃危險性環(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)生短路故障時的火花能量，在Buck變換器電路中加入截止保護電路。當(dāng)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(dāng)變換器發(fā)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(guān)管立即關(guān)斷，在最短的時間內(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，即使截止型保護電路能夠迅速關(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(yīng)出較大的反電動勢，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，電容短路時火花放電引起的輸出本安問題無需考慮，西安科技大學(xué)的研究人員主要針對內(nèi)部本質(zhì)安全Buck變換器的設(shè)計方法展開研究。

為實現(xiàn)本質(zhì)安全開關(guān)電源的優(yōu)化設(shè)計，提高本質(zhì)安全開關(guān)變換器的安全性能，業(yè)界學(xué)者們也進行了大量研究，但是采用是迭代法，計算過程復(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之一。

然而，目前對于開關(guān)變換器本質(zhì)安全性能的評價，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)變換器等效為簡單電路，然后根據(jù)國標(biāo)給出的臨界點燃曲線對其進行評價。受限于現(xiàn)有的評價方法，要設(shè)計出輸出功率較大的本安開關(guān)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(shè)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(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)計指標(biāo)要求，推導(dǎo)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(biāo)要求時的最大功率。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)的本安變換器的簡化設(shè)計方法與具體的參數(shù)設(shè)計方法。

采用所提出的便捷設(shè)計方法，本安變換器的設(shè)計可一次完成，縮短了設(shè)計周期，簡化了設(shè)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(shè)計流程

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變換器的簡便快速設(shè)計方法。

設(shè)計方法一

對于工作在爆炸性危險環(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)計目標(biāo)為設(shè)計出既可滿足本安性能設(shè)計要求，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)計過程如圖3所示。

圖3 本安Buck變換器的設(shè)計方法一

圖3中，對于給定參數(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)計限值，可以得出最小電感。

依據(jù)以上步驟，可以設(shè)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(shè)計方法二

對于工作在爆炸性危險環(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)計目標(biāo)為設(shè)計出既可滿足本安性能設(shè)計要求，也能滿足電氣性能指標(biāo)要求的本安Buck變換器，且此變換器需要達到設(shè)定的功率目標(biāo)。具體設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 本安Buck變換器的設(shè)計方法二

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法實現(xiàn)所期望的輸出功率。

設(shè)計方法三

對于工作在爆炸性危險環(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)計目標(biāo)為設(shè)計出既可滿足本安性能設(shè)計要求，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)計流程如圖5所示。

圖5 本安Buck變換器的設(shè)計方法三

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)計實例，研究人員對設(shè)計方法和所推導(dǎo)的公式進行驗證，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)安全評價系統(tǒng)

圖7 實驗裝置

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)計要求的電感取值范圍不存在時，所對應(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)計要求的電感、電容設(shè)計范圍。

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)計方法，避免了傳統(tǒng)設(shè)計方法的反復(fù)和盲目，使設(shè)計過程一次性完成，節(jié)約時間，降低了成本。

另外，研究人員還指出，本設(shè)計方法不僅可以簡化本安Buck變換器的設(shè)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(shè)計方法可對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》，論文標(biāo)題為“基于最大功率的本安Buck變換器設(shè)計方法”，作者為劉樹林、郝雨蒙 等。