化繁为简！西安科大学者提出3种简便快速的本安Buck变换器设计方法

中国电工技术学会活动专区

CES Conference

针对现有本质安全Buck变换器设计方法复杂繁琐的问题，西安科技大学电气与控制工程学院的研究人员刘树林、郝雨蒙、李艳、游梦然，在2021年第3期《电工技术学报》上撰文，提出了针对不同的电气性能指标要求及设计目标的三种便捷设计方法，同时也实现了在不同给定条件下得到最大输出功率。

相比线性电源，本质安全开关电源具有电源转换效率高、体积小、质量轻和电网适应性强等优点，其为工作在危险环境下的本安型电气设备提供电能，是设备的关键环节。因此实现电源的本质安全，是实现整个电气设备本质安全的基础。

由于半导体工业的快速发展，各种不同的电气设备以及芯片的工作电压不断降低。Buck变换器作为开关电源的重要组成单元，因其能够实现降压，故受到研究人员关注，并得到广泛研究和应用。

设计挑战

然而，目前本安Buck变换器的研究和发展还面临着急需解决的问题：缺少系统、简洁的设计方法，且输出功率还有很大空间亟待提升。随着近年来我国煤矿物联网技术迅速发展，用于井下的安全检测及监控设备数量大大增加，提高了对本安开关变换器输出功率和安全性能的要求。

但是目前应用于危险环境的本安Buck变换器功率很小，大部分只有十几瓦，无法在要求更高功率的场合下应用，因而使用范围受到了限制。并且，目前设计本安变换器时，都是在已知变换器的输入、输出电压的情况下，先假设一个工作频率的基础上进行，具体设计流程如图1所示。

图1所示的方法存在的问题为：由于所选频率的随机性，可能会出现最小电容限值大于最大电容限值而致使电容取值范围不存在的情况，无法保证能够设计出满足本质安全要求的开关变换器，以至于设计初期盲目提出指标。

在设计初期也并不能明确变换器可以实现的最大输出功率，需要重新选定工作频率，再重复图1所示的设计过程，直到得到符合要求的参数设计范围为止。显然，传统设计方法复杂繁琐，且浪费大量时间。因此，迫切需要研究出更加系统、便捷的设计方法。

图1 传统设计方法流程

研究现状

一般在对本安电路进行设计时，通常将其分为简单电路和复杂电路。除直流电源外只包含一种纯电阻、电感或电容元件的电路称为简单电路，由多个电阻、电感或电容组合而成的电路称为复杂电路。

Buck变换器电路中同时含有电感和电容两种储能元件，面临的本质安全问题更加复杂：当电感分断或电容短路时，产生的电弧或火花可能会点燃危险性环境的爆炸性气体混合物。因此，为便于分析和判断开关变换器的本安性能，将其本质安全划分为内部本质安全和输出本质安全两部分。

通常为保证输出本质安全性能，限制变换器输出端发生短路故障时的火花能量，在Buck变换器电路中加入截止保护电路。当变换器正常工作时，其保护电路不工作，整体工作原理与典型Buck变换器相同；当变换器发生电容短路故障时，保护电路迅速动作，迫使Buck变换器的开关管立即关断，在最短的时间内切断能量回路，从而保证变换器的输出本安性能。

然而，当变换器中的电感发生分断故障时，即使截止型保护电路能够迅速关断开关管，但由于电感处于变换器电路内部，作为一种电流无法突变的储能元件，电感的两端会因为试验装置电极的断开而感应出较大的反电动势，导致电极两端的气体被高压击穿，如果释放的能量足够大，则很有可能会引燃周围易燃、易爆的混合气体，导致内部本质安全的要求不能满足。因此，电容短路时火花放电引起的输出本安问题无需考虑，西安科技大学的研究人员主要针对内部本质安全Buck变换器的设计方法展开研究。

为实现本质安全开关电源的优化设计，提高本质安全开关变换器的安全性能，业界学者们也进行了大量研究，但是采用是迭代法，计算过程复杂。除此之外，本质安全开关变换器的输出功率，也是一直以来研究重点之一。

然而，目前对于开关变换器本质安全性能的评价，基本是通过能量等效的方法和适当的放大处理将开关变换器等效为简单电路，然后根据国标给出的临界点燃曲线对其进行评价。受限于现有的评价方法，要设计出输出功率较大的本安开关变换器较为困难。

化繁为简

鉴于上述问题，研究人员以本安Buck变换器为例，对其输出功率和简化设计方法进行了全面而深入的研究。

首先分析本安Buck变换器的组成、基本特性以及本质安全性能要求，根据最大等效电感得到电路允许的最大电感。分析Buck变换器的设计指标要求，推导出最小电阻表达式，进而得出变换器能够同时满足本安性能要求及电气指标要求时的最大功率。根据所得的最大功率，分析其与输出电压、输入电压及开关频率之间的变化关系，得到可以用于指导本安Buck变换器优化设计的四维关系坐标图。并给出不同给定参数下相应的本安变换器的简化设计方法与具体的参数设计方法。

采用所提出的便捷设计方法，本安变换器的设计可一次完成，缩短了设计周期，简化了设计过程，同时还可满足不同给定条件下具体需求。

图2 所提出的设计流程

根据三种不同的给定条件和要求，以下提出相应的本安Buck变换器的简便快速设计方法。

1

设计方法一

对于工作在爆炸性危险环境的本安Buck变换器，当已知的电气性能指标参数包括输出电压（Vo）、开关频率（f）、输出纹波电压（Vpp）、输入电压（Vi,min~Vi,max），设计目标为设计出既可满足本安性能设计要求，也能满足电气性能指标要求，并且输出功率最大的本安Buck变换器，具体设计过程如图3所示。

图3 本安Buck变换器的设计方法一

图3中，对于给定参数的本安Buck变换器，首先，依据本安性能指标得到本安Buck变换器的最小负载电阻和最大输出功率；其次，根据推导所得到的公式可以确定变换器最大的电感设计限值，根据变换器期望的输出纹波电压指标及所得的最大电感设计限值，可以得出最小电容；根据输出电压，通过查表可得满足输出本安要求的最大电容设计限值，根据变换器期望的输出纹波电压指标以及所得的最大电容设计限值，可以得出最小电感。

依据以上步骤，可以设计出同时满足本安要求及纹波电压要求，并能够输出最大功率的本安Buck变换器。

2

设计方法二

对于工作在爆炸性危险环境的本安Buck变换器，当已知的电气性能指标参数包括期望的输出功率（P）、输出电压（Vo）、输出纹波电压（Vpp）及输入电压（Vi,min~Vi,max），设计目标为设计出既可满足本安性能设计要求，也能满足电气性能指标要求的本安Buck变换器，且此变换器需要达到设定的功率目标。具体设计流程如图4所示。

图4 本安Buck变换器的设计方法二

由图4可知，根据输入电压、输出电压及期望变换器能够输出的功率，利用上述所得的变换器输出功率与输入电压、输出电压及开关频率的四维关系坐标图，即可得到实现所期望该功率的最小开关频率，小于该开关频率，即使改变输入电压和输出电压也无法实现所期望的输出功率。

3

设计方法三

对于工作在爆炸性危险环境的本安Buck变换器，当已知的电气性能指标参数包括输出电压（Vo）、输出纹波电压（Vpp）及输入电压（Vi, min~Vi, max），设计目标为设计出既可满足本安性能设计要求，也能满足电气性能指标要求的本安Buck变换器，且此变换器需要能够输出最大功率。具体设计流程如图5所示。

图5 本安Buck变换器的设计方法三

由图5可知，根据输入电压以及输出电压，通过上述所得的最大功率与输入电压、输出电压及开关频率的四维关系坐标图，即可得到该参数下，变换器能够输出的最大功率。

结合设计实例，研究人员对设计方法和所推导的公式进行验证，证明上述相关理论分析和所得结论的正确性。

图6 本质安全评价系统

图7 实验装置

他们最后得出结论如下：

1）经过分析，定义当满足设计要求的电感取值范围不存在时，所对应的负载电阻是本安开关变换器的最小负载电阻，此时变换器的功率最大。

2）依据最大等效电感及本安性能判据，推导出能够满足设计要求的最大电感、电容。依据期望的输出纹波电压指标，得出了电感电容的最小值。综上所述，即可得出满足设计要求的电感、电容设计范围。

3）通过最大功率与输入电压、输出电压及开关频率的变化关系四维图，分析得出：最大功率Pmax随着工作频率f增加而增加，但当频率增加到一定值后，随着频率的增加，输出功率基本不变；最大功率Pmax随着输出电压Vo的增加而单调减小，随着输入电压Vi的增加而单调减小。

4）结合最大功率与输入电压、输出电压及开关频率的变化关系四维图，总结出三种基于最大功率的本安Buck变换器设计方法，避免了传统设计方法的反复和盲目，使设计过程一次性完成，节约时间，降低了成本。

另外，研究人员还指出，本设计方法不仅可以简化本安Buck变换器的设计，其研究思路也同样适用于其他类型的变换器，如Boost变换器、Buck-Boost变换器、反激和正激变换器等。设计方法可对这些变换器求解最大电感、最小负载电阻以及最大功率提供理论依据和设计指导。

以上研究成果发表在2021年第3期《电工技术学报》，论文标题为“基于最大功率的本安Buck变换器设计方法”，作者为刘树林、郝雨蒙 等。