（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）buckboost變換器的本質(zhì)安全特性分析及優(yōu)化設(shè)計.pdf

s u b j e c t ：i n t r i n s i e a ls a f e t yb e h a v i o r d e s i g nc o n s i d e r a t i o n s o f b n g k - b o o s tc o n v e r t e r s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i c s & p o w e rd r i v e s n a m e ：z h o n gj i u m i n g i n s t r u c t o r ：l i us h u l i n a b s t r a c t e l e c t r o n i ce q u i p m e n t sa p p l i e di nf l a m m a b l ea n de x p l o s i v ec o n d i t i o n sm u s tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fa n t i - e x p l o s i v e i n t r i n s i c a ls a f e t yi st h eo p t i m a lm e a n sf o ra n t i e x p l o s i v e t h e d i r e c t c u r r e n tp o w e rs u p p l yi so n eo ft h ei m p o r t a n te l e m e n t so ft h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t ， h o w e v e r ，t h ep u b l i s h e da n t i - e x p l o s i v ed i r e c t - c u r r e n tp o w e rs u p p l i e sa r eu s u a l l yl i n e a ro n e s w i t hh u l k i n ga n t i e x p l o s i v es h e l l sa n dl o we f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，i n t r i n s i c a l l ys a f es w i t c h i n g p o w e rs u p p l yw i l lb ec o m p e t i t i v ei nt h ef u t u r e b u c k - b o o s tc o n v e r t e ri so n eo ft h ei m p o r t a n t e l e m e n t so fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , w h i c hc a nr e a l i z es t e p u p ，s t e p - d o w na n dn e g a t i v eo u t p u t v o l t a g ee a s i l y t h ei n t r i n s i c a ls a f e t yp r o p e r t ya n dd e s i g no f b u c k b o o s tc o n v e r t e ri sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r e n e r g yt r a n s m i s s i o nm o d e s ( e t m ) o fb u c k b o o s tc o n v e n e ra r ea n a l y z e dd e e p l y c o m p a r i n gt h em i n i m u mc u r r e n tt h r o u 曲t h ei n d u c t o rw i t ht h eo u t p u tc u r r e n t ，e t mc a nb e d i v i d e di n t ot ot w o t y p e s ，i e ，t h ec o m p l e t ei n d u c t o rs u p p l ym o d e ( c i s m ) a n dt h e i n c o m p l e t ei n d u c t o rs u p p l ym o d e ( i i s m ) t h ec r i t i c a li n d u c t a n c ea n dc r i t i c a lc o n d i t i o na r e d e d u c e d t h ee x p r e s s i o no f o u t p u tr i p p l ev o l t a g ei nv a r i o u so p e r a t i n gm o d ea n dt h em a x i m u m o u t p u tr i p p l ev o l t a g ea r eo b t a i n e d t h ep e a kc u r r e n tt h r o u g hi n d u c t o ri nv a r i o u so p e m t i n gm o d ew i t h i nt h ew h o l eo p e r a t i n g r a n g ei sd e d u c e d t h ei n n e r - i n t r i n s i cs a f e t yo ft h eb u c k - b o o s tc o n v e r t e ri sd e t e r m i n e db y c o m p a r i n gt h em a x i m u mp e a k c u r r e n tt h r o u g ht h ei n d u c t o rw i t ht h em i n i l n u i ni g n i t i o nc u r r e n t t h em a x i m u ms h o r t c i r c u i td i s c h a r g e de n e r g yi nv a r i o u so p e r a t i n gm o d ew i t h i nt h ew h o l e o p e m t i n gr a n g ei sd e d u c e d t h ec r i t e n i o nc h e c k i n gt h eo u t p u ti n t r i n s i cs a f e t yp r o p e r t yo ft h e b u c k - b o o s tc o n v e r t e r si sp r o p o s e d t h em i n i m u mc a p a c i t a n c ei se x p r e s s e db yt h ei n d u c t a n c ea c c o r d i n gt ot h ed e s i r e do u t p u t v o l t a g er i p p l el e v e l t a k i n gt h ed e r i v a t i v e sw i t hr e s p e c tt oi n d u c t a n c eo nt h eo u t p u ts h o r t c i r c u i td i s c h a r g e de n e r g ya n dl e t t i n gt h er e s u l t st ob ez e r o ，t h eo p t i m a lv a l u e so fi n d u c t a n c e a n dc a d a c i t a n c ea r eo b t a i n e dw h i c he n a b l et h eo u t p u ts h o r tc i r c u i td i s c h a r g e de n e r g yo ft h e b u c k - b o o s tc o n v e r t e rt ob em i n i m u r l l t h ed e s i g nr e g i o n so fi n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c ea r eo b t a i n e da c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t so fi n n e r - i n t r i n s i cs a f e t y , o u t p u ti n t r i n s i cs a f e t ya n dt h ed e s i r e do u t p u tv o l t a g e r i p p l el e v e lw i t h i nt h ei n p u tv o l t a g ea n d l o a dr a n g e s p s p i c es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sw e r em a d e p r o t o t y p eo fab u c k - b o o s tc o n v e r t e ri s i m p l a n t e d t h ei n t r i n s i cs a f e t yp r o p e r t yo f t h ep r o t o t y p e i st e s t e dw i t ht h es p a r kt e s ta p p a r a t u s t h es i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n ta n dt e s tr e s u l t sa r e i n p o s i t i v e t ot h ea n a l y s i s s h o w i n gt h e f e a s i b i l i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d s k e yw o r d s ：i n t r i n s i c a l l ys a f ec i r c u i t s b u c k - b o o s td c - d cc o n v e r t e r s o u t p u ti m n s i c a ls a f e t yo p t i m a ld e s i g n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nb a s i s 要料技太學 學位論文獨創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及 其取得研究成果。盡我所知，除了文中加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得西安科技大學 或其他教育機構(gòu)的學位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所 做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：猻乏l r 日期：沙書4 i 孑 學位論文知識產(chǎn)權(quán)聲明書 本人完全了解學校有關(guān)保護知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間 論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬于西安科技大學。學校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或 機構(gòu)送交論文的復印件和電子版。本人允許論文被查閱和借閱。學?？梢詫⒈緦W 位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描 等復制手段保存和匯編本學位論文。同時本人保證，畢業(yè)后結(jié)合學位論文研究課 題再撰寫的文章一律注明作者單位為西安科技大學。 保密論文待解密后適用本聲明。 學位論文作者簽名：瓣欠 f 1 指導教師簽名：象卅矽槲 d 6 年6 耳蜘 l 緒論 1 1 研究的背景及意義 1 緒論 隨著煤炭、化工、石油、天然氣等行業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高及各類監(jiān)測監(jiān)控 系統(tǒng)的推廣應用，這些危險性環(huán)境的用電設(shè)備越來越多、越來越復雜，用電設(shè)備發(fā)生的 漏電、短路、過負荷、電火花等電氣事故，成為這些危險性環(huán)境可燃性氣體或物質(zhì)燃燒 和爆炸的隱患l l 】。所以，以煤炭行業(yè)為例，煤礦安全規(guī)程就規(guī)定：工作于煤礦井下危 險環(huán)境的電氣、電子設(shè)備等電子產(chǎn)品必須滿足防爆要求 h l 。直流電源是電子產(chǎn)品的重 要組成部分也是功率較大的部分，所以電子產(chǎn)品的防爆主要是從電源方面入手。 根據(jù)所采取的防爆措施的不同，可把防爆電氣設(shè)備分為本質(zhì)安全型【5 卅、隔爆型【7 叫 和正壓型 i o - 1 2 等，其中隔爆型和本質(zhì)安全型應用最為廣泛。隔爆型防爆電氣設(shè)備的工作 原理是將設(shè)備在正常運行時，能產(chǎn)生火花、電弧的部件置于隔爆外殼內(nèi)，隔爆外殼能承 受內(nèi)部的爆炸壓力而不致?lián)p壞，并能降低內(nèi)部火花通過間隙傳播時的能量，使其不足以 引爆殼外的氣體，它可靠性較高，但是因采用笨重的隔爆外殼而使體積龐大、應用十分 不方便【7 叫。本質(zhì)安全是指設(shè)備內(nèi)部的電路在規(guī)定的條件下，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均不能點燃爆炸性混合物?？梢姳举|(zhì)安全型電氣設(shè)備從電路 的電氣參數(shù)上保證了防爆，省去了隔爆外殼，具有安全程度最高、體積最小、重量最輕、 攜帶和維護最方便和造價最低廉的五大優(yōu)點【5 堋。因此，本質(zhì)安全型直流電源必將獲得 越來越廣泛的應用，對本質(zhì)安全型直流電源的研究也必將受到越來越廣泛的重視。 目前，我國應用于易燃易爆場合的防爆直流電源多為線性電源。雖然線性直流電源 具有電源穩(wěn)定度及負載穩(wěn)定度高、輸出紋波電壓小、瞬態(tài)響應速度快、線路結(jié)構(gòu)簡單、 便于維修、沒有開關(guān)干擾等優(yōu)點，但存在以下明顯的缺點，不適應煤礦井下等易燃易爆 場合的要求。 ( 1 ) 承受過載和短路的能力差。負載短路或長期過載，容易造成調(diào)整管損壞。由于 調(diào)整管上損耗較大的功率，內(nèi)部溫升較高，這就需要采用大功率調(diào)整管，并裝有體積大 的散熱器，也限制了電源體積進一步縮小。 ( 2 ) 電網(wǎng)適應性差。由于調(diào)整管工作在線性區(qū)，調(diào)整管的功率損耗和溫升隨輸入電 壓和輸出電壓之差的增大而增大，因而不能適應電源電壓變動大的場合。 ( 3 ) 線性穩(wěn)壓電源通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾 波器，因而體積大且笨重。 ( 4 ) 由于線性穩(wěn)壓電源的效率低( 一般只有2 0 4 0 ) ，導致蓄電池的放電效率也 很低，因此選擇蓄電池時要預留很大的容量裕量，體積大，浪費大，成本高。 西安科技大學碩士學位論文 與此相反，開關(guān)穩(wěn)壓電源十分適合煤礦井下等易燃易爆場合，其調(diào)整管工作在開關(guān) 狀態(tài)，工作效率高，可達7 0 9 5 。開關(guān)穩(wěn)壓電源通過調(diào)整開關(guān)管占空比來適應電網(wǎng) 電壓的變化，因此對電網(wǎng)的適應性強。開關(guān)穩(wěn)壓電源采用高頻變壓器，使體積大大減小， 重量大大減輕，特別是v m o s 管、肖特基勢壘二極管等新一代高頻大功率元件的出現(xiàn)， 使開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率向高頻化發(fā)展【l 弘1 9 j ，使得開關(guān)電源濾波效率高，不需要較大 容量的濾波電容。此外，開關(guān)電源電路形式靈活多樣，設(shè)計者可以發(fā)揮各種類型電路的 優(yōu)勢，設(shè)計出能滿足各種不同應用場合的開關(guān)電源。 本質(zhì)安全型開關(guān)電源通過采用新穎的控制技術(shù)、合理的電路設(shè)計和電路參數(shù)的優(yōu)化 選擇，使電源的任一元件和任一支路，在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和 熱效應均不引起周圍可燃性氣體燃燒或爆炸，從而達到防爆的目的。所以，本質(zhì)安全直 流開關(guān)電源具有廣闊的應用前景 本課題將對直流開關(guān)變換器的本質(zhì)安全特性進行深入分析并得出本安型直流開關(guān) 變換器的設(shè)計方法。由于直流開關(guān)變換器的種類繁多，本課題只對b u c k b o o s td c d c 變換器的本質(zhì)安全特性進行分析并給出其設(shè)計方法。 本研究為電力電子與電力傳動學科和安全技術(shù)與安全工程學科的交叉項目，該領(lǐng)域 往往不為研究人員所重視，因此目前的現(xiàn)狀較差。但是該研究對于確保煤礦井下、油庫、 天然氣、化工等易燃易爆環(huán)境下電子設(shè)備安全運行具有重要意義。此外，研究本課題有 助于本質(zhì)安全技術(shù)的推廣應用；有助于開關(guān)電源的應用范圍的擴大。本課題在國外、國 內(nèi)很少有人研究，而它的市場潛力是很大的，因此具有相當?shù)膶W術(shù)意義和經(jīng)濟效益。 1 2 國內(nèi)外發(fā)展趨勢及其研究現(xiàn)狀 煤礦電氣設(shè)備防爆技術(shù)的研究起源于英國和德國，最初的電氣防爆技術(shù)主要依賴于 耐壓防爆外殼。1 9 2 6 年英國制定了b s 2 2 9 標準，1 9 3 3 年德國制定了v d e l 7 1 標準，其 它許多國家也相繼開展相關(guān)工作的研究，他們的成果多反映在各國的防爆電氣標準中。 經(jīng)過國際電工委員會( i e c ) 的電氣防爆技術(shù)委員會( t c 3 1 ) 成員國共同磋商、協(xié)調(diào)， 各種防爆技術(shù)方式現(xiàn)在己編制成i e c 7 9 系列的國際推薦標準【20 1 。 從目前發(fā)展情況來看，國外在工作于普通環(huán)境下的穩(wěn)壓電源研究上發(fā)展迅速，但在 本安防爆穩(wěn)壓電源的研究上與我國基本處于同一水平，在本質(zhì)安全型開關(guān)電源方面也還 處于零星的研發(fā)狀態(tài)，沒有形成批量產(chǎn)品。1 9 8 8 年美國r i c h a r da l e x a n d e r 和d e n n i s k i n d s c h u h 申請了內(nèi)置鎳一鎘電池的本質(zhì)安全電池電路專利【2 ”，該電路包括一個通過開關(guān) 晶體管的小電流通路和一個通過晶閘管的大電流通路，當電路檢測到加載信號后，在上 電之前等待0 5 秒，如果負載未連接好，再等待0 5 秒，這樣就避免了引燃電弧。負載 接好后，電流先通過小電流通路，經(jīng)過o 5 秒的延遲，再觸發(fā)晶閘管，晶閘管為負載提 供大電流通路，過載保護采用一個熱敏開關(guān)與電源并聯(lián)。2 0 0 3 年，美國c l a u d em e r c i e r 申 2 1 緒論 請了本質(zhì)安全通用開關(guān)電源專利 2 2 1 ，其重點是對高頻變壓器的處理一該電源的高頻開關(guān) 變壓器采用由多層p c b 構(gòu)成的平板變壓器。2 0 0 3 年，法國u d o g e d a c h 和 t h o m a s u e h l k e n 從提高本質(zhì)安全電源的輸出功率的角度進行了研究，研制出3 0 w 大功率 隔爆兼本質(zhì)安全電源【2 。 總的說來，國外對本質(zhì)安全理論的研究起步較早也較完整，發(fā)展的早期主要集中于 火花試驗裝置的設(shè)計與評價、電極的電弧放電、各種因素對最小點燃電流的影響、最 小點燃能量的確定和點燃曲線的繪制、電路設(shè)計及評價電路各元件對性能的影響等方 面。后來研究進一步深化，包括補充電感一電容復合電路、減小火花能量、提高電路功 率、火花裝置的改進【l ，2 4 乃j 、本質(zhì)安全系統(tǒng)、安全柵、應用等方面。但同國內(nèi)一樣，研 制的所謂本安電源仍然是屬于隔爆兼本質(zhì)安全型直流電源，所以幾乎無人對本質(zhì)安全開 關(guān)電源的設(shè)計、分析、制作進行深入的研究。 國內(nèi)對本質(zhì)安全理論方面的研究起步較晚，但進展很快，且涉及面廣。如電弧放電 2 6 - - 2 9 ，最小點燃能量計算【3 0 】，火花試驗裝置的改進【3 1 j 2 1 ，對本質(zhì)安全性能的計算機評估 3 3 - - 3 4 1 ，本質(zhì)安全電路的設(shè)計l ，本安實際應用【3 6 l 等。 從七十年代起，我國就開始了本安型穩(wěn)壓電源的研制工作。七十年代末、八十年代 初，國內(nèi)出現(xiàn)了容量較大、電路結(jié)構(gòu)有特色的礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源，如：江 蘇煤礦研究所和徐州無線電二廠共同研制的k d h y 型；煤炭科學研究院唐山分院和山 東無線電廠共同研制的仿英國賽瓦德系統(tǒng)的d y l 型；天津煤礦專用設(shè)備廠研制的z k - i 型；煤炭科學研究院常州自動化研究所研制的y z d y 一2 一1 8 型；煤炭科學研究院唐山分院 研制的k b h d 一1 型等。但是這些電源均為隔爆兼本安型，且都為線性電源1 3 ”。 國內(nèi)將本質(zhì)安全技術(shù)應用到開關(guān)電源的研究始于八十年代末。這類電源一般采用一 個隔離a c d c 變換器和一個d c d c 變換器級聯(lián)構(gòu)成，a c d c 變換器一方面實現(xiàn)交流 到直流的轉(zhuǎn)換，另一方面為蓄電池充電：d c d c 變換器的輸入來自a c d c 變換器的輸 出或蓄電池 3 8 4 0 1 。 九十年代以后，越來越多的研究人員在開展本安開關(guān)電源【3 7 的研究工作，但還處在 經(jīng)驗設(shè)計與校驗相結(jié)合的階段，且仍屬于隔爆兼本安型。 文獻 4 1 對各類型的開關(guān)電源主電路進行了比較，選用單端反激電路研制出本質(zhì)安 全型開關(guān)直流穩(wěn)壓電源，采用的本安措施是給輸出濾波電容串聯(lián)一個小電阻來限制火花 放電的能量。實際上，當電路中的電容不作為濾波元件使用時，可采用電容儲能經(jīng)電阻 放電的方法減小電火花放電能量。當電容并聯(lián)在電源輸出端，作為濾波元件使用時，不 能采用電容串電阻放電的方法。因為用電容做濾波元件，主要利用其阻抗隨頻率增大而 減小的特性，旁路紋波電流，如果電容串聯(lián)了電阻，則相當于增加了電容的等效電阻 e s r ，其濾波效果會大大減小甚至起不到濾波作用。 文獻e 4 2 3 在d c - d c 變換器輸出端增加了一個穩(wěn)壓限流環(huán)節(jié)，限制電容器的短路電流， 3 西安科技大學碩士學位論文 但是同樣會降低轉(zhuǎn)換效率，并且必須采取多重化措施以提高可靠性。 國內(nèi)、外在本質(zhì)安全電路方面的研究已取得了一些基礎(chǔ)性的成果，如火花試驗裝置 的設(shè)計與評價、電極的電弧放電機理、各種因素對最小點燃電流的影響、最小點燃能量 的確定和點燃曲線的繪制、電路設(shè)計及評價電路各元件對本質(zhì)安全性能的影響等方面。 在線性本安電源方面也已經(jīng)有了比較成熟的產(chǎn)品。但在本質(zhì)安全開關(guān)電源方面的研究才 剛剛起步，國內(nèi)、外在這方面研究基本同步，都是處于零星的研發(fā)狀態(tài)，也就是根據(jù)需 要采取一定的措施，使之達到本安要求，沒有批量產(chǎn)品，也沒有形成這方面的理論體系。 文獻 4 3 研制出輸出直流電壓1 8 v ，電流5 0 0 m a 的本質(zhì)安全型直流開關(guān)電源，就是 在開關(guān)電源電路的輸出端加穩(wěn)壓限流環(huán)節(jié)，限流環(huán)節(jié)的目的主要是限制電容短路放電電 流。文獻雖然對本質(zhì)安全開關(guān)電源的設(shè)計提出了幾種思路，例如指出提高工作開關(guān)頻率 可大大減小濾波電感和電容值，有利于提高電源本質(zhì)安全防爆性能，但未對此展開研究， 而是和國內(nèi)其他的研究者一樣從多重化保護角度出發(fā)，來研制出本質(zhì)安全開關(guān)電源。 文獻 4 4 】從最小點燃能量的角度分析了b u c k 變換器的輸出本質(zhì)安全特性。由于僅對 b u c k 變換器輸出本質(zhì)安全特性進行了分析，因此缺乏理論的完整性。 總的說來，已有的本質(zhì)安全開關(guān)電源僅限于輸出本質(zhì)安特性的分析，沒有考慮開關(guān) 電源內(nèi)部電路的本質(zhì)安全性能；目前對本質(zhì)安全直流電源的研究多集中在對保護措施的 研究上，而沒有從開關(guān)電源的主電路元件參數(shù)設(shè)計方面去考慮。 總之，已有的所謂本質(zhì)安全開關(guān)電源實際上都屬于輸出本安型，或隔爆兼本安型， 都需要加笨重的隔爆外殼。目前對本質(zhì)安全開關(guān)電源的研究還沒有形成一個完整的研究 體系，對本質(zhì)安全開關(guān)電源的設(shè)計、生產(chǎn)缺乏必要的理論指導。所以，對本質(zhì)安全開關(guān) 電源的研究的趨勢必然是建立起一個完整的理論體系，使今后的本質(zhì)安全開關(guān)電源的設(shè) 計者有據(jù)可依。 1 3 本論文的主要工作 對b u c k - b o o s t 開關(guān)變換器的工作原理及其能量傳輸模式進行了深入分析，進一步將 c c m 細分為c i s m 和i i s m ，給出了c i s m 與i i s m 的臨界電感，推導出了各種模式下 的紋波電壓表達式，得出了變換器在整個動態(tài)范圍內(nèi)的最大輸出紋波電壓。 分析了b u c k - b o o s t 變換器在不同模式下的峰值電感電流，得出了變換器整個動態(tài)范 圍內(nèi)的電感電流最大值，并將其與最小點燃電流相比較，作為判斷該變換器內(nèi)部本質(zhì)安 全的依據(jù)； 推導了b u c k - b o o s t 變換器在整個動態(tài)范圍內(nèi)的最大輸出短路釋放能量，并將其與最 小點燃能量相比較，得出滿足輸出本質(zhì)安全要求的判斷條件。 對于只需滿足輸出本質(zhì)安全要求的b u c k - b o o s t 變換器，以滿足輸出紋波電壓為邊界 條件，得出變換器在整個工作范圍內(nèi)使其最大輸出短路釋放能量最小的電感、電容最優(yōu) 4 l 緒論 設(shè)計值。 提出了本質(zhì)安全型b u c k b o o s t 變換器的電感、電容參數(shù)設(shè)計方法：以變換器使輸出 紋波電壓的極大值最小并滿足內(nèi)部本質(zhì)安全要求為邊界條件得出電感的設(shè)計范圍、以變 換器同時滿足輸出紋波電壓要求和輸出本質(zhì)安全要求為邊界條件得出電容的設(shè)計范圍， 從而得出滿足變換器電氣指標及本質(zhì)安全性能要求的電感、電容值設(shè)計范圍。 運用p s p i c e 對推導理論進行了仿真驗證。研制了b u c k b o o s t 變換器樣機對理論推 導進行了實驗驗證：運用火花實驗裝置對樣機的本質(zhì)安全性能進行了模擬測試；仿真、 實驗和測試結(jié)果論證了理論分析的正確性和設(shè)計方法的可行性。 5 西安科技大學碩士學位論文 2b u c k - b o o s t 變換器的特性分析 b u c k b o o s t 變換器作為最基本的d c d c 變換器之一，其輸出電壓極性與輸入相反， 且可方便地實現(xiàn)升壓或降壓輸出，因此，在各種智能傳感設(shè)備、檢測監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣 泛應用。但目前對b u c k - b o o s t 變換器的研究多集中在功率因數(shù)校正( p f c ) 和新型控制 方式的研究 4 5 4 5 2 1 ，如各種非線性魯棒控制技術(shù)的仿真與研究。而對b u c k - b o o s t 變換器 的能量傳輸模式和極限特性參數(shù)進行深入分析的報道甚少。 本章將從b u c k - b o o s t 變換器的基本工作原理入手，對其能量傳輸模式、輸出紋波 電壓和電感峰值電流進行深入分析，將b u c k b o o s t 變換器劃分成三種工作模式，推導出 變換器在整個動態(tài)工作范圍內(nèi)的輸出紋波電壓最大值和電感電流最大值，并對相關(guān)結(jié)論 進行p s p i c e 仿真和實驗驗證。 2 1b u c k - b o o s t 變換器工作原理 b u c k - b o o s t d c d c 變換器的主電路結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。 + 圖2 1b u c k b o o s td c - d c 變換器的主電路圖 在圖2 1 中，吒為輸入電壓、為輸出電壓、島為輸出電流、s 為開關(guān)管、l 為儲 能電感、屯為流過電感的電流、d 為續(xù)流二極管、c 為輸出濾波電容、r l 為負載電阻。 設(shè)開關(guān)周期為r ，導通時間為丁撕，則開關(guān)頻率廠_ j ，l 開關(guān)導通比d = z f d 丁。 當開關(guān)管s 導通時，續(xù)流二極管d 承受反向偏置而截止，流過電感的電流f l 線性 增加，儲能電感l(wèi) 將電能轉(zhuǎn)換成磁能儲存在電感l(wèi) 中，此時，負載由輸出濾波電容c 供電；當開關(guān)管s 斷開時，續(xù)流二極管d 導通，儲能電感l(wèi) 釋放能量，流過電感的電 流i l 線性減小，在減小到b 之前，電感電流一部分給負載供電，一部分給電容充電； 減小到小于島后，電容進入放電狀態(tài)，負載由電感和電容共同供電，以維持輸出電壓和 輸出電流不變。 如果在開關(guān)管s 斷開期間，流過電感的電流i l 線性減小到零時下一個開通周期還沒 有到來，則會出現(xiàn)電感電流斷續(xù)的狀態(tài)。根據(jù)電感電流是否出現(xiàn)斷續(xù)將電路的工作方式 6 2b u c k - b o o s t 變換器的特性分析 分為連續(xù)導電模式( c c m ) 和不連續(xù)導電模式( d c m ) 【5 3 】。 根據(jù)文獻 5 3 】，當b u c k - b o o s td c - d c 變換器工作在c c m 模式時，變換器輸出、輸 入電壓增益為 肘：魚：旦 1 一d 其中d 為開關(guān)周期導通占空比，由上式可得 d ：旦 以+ 2 2b u c k b o o s t 變換器的能量傳輸模式 2 2 1 概述 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 由于b u c k - b o o s t 變換器的電感在開關(guān)導通時位于變換器的輸入端，而在開關(guān)關(guān)斷 時位于變換器的輸出端，因此使得電感能量從輸入端到輸出端的傳輸過程變得比較復 雜，但有關(guān)其電感能量傳輸機理分析的報道甚少。實際上弄清楚變換器的能量傳輸模式 及其與電路元件參數(shù)和變換器性能指標的關(guān)系，就可從變換器的設(shè)計和元件的選擇上， 進一步提高變換器的性能。 在分析b u c k - b o o s t 變換器的原理和特性時，通常將其工作模式分為連續(xù)導電模式 ( c c m ) 和不連續(xù)導電模式( d c m ) ，并認為在c c m 模式下，b u c k - b o o s t 變換器的輸 出紋波電壓與電感無關(guān)，但實驗表明：連續(xù)導電模式( c c m ) 下，b u c k b o o s t 變換器 的輸出紋波電壓在一定條件下確實與電感無關(guān)，但是在有些情形下，b u c k b o o s t 變換器 的輸出紋波電壓與電感的取值有密切關(guān)系。本節(jié)在探索上述現(xiàn)象原因的基礎(chǔ)上，對 b u c k - b o o s t 變換器的能量傳輸模式及其特性進行深入研究。 根據(jù)b u c k b o o s t 變換器工作原理可知：當b u c k - b o o s t 變換器的開關(guān)s 處于導通狀 態(tài)時，電源給電感充電，電感存儲能量，電容放電向負載提供能量，此時的能量的傳輸 較簡單。但是當開關(guān)關(guān)斷后，能量的傳輸過程則要復雜得多，電感、電容和負載三者之 間的能量傳輸與電感的大小密切相關(guān)，存在一個臨界電感c ，當l l c 時，變換器工作于c c m 。下面對變換器工作于這兩種模式下，開關(guān) 關(guān)斷后的能量傳輸過程進行深入分析。 2 2 2d c m 下的能量傳輸過程 當變換器工作于d c m 時，電感電流及電容電壓波形如圖2 2 所示 7 望童翌墊壟蘭堡主堂堡堡查 f f 圖2 2d c m 下b u c k - b o o s t 變換器電感電流和電容電壓波形 據(jù)此可將變換器開關(guān)在f - 時刻關(guān)斷后的能量傳輸過程分成三個階段： 第一階段( l 也) ：本階段為電感供能階段，其等效電路如圖2 3 ( a ) 所示。此時，電 感電流l 大于輸出電流如，電感不僅向負載供能，同時還給電容充電，電容電壓上升。 這一階段一直持續(xù)到t 2 時刻電感電流線性下降到屯= 南，此過程經(jīng)歷的時間為t 2 - f 1 。 圖2 3b u c k - b o o s t 變換器不同階段的等效電路 第二階段( f 2 一f 2 。) ：當電感電流i l 南時稱為電感完全供能模式( c i s m ) ：而當i l v i o ，所以開關(guān)關(guān)斷期間，電感不僅向負載供 能，同時還給電容充電，其等效電路如圖2 3 ( a ) 所示：電感電流和電容電壓波形如圖2 4 ( a ) 所示。 f t t b ) 圖2 4c c mb u c k - b o o s t 變換器的電感電流和電容電壓波形 t 電感和電容共同供能模式( i i s m ) ：此時i l v l o ，電感不 僅向負載供能，同時還給電容充電，電容電壓上升，如圖2 4 c o ) 所示的t l 一1 2 段。第二階 段為電感和電容同時向負載提供能量階段，其等效電路如圖2 3 c o ) 所示，此時i u i o 時處于第一階段即電感供能階段，此時，電感不僅向負載供能，同時 還給電容充電，電容電壓上升。當i l l c 時，變換器工作在c c m ；當l l c c 時，變換器在整個動態(tài)范圍內(nèi)均工作在c c m 模式，對應圖2 5 曲線a 的 情形；當l l c a 時，變換器在其整個動態(tài)范圍內(nèi)均工作在d c m 模式，對應圖2 5 曲線 d 的情形；當k a 三c c 時，變換器一部分區(qū)域工作c c m ，一部分區(qū)域工作在d c m ， 對應圖2 5 藍線b 或c 的情形； 根據(jù)式( 2 3 ) 可得c c m 與d c m 的臨界負載電阻r u z 為 1 0 顯然，最小臨界負載電阻為 = 墅 ( 2 5 ) r l c , m i n = 燮警型 ( 2 。) ，巾a ) 【 根據(jù)圖2 5 可知：當r l k 時，b u c k - b o o s t 變換器工作在完全電感供能模式( c i s m ) ，當電感 k 時，變換器工作在電感和電容共同供能模式( i i s m ) 。 比較式( 2 1 0 ) 和式( 2 _ 3 ) ，可得： k = 了l c ( 2 1 1 ) 由于d l c ( 2 1 2 ) 因此，工作于c c m 的b u c k b o o s t 變換器既有可能工作于c i s m 又有可能工作于 i i s m ：而工作于d c m 的b u c k b o o s t 變換器只有可能工作于i i s m 。 可見，b u c k b o o s t 變換器的工作模式有三種：c c m c i s m 、c c m i i s m 和d c m ， 而并非傳統(tǒng)的c c m 和d c m 兩種模式。 2 4 工作模式與輸出紋波電壓 輸出紋波電壓是直流穩(wěn)壓電源的重要指標之一，輸出紋波電壓的分析對電感和輸出 濾波電容的設(shè)計具有重要的指導意義，因此，下面將對不同模式下的紋波電壓進行深入 討論和分析。 2 4 1c c m - c i s m 下的輸出紋波電壓 b u c k - b o o s t 變換器工作在c c m c i s m 模式時，其電感電流和電容電壓波形如圖 2 4 ( a ) 所示。此時的輸出紋波電壓。僅由開關(guān)導通期間( t o h 段) 電容電壓的下降幅度 確定，而與電感無關(guān)，即有 = 孕= 等= 贏 其中，t 為開關(guān)周期，c 為輸出電容?？梢姡谳斎腚妷?、負載電阻一定的情況下，電 容越大、頻率越高，輸出電壓紋波就越小。 2 4 2c c m i i s m 下的輸出紋波電壓 b u c k - b o o s t 變換器工作在c c m i i s m 模式時，其電感電流和電容電壓波形如2 4 ( b ) 所示。此時的輸出紋波電壓：由開關(guān)關(guān)斷期間( h t 2 段) ，電容電壓的上升幅度確定。 開關(guān)關(guān)斷后，令f 1 = 0 ，則電容的充電電流為 i c ( t ) = 屯( f ) 一i o = o 一粵f 一厶( 2 1 4 ) 若令i 。( f ) = 0 ，即t ( f ) = i o ，則可得出給電容充電的時間a t 為 f _ f 2 - f 1 ：掣 ( 2 1 5 ) ，o 輸出電壓( 電容上的電壓) 紋波為 = 吉f 2 i c ( f ) 出= 吉n 毋( 2 1 6 ) 將式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 6 ) ，并考慮到式( 2 7 ) ，可得出 1 2 2b u c k - b 0 0 s t 必狹崳白寸特性分析 2 等c 魯+ 蒜，2 口切 可見，此時的輸出紋波電壓不僅與電容有關(guān)，而且還與電感有關(guān)。式( 2 1 7 ) 對 求導可得 型0 l 2 瓦g o 雨g o + 麗麗- 麗v o 一】 ( 2 1 8 ) 2 c 。吃kz 白r ( k + ) 。1 屯k 2 丘廠( + ) 。 。 令式( 2 1 8 ) 等于零可得 =羔2jvog o = 巡2 f a = 工。 ( 2 1 9 )l 一一l vz j ，l ( k +) 、7 將式( 2 1 8 ) 對再求導可得 掣l = 研l(wèi) 焉3 可如 口z a 24 c 廠2 限+ 以) 2 綜合式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 運用數(shù)學知識可知：當電感l(wèi) l k 時，旦等立 0 ， d l 因此，紋波電壓：在l c l l c 將式( 2 2 9 ) 再對三求偏導數(shù)，可得 ( 2 3 1 ) ( 2 3 3 ) 夏也矗面 ； 勺 m p 一 墜睨 鏟一 2b u c k b o o s t 變換器的特性分析 綜合式( 2 3 0 ) 、( 2 3 1 ) 、( 2 3 2 ) 和( 2 3 3 ) ，由數(shù)學知識可知：當電感l(wèi) l 。時， 輸出紋波電壓砟，隨電感的增大而減小。由前文2 3 節(jié)分析可知：d c m 模式下電感取值 必滿足三 茄燾j 訪( 2 3 8 )2 ( 。+ ) 根據(jù)式( 2 1 3 ) ：該模式下的最大輸出紋波電壓在一= 一。，r 。= r l , 。時取得，即 1 7 西安科技大學碩士學位論文 = 瓦歷瓦v o 萬j z ) ( 2 ) 整個工作范圍內(nèi)，變換器工作在c c m i i s m 模式下的最大紋波電壓。 若變換器在整個工作范圍內(nèi)均處于c c m i i s m 模式，則此時電感應滿足 l c c l “，由式( 2 3 ) 、( 2 1 0 ) 可知 2 f 壘( v , ! v 竺。, 竺+ v o ) 2 0 代入式( 2 4 3 ) 顯然有： 2 ，f 礦一+ n 1 一一 雩孑 0 ，而根據(jù)式( 2 4 5 ) 有 見& m 掣v，珂，所以有x ： 壓氈，因此 該模式下整個范圍內(nèi) i , m i n y q 恒有f ( x ) 。，即雩篆字 f ( 一) ，即 瓦v o + 贏v i m i n v o + 蕊v i c m x 蘭= 專 s s ， 。，。m + 舌。+ 嚏。 ”7 將式( 2 5 3 ) 代入式( 2 5 1 ) 可得： 。 巷筠 仁s 4 ， 當變換器工作在i i s m d c m ，即圖2 9 中e b c d f 區(qū)域內(nèi)時 根據(jù)前文2 4 3 節(jié)分析可知：e b c d f 區(qū)域內(nèi)變換器的最大輸出紋波電壓為 。= 瓦t r oc 嚴叫2 億s s ， 將= 三血= 乏焉齋2 代入式c z s s ，得 一老器 億s s ， 帆一一面瓦= 瓦= 萬了 怛。6 ) 比較式( 2 5 4 ) 與( 2 5 6 ) ，顯然 v m , c ，m “ 巧p d 。 綜合以上、分析可知：在滿足一部分區(qū)域工作在c c m 、 的前提下，變換器在整個動態(tài)范圍內(nèi)的最大輸出紋波電壓為 ( 2 5 7 ) 部分區(qū)域工作在d c m 。2 ，2 面l v 蓋ot i v o + 面r 誦l m i n v m i n 2 縱上分析可知：在此情形下，當= ，曲、r = r 。i n ( 圖2 9 中a 點) 變換器工 2 l 西安科技大學碩士學位論文 作在c c m i i s m 時( 即變換器在整個范圍內(nèi)均處于c c m i i s m ) ，變換器的輸出紋波電 壓值最大，且該最大值在a 點取得。 2 6b u c k b o o s t 變換器的最大電感電流分析 最大電感電流的分析是設(shè)計儲能電感的重要依據(jù)，尤其是對于具有特殊要求，如用 于煤礦井下等易燃易爆場合電源的電感設(shè)計意義更為重大，而傳統(tǒng)理論對b u c k b o o s t 變換器的峰值電感電流未深入研究。 在b u c k 。b o o s td c d c 變換器的整個動態(tài)工作范圍內(nèi)，流過電感的最大電流等于最 大的電感峰值電流。在整個工作范圍內(nèi)，變換器有可能一部分區(qū)域工作在c c m 模式一 部分在d c m 模式，也可能在其整個工作范圍內(nèi)都工作在c c m 或d c m 模式下，下面對 不同情形下的最大電感峰值電流進行深入分析。 ( 1 ) 整個動態(tài)范圍工作在c c m 時的情況。 在c c m 模式下，當開關(guān)s 導通時，通過電感的電流i l 近似線性增加。到達穩(wěn)態(tài)時， 電感上的最大電流，即c c m 模式下的電感峰值電流，l 尸，為 l2 ，+ 寺吒 ( 2 5 9 ) 其中五為電感平均電流，為開關(guān)管s 截止( 導通) 期間電感電流總的變化量，則有 虬2 半碭( 2 6 0 ) 根據(jù)電荷守恒定律：儲能電感在開關(guān)管s 關(guān)斷期間所釋放的電荷總量等于負載在一 個周期內(nèi)所獲得的電