關(guān)于本質(zhì)安全Boost變換器的探討
摘要:分析Boost變換器工作于連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)和不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)時(shí)的電感電流,指出當(dāng)輸入電壓為最低,負(fù)載電阻為最小時(shí),且變換器工作在CCM下的最大電感電流就是該變換器在整個(gè)工作范圍的最大電感電流,并將其與最小點(diǎn)燃電流相比較作為變換器內(nèi)部本質(zhì)安全的判斷依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/103972.htm關(guān)鍵詞:boost變換器;最小點(diǎn)燃電流;最小電感;本質(zhì)安全
1 引言
直流電源應(yīng)用于煤礦、井下等危險(xiǎn)環(huán)境時(shí)必須滿足防爆的要求,而本質(zhì)安全是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種防爆形式,因此,直流電源的本質(zhì)安全特性是一個(gè)值得探討的課題。
所謂本質(zhì)安全,即在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸混合物。因此,本質(zhì)安全的關(guān)鍵是降低直流電源在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng),也就是減小直流電源中使用的儲(chǔ)能元件。在給定的輸入電壓和負(fù)載變化范圍內(nèi),探討B(tài)oost變換器的最大電感電流并總結(jié)出電感的設(shè)計(jì)方法。
2 Boost變換器的工作原理
Boost變換器的組成原理電路如圖1所示。當(dāng)Boost變換器的開(kāi)關(guān)S處于閉合狀態(tài)時(shí),電源給電感充電,電感存儲(chǔ)能量;電容放電向負(fù)載提供能量。此時(shí)的工作過(guò)程比較簡(jiǎn)單。當(dāng)Boost變換器的開(kāi)關(guān)S處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí),輸入電源、電感和電容同時(shí)向負(fù)載提供能量,此時(shí)工作過(guò)程比較復(fù)雜。
3 Boost變換器的工作模式
當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)后能量的傳輸過(guò)程要復(fù)雜得多,電感、電容和負(fù)載三者間的能量傳輸與電感的大小密切相關(guān),存在一個(gè)臨界電感LC。
當(dāng)LLC時(shí),Boost變換器工作于連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM);而當(dāng)LLC時(shí),Boost變換器工作于不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)。CCM與DCM的臨界電感LC為:
4 Boost變換器的電感電流
4.1 Boost變換器工作在CCM時(shí)的電感電流
圖2為Boost變換器工作在CCM時(shí)的電感電流波形。
此時(shí),輸入電壓Vi、輸出電壓Vo和占空比d的關(guān)系為:
假設(shè)功率轉(zhuǎn)換中沒(méi)有損耗,即輸入功率等于輸出功率,則輸入平均電流Ii與輸出電流,Io的關(guān)系為:
由圖2可得變換器的峰值電感電流為
式中,△I為電感電流變化量。
根據(jù)式(4)有:
所以,峰值電感電流ILP在LLC區(qū)間隨著電感L、輸入電壓Vi及負(fù)載RL的增加而減小。
4.2 Boost變換器工作在DCM時(shí)的電感電流
圖3為Boost變換器工作在DCM時(shí)的電感電流波形。
此時(shí),輸入電壓Vi、輸出電壓Vo、負(fù)載電阻RL和占空比d的關(guān)系為:
則由圖3可得Boost變換器的峰值電感電流為:
所以,峰值電感電流ILP在LLC區(qū)間隨著電感L、輸入電壓Vi及負(fù)載RL的增加而減小。
5 Boost變換器的工作區(qū)域與最大電感電流
5.1 Boost變換器的工作區(qū)域
假設(shè)該Boost變換器的輸入電壓范圍為[Vi,min,Vi,max],負(fù)載電阻范圍為[RL,min,RL,max]。因此,在RL-Vi平面上Boost變換器的工作范圍對(duì)應(yīng)一個(gè)矩形,作出式(1)描述的臨界電感曲線LC,其將RL-Vi平面分為CCM和DCM兩部分,如圖4所示。由圖4可知,在整個(gè)工作范圍內(nèi),CCM和DCM的最大臨界電感LCmax為臨界電感曲線LC的頂點(diǎn)位于M點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的電感值LCM,由式(1)可得該頂點(diǎn)為(RL,2Vo/3)。曲線a為Boost變換器在整個(gè)工作范圍內(nèi)都處于CCM的情形,對(duì)應(yīng)臨界電感LCa;對(duì)于曲線b,功率較大的工作范圍處于CCM,而功率較小的則處于DCM,對(duì)應(yīng)臨界電感,LCb;曲線c為Boost變換器在整個(gè)工作范圍均處于DCM的情形,對(duì)應(yīng)臨界電感LCc。
5.2 LCN≤L≤Lc,max時(shí)的最大電感電流
由上述分析可知:根據(jù)電感取值的不同,在整個(gè)動(dòng)態(tài)工作范圍內(nèi),Boost變換器存在各種不同的工作區(qū)域。然而,要得到本質(zhì)安全特性并滿足輸出紋波電壓指標(biāo)的要求,電感的取值既不能太大也不能太小,因此,一般將電感設(shè)計(jì)在LCN≤L≤LC,max的范圍內(nèi),使變Boost換器在較小功率時(shí)工作在DCM而較大功率時(shí)工作在CCM,如圖5所示。
當(dāng)Boost變換器工作在圖5中由A,B,E,F(xiàn)圍成的區(qū)域時(shí),該變換器處于CCM模式,根據(jù)式(4)和式(5)可得此區(qū)域內(nèi)變換器的最大電感電流為:
當(dāng)Boost變換器工作在圖5中由C,D,F(xiàn),E圍成的區(qū)域時(shí),該變換器處于DCM模式,根據(jù)式(7)和式(8)可得此區(qū)域內(nèi)變換器的最大電感電流滿足
可見(jiàn),對(duì)于某一給定的電感,若LCN≤L≤LC,max,則Boost變換器在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的最大電感電流在(Vi,min,RL,min)點(diǎn)取得,且該最大值為:
綜上所述,當(dāng)輸入電壓為最低輸入電壓,負(fù)載電阻為最小負(fù)載電阻時(shí),該且Boost變換器工作在CCM下的最大峰值電感電流就是變換器在整個(gè)工作范圍內(nèi)的最大電感電流。
6 Boost變換器的本質(zhì)安全特性
實(shí)現(xiàn)Boost變換器的本質(zhì)安全,主要考慮因電感斷開(kāi)產(chǎn)生的電火花的引燃能力,而斷開(kāi)電感時(shí)電火花能量取決于流過(guò)電感的最大電流,其安全性可根據(jù)感性電路的最小點(diǎn)燃曲線判斷。將最大電感電流IL,max與最小點(diǎn)燃電流IB相比較,以此作為判斷Boost變換器本質(zhì)安全的依據(jù)。另外檢驗(yàn)電路時(shí)還要考慮足夠的安全系數(shù),因此可得Boost變換器本質(zhì)安全的判定條件為:
由于在Vi=2Vo/3時(shí),Vi2(Vo-Vi)取得最大值為4Vo3/27,代入式(15)得L2RA/27f1,則電感的最小值為:
8 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證上述理論分析,以一個(gè)典型的Boost變換器為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其參數(shù)為:輸入電壓范圍為10~14 V,負(fù)載范圍為36~180 Ω,輸出電壓為18 V,工作頻率為200 kHz,輸出濾波電容值為7μF。
假如將該變換器輸出電流大于0.25 A(RL=72 Ω)的工作范圍設(shè)計(jì)在CCM,則由式(16)可得,Lmin=26.7μH。將電感選為50μH。當(dāng)RL=36 Ω,Vi=12 V時(shí),示波器測(cè)得該變換器的電感電流和電容電壓波形如圖6所示。
由圖6的紋波電壓波形看出:該變換器的輸出紋波電壓為270 mV,小于2%Vo=360 mV??梢?jiàn),設(shè)計(jì)的Boost變換器滿足紋波電壓指標(biāo)要求;由圖6的電感電流波形看出:此時(shí)變換器的電感峰值電流為1.0 A,考慮安全系數(shù),則1.0×1.5=1.5 AIB=3.3 A,(其中IB為Vi=18 V、L=100μH時(shí)查得感性電路最小點(diǎn)燃曲線對(duì)應(yīng)的最小點(diǎn)燃電流),顯然,設(shè)計(jì)的變換器滿足本質(zhì)安全的要求??梢?jiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果相符。
9 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)比較和分析,當(dāng)輸入電壓為最低輸入電壓,負(fù)載電阻為最小負(fù)載電阻時(shí)。且Boost變換器工作在CCM下的最大電感電流就是其在整個(gè)工作范圍內(nèi)的最大電感電流。Boost變換器的本質(zhì)安全主要考慮電感斷開(kāi)造成的火花,在考慮安全系數(shù)后,若電感電流的最大值小于電感電路的最小點(diǎn)燃電流則變換器是本質(zhì)安全的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。
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