鄒本杰 徐飛

摘要：提出一種輸出本質(zhì)安全型準(zhǔn)阻抗源 Boost 電壓變換器，介紹了其電路的基本組成，分析了準(zhǔn)阻抗源 網(wǎng)絡(luò)中電感器和電容器的元件選型。該電路由準(zhǔn)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(hào)為脈寬調(diào)制波。使用 MATLAB/Simulink 完成電路仿 真，在仿真基礎(chǔ)上搭建實(shí)物實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真及電路的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)阻抗源；本質(zhì)安全；Boost；斬波；脈寬調(diào)制

中圖分類號(hào)：TM402文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著煤礦、石油、天然氣等石化行業(yè)自動(dòng)化、 機(jī)械化和智能化程度的提升及各種智能監(jiān)控設(shè)備的 使用，危險(xiǎn)工作現(xiàn)場(chǎng)的用電設(shè)備日漸復(fù)雜。在危 險(xiǎn)工作環(huán)境中，用電設(shè)備發(fā)生的漏電、短路、過(guò) 負(fù)載、電弧等是可燃性物質(zhì)燃燒和爆炸的潛在隱 患 [1]。因此，應(yīng)用在這類易燃、易爆環(huán)境的鍵控系 統(tǒng)或其他用電設(shè)備，必須滿足本質(zhì)安全的要求 [2-4]。 在使用本質(zhì)安全型電子電氣設(shè)備的過(guò)程中，對(duì)電源 的安全性要求非常高，本質(zhì)安全型電源是保證系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的重要環(huán)節(jié) [5]，其中，以脈寬調(diào)制為 控制信號(hào)的開(kāi)關(guān)電源在危險(xiǎn)工作環(huán)境中應(yīng)用前景廣 闊，脈寬調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生非常簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且 安全性和可調(diào)性高。Boost 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 [6]、容易 實(shí)現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于礦井及類似具有危險(xiǎn)性的低壓場(chǎng) 合 [7]，故本文提出一種基于準(zhǔn)阻抗源的輸出本質(zhì)安 全型 Boost 電壓變換器。

在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，基于準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)的輸出本 質(zhì)安全型電路結(jié)構(gòu)主要由 3 個(gè)部分構(gòu)成。第 1 部分 是礦井的輸入電壓模塊，實(shí)際工作環(huán)境輸入電壓為 交流電信號(hào)。第 2 部分外部由防爆、防塵、防水、 隔離外殼包裹；內(nèi)部由開(kāi)關(guān)電源、準(zhǔn)阻抗源電路網(wǎng) 絡(luò)以及起保護(hù)作用的電路模塊構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源可以 實(shí)現(xiàn)整流、電壓調(diào)整、波形處理等任務(wù)；準(zhǔn)阻抗源 電路可以對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出的電壓進(jìn)行二次調(diào)整，例 如，增加輸出電壓的調(diào)節(jié)寬度和提高輸出電壓的安 全性；保護(hù)電路模塊集成安全柵，進(jìn)一步提升設(shè)備 在礦井等危險(xiǎn)環(huán)境中的安全性。第 3 部分為輸出模塊，對(duì)外界危險(xiǎn)環(huán)境提供電壓。在整套本質(zhì)安全型 電路中，以第 2 部分為核心，本文提出的輸出本質(zhì) 安全型準(zhǔn)阻抗源 Boost 電壓變換器屬于第 2 部分。

阻抗源電路拓?fù)渚哂姓{(diào)壓能力較強(qiáng)、可調(diào)節(jié)性 好的特點(diǎn) [8]，但是在需要更寬調(diào)壓范圍的場(chǎng)合，阻 抗源難以實(shí)現(xiàn)，且電路拓?fù)渲须娙莸碾妷簯?yīng)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?fù)鋬?yōu)點(diǎn)的同時(shí)，提出了準(zhǔn)阻抗源電路拓 撲 [9]。準(zhǔn)阻抗源電路拓?fù)渑c阻抗源電路拓?fù)涫褂孟?同的控制信號(hào)，均為脈寬調(diào)制信號(hào)，但是準(zhǔn)阻抗 源電路拓?fù)渚哂懈鼘挼恼{(diào)壓范圍和更低的電容電 壓應(yīng)力。同時(shí)，電路元器件的數(shù)量和阻抗源電路拓 撲基本相同，缺點(diǎn)是輸出電壓在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前 會(huì)出現(xiàn)反復(fù)多次波動(dòng)，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(chǔ)能元件，導(dǎo)致 波動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)輸出電壓高于穩(wěn)定后輸出電壓的 情況。

綜上，在電壓變換器領(lǐng)域，準(zhǔn)阻抗源的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn) 大于缺點(diǎn)，故目前準(zhǔn)阻抗源電路拓?fù)渚哂休^高的研 究熱度，且研究深度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)斬波電路和傳統(tǒng)阻 抗源電路拓?fù)?。本文將?zhǔn)阻抗源電路拓?fù)湟雮鹘y(tǒng) Boost 斬波電路，因此具有較高的研究意義。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖 1 為引入準(zhǔn)阻抗源的 Boost 電壓變換器電 路。輸出本質(zhì)安全型準(zhǔn)阻抗源 Boost 電壓變換器是 在傳統(tǒng) Boost 斬波電路的基礎(chǔ)上引入準(zhǔn)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(fù)載端出現(xiàn)短路時(shí)，對(duì)電流進(jìn)行 緩沖，降低電流突變對(duì)后級(jí)負(fù)載的沖擊，同時(shí)減 少電流反復(fù)流經(jīng) IGBT 導(dǎo)致的熱量積累，提高在易 燃、易爆場(chǎng)合的安全性。但如果負(fù)載端出現(xiàn)斷路， 電感器 L1 兩端會(huì)感應(yīng)出高壓，容易在斷開(kāi)處形成 電弧，引燃可燃性氣體，所以根據(jù)電容兩端電壓不 能突變的原理，在電路中引入一個(gè)電容器 C1，用 以吸收突然斷路產(chǎn)生的瞬間高壓，避免在潮濕、易 爆環(huán)境中由于高電壓擊穿空氣形成電弧。當(dāng)負(fù)載端 短路時(shí)，電容器 C 與 C1 會(huì)形成放電路徑，引入一 個(gè)二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦?，將電容?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(zhǔn)阻抗源 電路拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。最后由電感器 Lf 和電容器 Cf 構(gòu) 成 LC 濾波電路，將電路工作過(guò)程中產(chǎn)生的脈動(dòng)直 流電進(jìn)行處理，同時(shí)將周圍環(huán)境中產(chǎn)生的干擾信號(hào) 進(jìn)行濾除，使得后級(jí)負(fù)載得到平滑且穩(wěn)定的直流 電信號(hào)。

2 準(zhǔn)阻抗源Boost電路建模及電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 電感參數(shù)設(shè)計(jì)

使用互補(bǔ)對(duì)稱的脈寬調(diào)制信號(hào)控制兩個(gè) IGBT 開(kāi)關(guān)，在 IGBT 的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，令 D 為開(kāi)關(guān) S1 的導(dǎo)通占空比，則開(kāi)關(guān) S2 的導(dǎo)通占空比為 1-D， 且準(zhǔn)阻抗源 Boost 變換器電感 L 兩端的電壓有兩 個(gè)非零狀態(tài)。當(dāng) IGBT 開(kāi)關(guān) S2 導(dǎo)通時(shí)，電感兩端 的電壓在 0 V 以上，此時(shí)電流呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng) IGBT 開(kāi)關(guān) S2 關(guān)閉時(shí)，電感 L 兩端電壓在 0 V 以下， 此時(shí)電流呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

磁鏈的變化量計(jì)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(shí)間，T 為周期，t+DT 為一個(gè)周期后所用 時(shí)間。

通過(guò)式（1）對(duì)本質(zhì)安全型準(zhǔn)阻抗源 Boost 電路中電感元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì) [10-11]。 IGBT 開(kāi)關(guān) S2 導(dǎo)通時(shí)，設(shè)定本質(zhì)安全型準(zhǔn)阻抗 源 Boost 電路中電容兩端的電壓近似不變，則 ΔIL 計(jì)算公式為：

若要使準(zhǔn)阻抗源電路網(wǎng)絡(luò)中電容器的電壓紋波 符合實(shí)際生產(chǎn)要求，需在保留一定安全裕量的同時(shí) 兼顧經(jīng)濟(jì)性，實(shí)際電容值應(yīng)為理論計(jì)算值的 1.5 ～ 2 倍。

電路運(yùn)行過(guò)程中，準(zhǔn)阻抗源部分的電容和電感 應(yīng)避免進(jìn)入自激振蕩狀態(tài)，故需將實(shí)際所取的電感 值和電容值代入式（8）進(jìn)行檢驗(yàn)，要求所得頻率 應(yīng)遠(yuǎn)小于 IGBT 的開(kāi)關(guān)頻率，計(jì)算后如發(fā)現(xiàn)頻率無(wú) 法滿足要求，可改變 IGBT 的開(kāi)關(guān)頻率，或在允許 的范圍內(nèi)重新選擇電容和電感，直至不發(fā)生 LC 自 激振蕩的情況，滿足實(shí)際生產(chǎn)的設(shè)計(jì)要求 [13]。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使 用 MATLAB 中 的 Simulink 模塊對(duì)電路進(jìn) 行電路搭建，仿真元件參數(shù)設(shè)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(tài)電阻為 6 mΩ，寄生電容為 50 nF。

由圖 2 可知，當(dāng) D=0.2 時(shí)，輸出電壓為 28.5 V 左右。當(dāng) t 處于 0 ～ 1.2 s 內(nèi)，輸出電壓稍有波動(dòng)， 因?yàn)閯倖?dòng)時(shí)，電路中電感電容處于 0 狀態(tài)，需要 完成預(yù)充電；當(dāng) t ≥ 1.2 s 時(shí)，電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

如圖 3 所示，對(duì)不穩(wěn)定區(qū)放大以后，波形振 動(dòng)范圍在 0.7 V 以內(nèi)，在電路初始充電過(guò)程中，電路的輸出電壓波動(dòng)非常小，不會(huì)產(chǎn)生瞬間高電 壓或瞬時(shí)大電流，符合本質(zhì)安全型電路的基本 要求。

右，電路在 0.1 s 內(nèi)已經(jīng)完成電感和電容預(yù)充電， 電路在較快時(shí)間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)電壓反 復(fù)波動(dòng)，克服了傳統(tǒng)準(zhǔn)阻抗源電路剛啟動(dòng)時(shí)輸出電 壓反復(fù)波動(dòng)的情況。準(zhǔn)阻抗源電路拓?fù)湓趩?dòng)過(guò)程 中，作用在負(fù)載上的輸出電壓會(huì)遠(yuǎn)高于最終穩(wěn)定電 壓，這種情況在本文提出的輸出本質(zhì)安全型準(zhǔn)阻抗 源 Boost 電壓變換器中沒(méi)有出現(xiàn)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根 據(jù) MATLAB/Simulink 仿真電路搭建實(shí)驗(yàn) 電路，電路參數(shù)設(shè)置與仿真電路參數(shù)設(shè)置相同。 其中，IGBT 由北京落木源電子技術(shù)有限公司的 KA962D 驅(qū)動(dòng)板發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，脈寬調(diào)制信號(hào)由以 STM32F103ZET6 為控制核心的開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)板發(fā)出， 舍去電容器和電感器充放電過(guò)程中的波形，選取穩(wěn) 定后波形，分別如圖 5 和圖 6 所示。

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

5 結(jié)論

（1）本文介紹了一種輸出本質(zhì)安全型準(zhǔn)阻抗源 Boost 變換器電路，是在傳統(tǒng) Boost 斬波電路的基 礎(chǔ)上，引入準(zhǔn)阻抗源電路，提高了調(diào)壓能力，增強(qiáng) 了電路的穩(wěn)定性，提升了電路的安全性。

（2）深入分析計(jì)算了準(zhǔn)阻抗源電路模塊中電感 器和電容器元件參數(shù)的選擇方法。

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果和電路的正確 性，IGBT 采用脈寬調(diào)制信號(hào)控制，互補(bǔ)導(dǎo)通。

參考文獻(xiàn)

[1] 程紅，高巧梅，馬睿，等 . 輸出本質(zhì)安全型準(zhǔn) Z 源 Buck 變換器的設(shè)計(jì) [J]. 煤炭工程，2013，45（10）：122-124.

[2] 李達(dá)，范新媛 . 本安防爆系統(tǒng)綜述 [J]. 石油化工自動(dòng) 化，2000（6）：8-10.

[3] ADAMS J M. Electrical apparatus for flammable atmospheres[J]. Power engineering journal， 1990，4（1）：57-60.

[4] MERCIER C . Intrinsically safe universal switching power supply： US 20020154520A1[P/ OL]. 2002-10-24[2023-12-15]. https：//www. freepatentsonline.com/y2002/0154520.html.

[5] 房緒鵬，秦明，胡秋蘭，等 . 一種基于 LT4363 的本安 電路 [J]. 煤礦安全，2017，48（10）：111-113，117.

[6] 李鵬飛，蔣贏，陳宗祥，等 . 一種新型 Boost 變換器 [J]. 電力電子技術(shù)，2008，42（11）：37-39.

[7] 房緒鵬，郭久紅，馬伯龍，等 . 新型 DC-DC 變換器 在礦井供電中的應(yīng)用 [J]. 煤炭技術(shù)，2017，36（8）： 203-205.

[8] 王利民，錢(qián)照明，彭方正 . Z 源升壓變換器 [J]. 電氣 傳動(dòng)，2006（1）：28-29，32.

[9] ANDERSON J，PENG F Z . Four quasi[1]Z-source inverters[C]// 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference，Rhodes， Greece：IEEE，2008：2743-2749.

[10] 丁新平 . Z- 源變流器關(guān)鍵技術(shù)的研究 [D]. 杭州：浙 江大學(xué)，2007.

[11] 孫瑞賡 . 基于 Z 源逆變器的高壓電源研究和設(shè)計(jì) [D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[12] 夏鯤，曾彥能，葛越，等 . 準(zhǔn) Z 源升壓變換器的軟 開(kāi)關(guān)技術(shù)仿真研究 [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2015，27 （3）：656-661.

[13] 劉勝杰，吳苓芝 . 一種準(zhǔn) Z- 源 DC-DC 變流器的研 究 [J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（17）：33-36.