交错并联磁集成buck变换器的本质安全特性研究

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1、第30卷第4期电工电能新技术Vol．30，No．42011年10月AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyOct．2011交错并联磁集成buck变换器的本质安全特性研究杨玉岗，李娜(辽宁工程技术大学电气控制工程学院，辽宁葫芦岛125105)摘要:为了使buck变换器以较小的最大输出短路释放能量满足本质安全要求，提出将磁集成技术应用到交错并联buck变换器中，合理的设计通道数N和占空比D，能有效减小输出电流纹波。以双通道交错并联磁集成buck变换器为例进行研究，电感与电感采用反向耦合集成

2、方法，最后对本质安全的交错并联磁集成与无磁集成的buck变换器进行MATLAB仿真对比，并进行试验验证，证明所提方法的正确性。关键词:本质安全;磁集成技术;输出电流纹波;最大输出短路释放能量中图分类号:TP17文献标识码:A文章编号:1003-3076(2011)04-0008-05根据设计的具体条件，综合考虑交错并联通道1引言数N和占空比D，合理取值才能达到所要求的效果。应用在煤矿易燃、易爆环境中的直流电源必须本次取N=2，D=0．4来进行讨论，输出电流归一化具有本质安全的特性，即在正常工作或规定的故障纹波幅值比较理想。状态下产生的电火花和热

3、效应均不能点燃规定爆炸双通道交错并联磁集成buck变换器的主电路［1，2］混合物。如图1所示。其中Vi为输入电压，Vo为输出电压，随着电力电子的飞速发展，煤矿井下大量的测Q1、Q2为开关管，D1、D2为续流二极管。量设备内部大量的芯片需要的供电电压等级越来越低，buck变换器可以为其提供可靠的电压，满足危［3，4］险环境下的设计要求。交错并联只能减少总的输出电流纹波和输出电压纹波，单通道的电流纹波没有得到改善。磁集成技术不但能够减少变换器的体积和重量，还可以提高变换器的动态和稳态性图1双通道交错并联磁集成buck变换器的主电路［5-8］能。因此

4、将磁集成技术应用到交错并联变换器Fig．1Maincircuitoftwo-interleavingmagnetics中，能有效减小单通道的电流纹波，降低最小短路释buckconverter放能量，更好地满足本质安全要求。电感L1和L2为耦合集成磁件，设L1=L2=L，2交错并联磁集成buck变换器的工作原理耦合系数为k，开关管的频率fs=1/Ts。在任意确定的交错通道数N的情况下，0≤D≤双通道交错并联磁集成buck变换器在每个开［9，10］1时输出电流纹波幅值表达式为(Iripple为输出关周期有四个工作阶段。利用磁路—电路对偶模型电流纹波

5、幅值):方法来推导出该buck变换器的等效电路模型，其中j1+j－ND反向耦合集成磁件绕组的自感等效为漏感，其取值Δi0=Iripple(D－)D(1－D)(1)D为Lk1=Lk2=Lk，用Lm表示两个绕组的互感，用理想其中j＜D＜j+1，(j=0，1，…N－1)变压器来表征匝比和耦合的关系，设匝比N1=N2=NNN。如图2所示，给出了双通道交错并联磁集成收稿日期:2010-11-04作者简介:杨玉岗(1967-)，男，内蒙古籍，教授，博士，研究领域为电力电子技术及高频磁集成技术;李娜(1985-)，女，河北籍，硕士研究生，研究方向为电力电子与

6、电力传动，本质安全开关电源。第4期杨玉岗，等:交错并联磁集成buck变换器的本质安全特性研究9buck变换器的四个工作阶段等效电路图。根据第二阶段电路可列出如下方程:V=－V－VìLK1omïïV=V－VLK2mo(5)íïïVoi=i+i－îuc12R经整理得，双通道纹波电流Δi1、Δi2和总纹波电流Δi0分别为Vìin1ïïΔi1=Δi2=－(－D)·DLKfs2í(6)Vïïin图2双通道交错并联磁集成buck变换器îΔio=－Lf(1－2D)·DKs的四个工作阶段第三阶段:开关管Q2开通，二极管D1续流，Fig．2Fourworking

7、stagesoftwo-interleavingQ1，D2截止，电感L2储存能量同时电流上升，电容magneticsbuckconverterC充电，第三阶段时间结束时，电感L2的电流达到第一阶段:开关管Q1开通，二极管D2续流，最大峰值ILP2，电感L1通过D1继续释放能量。Q2，D1截止，电感L1储存能量同时电流上升，电容根据第三阶段电路可列出如下方程:C充电，第一阶段时间结束时，电感L1的电流达到ìVLK1+Vm=Vo=D·Vinï最大峰值，电感L2通过D2继续释放能量。ïVm－VLK2=Vin－Vo=(1－D)·Vin(7)í根据第一阶

8、段电路可列出如下方程:ïïVoi=i+i－V+V=V－V=(1－D)·Vîuc12RìLK1minoinïïVm－VLK2=Vo=D·Vin(2)经整