輸出本質安全型準阻抗源Boost電壓變換器設計

鄒本杰 徐飛

摘要：提出一種輸出本質安全型準阻抗源 Boost 電壓變換器，介紹了其電路的基本組成，分析了準阻抗源 網絡中電感器和電容器的元件選型。該電路由準阻抗源電路和 Boost 斬波電路組成，然后連接電感電容 （inductance and capacitance，LC）濾波電路，控制信號為脈寬調制波。使用 MATLAB/Simulink 完成電路仿 真，在仿真基礎上搭建實物實驗電路，實驗結果驗證了仿真及電路的正確性和可行性。

關鍵詞：準阻抗源；本質安全；Boost；斬波；脈寬調制

中圖分類號：TM402文獻標識碼：A

0 引言

隨著煤礦、石油、天然氣等石化行業自動化、 機械化和智能化程度的提升及各種智能監控設備的 使用，危險工作現場的用電設備日漸復雜。在危 險工作環境中，用電設備發生的漏電、短路、過 負載、電弧等是可燃性物質燃燒和爆炸的潛在隱 患 [1]。因此，應用在這類易燃、易爆環境的鍵控系 統或其他用電設備，必須滿足本質安全的要求 [2-4]。 在使用本質安全型電子電氣設備的過程中，對電源 的安全性要求非常高，本質安全型電源是保證系統 實現本質安全的重要環節 [5]，其中，以脈寬調制為 控制信號的開關電源在危險工作環境中應用前景廣 闊，脈寬調制信號的產生非常簡單，易于實現，且 安全性和可調性高。Boost 電路結構簡單 [6]、容易 實現，廣泛應用于礦井及類似具有危險性的低壓場 合 [7]，故本文提出一種基于準阻抗源的輸出本質安 全型 Boost 電壓變換器。

在實際生產現場，基于準阻抗源網絡的輸出本 質安全型電路結構主要由 3 個部分構成。第 1 部分 是礦井的輸入電壓模塊，實際工作環境輸入電壓為 交流電信號。第 2 部分外部由防爆、防塵、防水、 隔離外殼包裹；內部由開關電源、準阻抗源電路網 絡以及起保護作用的電路模塊構成。開關電源可以 實現整流、電壓調整、波形處理等任務；準阻抗源 電路可以對開關電源輸出的電壓進行二次調整，例 如，增加輸出電壓的調節寬度和提高輸出電壓的安 全性；保護電路模塊集成安全柵，進一步提升設備 在礦井等危險環境中的安全性。第 3 部分為輸出模塊，對外界危險環境提供電壓。在整套本質安全型 電路中，以第 2 部分為核心，本文提出的輸出本質 安全型準阻抗源 Boost 電壓變換器屬于第 2 部分。

阻抗源電路拓撲具有調壓能力較強、可調節性 好的特點 [8]，但是在需要更寬調壓范圍的場合，阻 抗源難以實現，且電路拓撲中電容的電壓應力較 大。為克服阻抗源電路存在的缺陷，在保留了阻抗 源電路拓撲優點的同時，提出了準阻抗源電路拓 撲 [9]。準阻抗源電路拓撲與阻抗源電路拓撲使用相 同的控制信號，均為脈寬調制信號，但是準阻抗 源電路拓撲具有更寬的調壓范圍和更低的電容電 壓應力。同時，電路元器件的數量和阻抗源電路拓 撲基本相同，缺點是輸出電壓在達到穩定狀態前 會出現反復多次波動，且由于電路中存在電感器、 電容器、二極管和絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）等儲能元件，導致 波動過程中出現輸出電壓高于穩定后輸出電壓的 情況。

綜上，在電壓變換器領域，準阻抗源的優點遠 大于缺點，故目前準阻抗源電路拓撲具有較高的研 究熱度，且研究深度遠高于傳統斬波電路和傳統阻 抗源電路拓撲。本文將準阻抗源電路拓撲引入傳統 Boost 斬波電路，因此具有較高的研究意義。

1 拓撲結構

圖 1 為引入準阻抗源的 Boost 電壓變換器電 路。輸出本質安全型準阻抗源 Boost 電壓變換器是 在傳統 Boost 斬波電路的基礎上引入準阻抗源電 路。其中，電感器 L1 基于電感電流不能突變的原 理，可以在電路負載端出現短路時，對電流進行 緩沖，降低電流突變對后級負載的沖擊，同時減 少電流反復流經 IGBT 導致的熱量積累，提高在易 燃、易爆場合的安全性。但如果負載端出現斷路， 電感器 L1 兩端會感應出高壓，容易在斷開處形成 電弧，引燃可燃性氣體，所以根據電容兩端電壓不 能突變的原理，在電路中引入一個電容器 C1，用 以吸收突然斷路產生的瞬間高壓，避免在潮濕、易 爆環境中由于高電壓擊穿空氣形成電弧。當負載端 短路時，電容器 C 與 C1 會形成放電路徑，引入一 個二極管，利用二極管的單向導電性，將電容器 C 與 C1 之間的放電路徑阻斷。由電容器 C 和 C1、二 極管 VD 以及電感器 L 組成的電路符合準阻抗源 電路拓撲的結構。最后由電感器 Lf 和電容器 Cf 構 成 LC 濾波電路，將電路工作過程中產生的脈動直 流電進行處理，同時將周圍環境中產生的干擾信號 進行濾除，使得后級負載得到平滑且穩定的直流 電信號。

2 準阻抗源Boost電路建模及電路參數設計

2.1 電感參數設計

使用互補對稱的脈寬調制信號控制兩個 IGBT 開關，在 IGBT 的一個開關周期內，令 D 為開關 S1 的導通占空比，則開關 S2 的導通占空比為 1-D， 且準阻抗源 Boost 變換器電感 L 兩端的電壓有兩 個非零狀態。當 IGBT 開關 S2 導通時，電感兩端 的電壓在 0 V 以上，此時電流呈現上升趨勢。當 IGBT 開關 S2 關閉時，電感 L 兩端電壓在 0 V 以下， 此時電流呈現下降趨勢。

磁鏈的變化量計算公式為：

式 中，Δψ 為 磁 鏈 的 變 化 量，L 為 電 感 的 感 值， ΔIL 為電感中電流變化量，uC1 為電容 C1 兩端電 壓，t 為時間，T 為周期，t+DT 為一個周期后所用 時間。

通過式（1）對本質安全型準阻抗源 Boost 電路中電感元件參數進行設計 [10-11]。 IGBT 開關 S2 導通時，設定本質安全型準阻抗 源 Boost 電路中電容兩端的電壓近似不變，則 ΔIL 計算公式為：

若要使準阻抗源電路網絡中電容器的電壓紋波 符合實際生產要求，需在保留一定安全裕量的同時 兼顧經濟性，實際電容值應為理論計算值的 1.5 ～ 2 倍。

電路運行過程中，準阻抗源部分的電容和電感 應避免進入自激振蕩狀態，故需將實際所取的電感 值和電容值代入式（8）進行檢驗，要求所得頻率 應遠小于 IGBT 的開關頻率，計算后如發現頻率無 法滿足要求，可改變 IGBT 的開關頻率，或在允許 的范圍內重新選擇電容和電感，直至不發生 LC 自 激振蕩的情況，滿足實際生產的設計要求 [13]。

3 仿真及實驗驗證

使 用 MATLAB 中 的 Simulink 模塊對電路進 行電路搭建，仿真元件參數設置為輸入電壓 Ui = 12 V、L1=L2=100 ?H、C1=C2=470 ?F、Lf =10 ?H、 Cf =100 ?F、R=50 Ω、fs=20 kHz、Vi =12 V，IGBT 的通態電阻為 6 mΩ，寄生電容為 50 nF。

由圖 2 可知，當 D=0.2 時，輸出電壓為 28.5 V 左右。當 t 處于 0 ～ 1.2 s 內，輸出電壓稍有波動， 因為剛啟動時，電路中電感電容處于 0 狀態，需要 完成預充電；當 t ≥ 1.2 s 時，電路進入穩定狀態。

如圖 3 所示，對不穩定區放大以后，波形振 動范圍在 0.7 V 以內，在電路初始充電過程中，電路的輸出電壓波動非常小，不會產生瞬間高電 壓或瞬時大電流，符合本質安全型電路的基本 要求。

右，電路在 0.1 s 內已經完成電感和電容預充電， 電路在較快時間內進入穩定狀態，沒有出現電壓反 復波動，克服了傳統準阻抗源電路剛啟動時輸出電 壓反復波動的情況。準阻抗源電路拓撲在啟動過程 中，作用在負載上的輸出電壓會遠高于最終穩定電 壓，這種情況在本文提出的輸出本質安全型準阻抗 源 Boost 電壓變換器中沒有出現。

4 實驗驗證

根 據 MATLAB/Simulink 仿真電路搭建實驗 電路，電路參數設置與仿真電路參數設置相同。 其中，IGBT 由北京落木源電子技術有限公司的 KA962D 驅動板發出驅動信號，脈寬調制信號由以 STM32F103ZET6 為控制核心的開發學習板發出， 舍去電容器和電感器充放電過程中的波形，選取穩 定后波形，分別如圖 5 和圖 6 所示。

輸入電壓為 12 V 時，由圖 5 可知，當 D=0.2 時，實際電路輸出電壓為 26 V 左右。由圖 6 可知， 當 D=0.8 時，實際輸出電壓為 106 V 左右，因電路 中元件選取難免出現誤差，所以與實際結果略有不 同，但是與仿真結果基本相符。

5 結論

（1）本文介紹了一種輸出本質安全型準阻抗源 Boost 變換器電路，是在傳統 Boost 斬波電路的基 礎上，引入準阻抗源電路，提高了調壓能力，增強 了電路的穩定性，提升了電路的安全性。

（2）深入分析計算了準阻抗源電路模塊中電感 器和電容器元件參數的選擇方法。

（3）通過實驗驗證了仿真結果和電路的正確 性，IGBT 采用脈寬調制信號控制，互補導通。

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