输出本质安全型准阻抗源Boost电压变换器设计

邹本杰 徐飞

摘要：提出一种输出本质安全型准阻抗源 Boost 电压变换器，介绍了其电路的基本组成，分析了准阻抗源 网络中电感器和电容器的元件选型。该电路由准阻抗源电路和 Boost 斩波电路组成，然后连接电感电容 （inductance and capacitance，LC）滤波电路，控制信号为脉宽调制波。使用 MATLAB/Simulink 完成电路仿 真，在仿真基础上搭建实物实验电路，实验结果验证了仿真及电路的正确性和可行性。

关键词：准阻抗源；本质安全；Boost；斩波；脉宽调制

中图分类号：TM402文献标识码：A

0 引言

随着煤矿、石油、天然气等石化行业自动化、 机械化和智能化程度的提升及各种智能监控设备的 使用，危险工作现场的用电设备日渐复杂。在危 险工作环境中，用电设备发生的漏电、短路、过 负载、电弧等是可燃性物质燃烧和爆炸的潜在隐 患 [1]。因此，应用在这类易燃、易爆环境的键控系 统或其他用电设备，必须满足本质安全的要求 [2-4]。 在使用本质安全型电子电气设备的过程中，对电源 的安全性要求非常高，本质安全型电源是保证系统 实现本质安全的重要环节 [5]，其中，以脉宽调制为 控制信号的开关电源在危险工作环境中应用前景广 阔，脉宽调制信号的产生非常简单，易于实现，且 安全性和可调性高。Boost 电路结构简单 [6]、容易 实现，广泛应用于矿井及类似具有危险性的低压场 合 [7]，故本文提出一种基于准阻抗源的输出本质安 全型 Boost 电压变换器。

在实际生产现场，基于准阻抗源网络的输出本 质安全型电路结构主要由 3 个部分构成。第 1 部分 是矿井的输入电压模块，实际工作环境输入电压为 交流电信号。第 2 部分外部由防爆、防尘、防水、 隔离外壳包裹；内部由开关电源、准阻抗源电路网 络以及起保护作用的电路模块构成。开关电源可以 实现整流、电压调整、波形处理等任务；准阻抗源 电路可以对开关电源输出的电压进行二次调整，例 如，增加输出电压的调节宽度和提高输出电压的安 全性；保护电路模块集成安全栅，进一步提升设备 在矿井等危险环境中的安全性。第 3 部分为输出模块，对外界危险环境提供电压。在整套本质安全型 电路中，以第 2 部分为核心，本文提出的输出本质 安全型准阻抗源 Boost 电压变换器属于第 2 部分。

阻抗源电路拓扑具有调压能力较强、可调节性 好的特点 [8]，但是在需要更宽调压范围的场合，阻 抗源难以实现，且电路拓撲中电容的电压应力较 大。为克服阻抗源电路存在的缺陷，在保留了阻抗 源电路拓扑优点的同时，提出了准阻抗源电路拓 扑 [9]。准阻抗源电路拓扑与阻抗源电路拓扑使用相 同的控制信号，均为脉宽调制信号，但是准阻抗 源电路拓扑具有更宽的调压范围和更低的电容电 压应力。同时，电路元器件的数量和阻抗源电路拓 扑基本相同，缺点是输出电压在达到稳定状态前 会出现反复多次波动，且由于电路中存在电感器、 电容器、二极管和绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）等储能元件，导致 波动过程中出现输出电压高于稳定后输出电压的 情况。

综上，在电压变换器领域，准阻抗源的优点远 大于缺点，故目前准阻抗源电路拓扑具有较高的研 究热度，且研究深度远高于传统斩波电路和传统阻 抗源电路拓扑。本文将准阻抗源电路拓扑引入传统 Boost 斩波电路，因此具有较高的研究意义。

1 拓扑结构

图 1 为引入准阻抗源的 Boost 电压变换器电 路。输出本质安全型准阻抗源 Boost 电压变换器是 在传统 Boost 斩波电路的基础上引入准阻抗源电 路。其中，电感器 L1 基于电感电流不能突变的原 理，可以在电路负载端出现短路时，对电流进行 缓冲，降低电流突变对后级负载的冲击，同时减 少电流反复流经 IGBT 导致的热量积累，提高在易 燃、易爆场合的安全性。但如果负载端出现断路， 电感器 L1 两端会感应出高压，容易在断开处形成 电弧，引燃可燃性气体，所以根据电容两端电压不 能突变的原理，在电路中引入一个电容器 C1，用 以吸收突然断路产生的瞬间高压，避免在潮湿、易 爆环境中由于高电压击穿空气形成电弧。当负载端 短路时，电容器 C 与 C1 会形成放电路径，引入一 个二极管，利用二极管的单向导电性，将电容器 C 与 C1 之间的放电路径阻断。由电容器 C 和 C1、二 极管 VD 以及电感器 L 组成的电路符合准阻抗源 电路拓扑的结构。最后由电感器 Lf 和电容器 Cf 构 成 LC 滤波电路，将电路工作过程中产生的脉动直 流电进行处理，同时将周围环境中产生的干扰信号 进行滤除，使得后级负载得到平滑且稳定的直流 电信号。

2 准阻抗源Boost电路建模及电路参数设计

2.1 电感参数设计

使用互补对称的脉宽调制信号控制两个 IGBT 开关，在 IGBT 的一个开关周期内，令 D 为开关 S1 的导通占空比，则开关 S2 的导通占空比为 1-D， 且准阻抗源 Boost 变换器电感 L 两端的电压有两 个非零状态。当 IGBT 开关 S2 导通时，电感两端 的电压在 0 V 以上，此时电流呈现上升趋势。当 IGBT 开关 S2 关闭时，电感 L 两端电压在 0 V 以下， 此时电流呈现下降趋势。

磁链的变化量计算公式为：

式 中，Δψ 为 磁 链 的 变 化 量，L 为 电 感 的 感 值， ΔIL 为电感中电流变化量，uC1 为电容 C1 两端电 压，t 为时间，T 为周期，t+DT 为一个周期后所用 时间。

通过式（1）对本质安全型准阻抗源 Boost 电路中电感元件参数进行设计 [10-11]。 IGBT 开关 S2 导通时，设定本质安全型准阻抗 源 Boost 电路中电容两端的电压近似不变，则 ΔIL 计算公式为：

若要使准阻抗源电路网络中电容器的电压纹波 符合实际生产要求，需在保留一定安全裕量的同时 兼顾经济性，实际电容值应为理论计算值的 1.5 ～ 2 倍。

电路运行过程中，准阻抗源部分的电容和电感 应避免进入自激振荡状态，故需将实际所取的电感 值和电容值代入式（8）进行检验，要求所得频率 应远小于 IGBT 的开关频率，计算后如发现频率无 法满足要求，可改变 IGBT 的开关频率，或在允许 的范围内重新选择电容和电感，直至不发生 LC 自 激振荡的情况，满足实际生产的设计要求 [13]。

3 仿真及实验验证

使 用 MATLAB 中 的 Simulink 模块对电路进 行电路搭建，仿真元件参数设置为输入电压 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 的通态电阻为 6 mΩ，寄生电容为 50 nF。

由图 2 可知，当 D=0.2 时，输出电压为 28.5 V 左右。当 t 处于 0 ～ 1.2 s 内，输出电压稍有波动， 因为刚启动时，电路中电感电容处于 0 状态，需要 完成预充电；当 t ≥ 1.2 s 时，电路进入稳定状态。

如图 3 所示，对不稳定区放大以后，波形振 动范围在 0.7 V 以内，在电路初始充电过程中，电路的输出电压波动非常小，不会产生瞬间高电 压或瞬时大电流，符合本质安全型电路的基本 要求。

右，电路在 0.1 s 内已经完成电感和电容预充电， 电路在较快时间内进入稳定状态，没有出现电压反 复波动，克服了传统准阻抗源电路刚启动时输出电 压反复波动的情况。准阻抗源电路拓扑在启动过程 中，作用在负载上的输出电压会远高于最终稳定电 压，这种情况在本文提出的输出本质安全型准阻抗 源 Boost 电压变换器中没有出现。

4 实验验证

根 据 MATLAB/Simulink 仿真电路搭建实验 电路，电路参数设置与仿真电路参数设置相同。 其中，IGBT 由北京落木源电子技术有限公司的 KA962D 驱动板发出驱动信号，脉宽调制信号由以 STM32F103ZET6 为控制核心的开发学习板发出， 舍去电容器和电感器充放电过程中的波形，选取稳 定后波形，分别如图 5 和图 6 所示。

输入电压为 12 V 时，由图 5 可知，当 D=0.2 时，实际电路输出电压为 26 V 左右。由圖 6 可知， 当 D=0.8 时，实际输出电压为 106 V 左右，因电路 中元件选取难免出现误差，所以与实际结果略有不 同，但是与仿真结果基本相符。

5 结论

（1）本文介绍了一种输出本质安全型准阻抗源 Boost 变换器电路，是在传统 Boost 斩波电路的基 础上，引入准阻抗源电路，提高了调压能力，增强 了电路的稳定性，提升了电路的安全性。

（2）深入分析计算了准阻抗源电路模块中电感 器和电容器元件参数的选择方法。

（3）通过实验验证了仿真结果和电路的正确 性，IGBT 采用脉宽调制信号控制，互补导通。

参考文献

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