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中图分类号：TM933文献标识码：A摘要：首先，分析单端反激变换器的工作原理与工作模式，推导出其在恒流输出状态下的临界电感值。 论文通过一个精密小电阻对输出电流监测，实现恒流；输出滤波电容是在满足电气性能指标与本安性能指标基础之上进行参数设计；保护电路采用电流变化率检测和图腾柱驱动以加快保护速度。最后，根据实际应用要求设计样机并搭建系统测试平台，通过仿真研究和实验验证了理论的正确性及有效性。
关键词：本质安全；单端反激变换器引言
随着煤矿、石化等危险场所机械化、自动化和信息化程度的提高，电气电子设备的应用得到普及，电源作为电气设备的核心，其安全性能至关重要。电源在这些场所中占居很重要的地位，据统计电气电子设备发生的故障70%来自电源，因此电源必须满足防爆的要求。开关电源每种拓扑结构对应两种输出模式：恒压输出模式与恒流输出模式。目前国内外研究人员多是对恒压输出模式的开关电源进行本安特性研究，而对恒流输出模式开关电源的本安特性研究较少。由于煤矿、石化等危险场所大力推广LED灯的应用，而LED灯需要恒流驱动，通过研究恒流输出模式下开关电源的本安特性能够推动LED灯在煤矿等危险场所的普及，因此对恒流型本安开关电源进行研究具有重要的应用价值。
一、单端反激变换器工作原理
单端反激变换器的工作原理图如图1-1所示。功率开关管K导通时，初级电感电流i1线性增加，续流二极管D因承受反偏电压而截止，次级电感L2所在回路不导通，电能转化成在初级电感L1中储存的磁场能量，负载由滤波电容C供能。功率开关管K断开时，变压器副边承受正向偏压，续流二极管D导通，初级电感L1将其储存的能量通过互感传递给次级电感L2，其电感电流线性减小。此时能量传输分两种情况：电感电流大于Io时，电感L2向负载供能的同时给电容充电；电感电流小于Io时，由电感L2和电容C一起向负载供能。
图1-1单端反激变换器原理图
r
图中参数分别定义为
Vi：输入电压；i1：流过电感L1的输入电流； T：变压器；L1：变压器的初级电感；N1：初级匝数；K：功率开关管；i2：流过电感L2的电流；L2：变压器的次级电感； N2：次级匝数； D：续流二极管；C：输出滤波电容； ic：流过电容C的电流；uc：电容两端的电压；Vo：输出电压；Io：输出电流； RL：负载。
在功率开关管K断开期间，若流过次级电感L2的电流i2在下个开通时期还没有到来之前就已经降为零，出现断续状态，称为断续导电模式（DCM）。反之，若次级电感L2的电流i2在本周期结束时没有降为零，称为连续导电模式（CCM）。在连续导电模式中，如果电容向负载供电，则称为不完全电感供电模式（IISM）；如果电容不向负载供电，则称为完全电感供电模式（CISM）。
当变换器工作在CCM模式时，变换器输出电流，输入电压增益为
(1.1)
当变换器工作在DCM模式时，变换器的输出电流，输入电压增益为
(1.2)
式中，n=N1/N2，为变压器的匝比；f为开关频率；d为占空比。
二、单端反激变换器的临界电感
（一） CCM与DCM的临界电感
单端反激变换器CCM模式和DCM模式划分的原则是判断流过变压器副边的电感电流最小值IL2V是否等于零，假设所有器件都是理想器件，电感储能完全供给负载，据此可以得到CCM模式和DCM模式的临界变压器副边电感值LC为
(2.1)
当副边电感值L2>LC时，变换器工作在CCM模式，反之，变换器工作在DCM模式。
（二） CISM与IISM的临界电感
CISM模式与IISM模式划分的原则是判断通过变压器副边电感电流的最小值IL2V与输出电流Io是否相等。
在CCM模式下，当功率开关管K导通时，变压器原边电感电流i1由初始电流值线性增加到峰值，设原边初始电流值为IL1V，开关断开时电流达到峰值为IL1V+(Vi/L1)Ton，变换器的输入功率为
(2.2)
输出功率为
(2.3)
设所有器件为理想器件，不产生损耗，则Pi=Po，即
(2.4)
所以
(2.5)
当变换器的开关管断开后，原边电感电流降为零，原边储存的能量通过互感传递给副边，此时副边电感电流最大，之后随着时间近似线性递减。
变压器原副边参数满足如下所示的关系
(2.6)
因此可以得到副边电感电流最小值
(2.7)
CISM与IISM的临界状态为IL2V=Io，即
(2.8)
结合式(3.1)得
(2.9)
即临界电感值为
(2.10)
根据副边电感L2与LK的大小关系，即可判断变换器的工作模式。
比较式(2.1与式(2.10)可以得出二者的关系为
(2.11)
由于占空比d<1，所以LK>LC。
由此可知，单端反激变换器在CCM模式下存在两种工作情况：工作于CISM模式或IISM模式，而在DCM模式下只能工作在IISM模式。
三、恒流型本安开关电源的设计
（一）系统总体设计方案
总体设计方案框图如图3-1所示。包括输入整流滤波、高频变压器、整流电路、输出滤波电路、电流采样电路、反馈电路、PWM控制器、双重保护电路。
图3-1总体设计方案结构图
（二）设计参数
设计指标如下：
交流输入电压Viac：
额定输出电压V0：14V
额定输出电流I0：1.4A
开关频率地f:
最大占空比Dmax:0.45
效率：η>80%
工作方式：连续模式
四、仿真与实验结果分析
（一）系统Saber仿真原理图
在Saber中建立仿真原理图，如图4-1所示。
图4-1系统仿真原理图
（二）实验结果及分析
1.变换器样机启动波形
如图4-2可知，反激变换器输出为1.42A，基本上无超调，启动调整时间为5.6ms，速度较快，与仿真波形基本一致，因为实际制作参数的差异，实际系统中变换器启动速度比仿真较慢，但对反激变换器性能没有影响。
图4-2 变换器启动波形图
2.输出纹波电流
由前面分析知输入电压最小，负载电阻最小时输出纹波电流最大，此时输出纹波电流实验波形如图4-3所示。
图4-3输出电流纹波波形（横纵坐标，标出！）
由图4-3可知，输出纹波电流最大值小于20mA，完能达到2%的指标。表明该系统设计良好。输出纹波电流实验波形并非像仿真波形那样光滑，而是存在毛刺，这是因为仿真波形为理想情况，而实际上开关变换器中存在大量的开关噪声及受电路板电磁干扰的影响。
（三）总结
根据本文设计的恒流型本安开关电源进行仿真及实验研究，包括启动情况、输出纹波电流、负载突变及输出短路火花放电情况，仿真与实验结果表明理论的正确性与可行性。
参考文献：
[1] 俞优妹.本质安全型开关电源的研制 [D].淮南: 安徽理工大学, 2011.
[2] 林立南.一种LED恒流驱动电源的设计 [J]. 机电技术, 2012, (5): 71-74.
[3] 刘凤君. 现代高频开关电源技术及应用 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.
[4] 刘健, 刘树林, 杨银玲,等. Buck变换器的输出本质安全特性分析及设计 [J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(19) : 52-57.
关键词：本质安全；单端反激变换器引言
随着煤矿、石化等危险场所机械化、自动化和信息化程度的提高，电气电子设备的应用得到普及，电源作为电气设备的核心，其安全性能至关重要。电源在这些场所中占居很重要的地位，据统计电气电子设备发生的故障70%来自电源，因此电源必须满足防爆的要求。开关电源每种拓扑结构对应两种输出模式：恒压输出模式与恒流输出模式。目前国内外研究人员多是对恒压输出模式的开关电源进行本安特性研究，而对恒流输出模式开关电源的本安特性研究较少。由于煤矿、石化等危险场所大力推广LED灯的应用，而LED灯需要恒流驱动，通过研究恒流输出模式下开关电源的本安特性能够推动LED灯在煤矿等危险场所的普及，因此对恒流型本安开关电源进行研究具有重要的应用价值。
一、单端反激变换器工作原理
单端反激变换器的工作原理图如图1-1所示。功率开关管K导通时，初级电感电流i1线性增加，续流二极管D因承受反偏电压而截止，次级电感L2所在回路不导通，电能转化成在初级电感L1中储存的磁场能量，负载由滤波电容C供能。功率开关管K断开时，变压器副边承受正向偏压，续流二极管D导通，初级电感L1将其储存的能量通过互感传递给次级电感L2，其电感电流线性减小。此时能量传输分两种情况：电感电流大于Io时，电感L2向负载供能的同时给电容充电；电感电流小于Io时，由电感L2和电容C一起向负载供能。
图1-1单端反激变换器原理图
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图中参数分别定义为
Vi：输入电压；i1：流过电感L1的输入电流； T：变压器；L1：变压器的初级电感；N1：初级匝数；K：功率开关管；i2：流过电感L2的电流；L2：变压器的次级电感； N2：次级匝数； D：续流二极管；C：输出滤波电容； ic：流过电容C的电流；uc：电容两端的电压；Vo：输出电压；Io：输出电流； RL：负载。
在功率开关管K断开期间，若流过次级电感L2的电流i2在下个开通时期还没有到来之前就已经降为零，出现断续状态，称为断续导电模式（DCM）。反之，若次级电感L2的电流i2在本周期结束时没有降为零，称为连续导电模式（CCM）。在连续导电模式中，如果电容向负载供电，则称为不完全电感供电模式（IISM）；如果电容不向负载供电，则称为完全电感供电模式（CISM）。
当变换器工作在CCM模式时，变换器输出电流，输入电压增益为
当变换器工作在DCM模式时，变换器的输出电流，输入电压增益为
式中，n=N1/N2，为变压器的匝比；f为开关频率；d为占空比。
二、单端反激变换器的临界电感
（一） CCM与DCM的临界电感
单端反激变换器CCM模式和DCM模式划分的原则是判断流过变压器副边的电感电流最小值IL2V是否等于零，假设所有器件都是理想器件，电感储能完全供给负载，据此可以得到CCM模式和DCM模式的临界变压器副边电感值LC为
当副边电感值L2>LC时，变换器工作在CCM模式，反之，变换器工作在DCM模式。
（二） CISM与IISM的临界电感
CISM模式与IISM模式划分的原则是判断通过变压器副边电感电流的最小值IL2V与输出电流Io是否相等。
在CCM模式下，当功率开关管K导通时，变压器原边电感电流i1由初始电流值线性增加到峰值，设原边初始电流值为IL1V，开关断开时电流达到峰值为IL1V+(Vi/L1)Ton，变换器的输入功率为
输出功率为
设所有器件为理想器件，不产生损耗，则Pi=Po，即
所以
当变换器的开关管断开后，原边电感电流降为零，原边储存的能量通过互感传递给副边，此时副边电感电流最大，之后随着时间近似线性递减。
变压器原副边参数满足如下所示的关系
因此可以得到副边电感电流最小值
CISM与IISM的临界状态为IL2V=Io，即
结合式(3.1)得
即临界电感值为
根据副边电感L2与LK的大小关系，即可判断变换器的工作模式。
比较式(2.1与式(2.10)可以得出二者的关系为
由于占空比d<1，所以LK>LC。
由此可知，单端反激变换器在CCM模式下存在两种工作情况：工作于CISM模式或IISM模式，而在DCM模式下只能工作在IISM模式。
三、恒流型本安开关电源的设计
（一）系统总体设计方案
总体设计方案框图如图3-1所示。包括输入整流滤波、高频变压器、整流电路、输出滤波电路、电流采样电路、反馈电路、PWM控制器、双重保护电路。
图3-1总体设计方案结构图
（二）设计参数
设计指标如下：
交流输入电压Viac：
额定输出电压V0：14V
额定输出电流I0：1.4A
开关频率地f:
最大占空比Dmax:0.45
效率：η>80%
工作方式：连续模式
四、仿真与实验结果分析
（一）系统Saber仿真原理图
在Saber中建立仿真原理图，如图4-1所示。
图4-1系统仿真原理图
（二）实验结果及分析
1.变换器样机启动波形
如图4-2可知，反激变换器输出为1.42A，基本上无超调，启动调整时间为5.6ms，速度较快，与仿真波形基本一致，因为实际制作参数的差异，实际系统中变换器启动速度比仿真较慢，但对反激变换器性能没有影响。
图4-2 变换器启动波形图
2.输出纹波电流
由前面分析知输入电压最小，负载电阻最小时输出纹波电流最大，此时输出纹波电流实验波形如图4-3所示。
图4-3输出电流纹波波形（横纵坐标，标出！）
由图4-3可知，输出纹波电流最大值小于20mA，完能达到2%的指标。表明该系统设计良好。输出纹波电流实验波形并非像仿真波形那样光滑，而是存在毛刺，这是因为仿真波形为理想情况，而实际上开关变换器中存在大量的开关噪声及受电路板电磁干扰的影响。
（三）总结
根据本文设计的恒流型本安开关电源进行仿真及实验研究，包括启动情况、输出纹波电流、负载突变及输出短路火花放电情况，仿真与实验结果表明理论的正确性与可行性。
参考文献：
[1] 俞优妹.本质安全型开关电源的研制 [D].淮南: 安徽理工大学, 2011.
[2] 林立南.一种LED恒流驱动电源的设计 [J]. 机电技术, 2012, (5): 71-74.
[3] 刘凤君. 现代高频开关电源技术及应用 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.
[4] 刘健, 刘树林, 杨银玲,等. Buck变换器的输出本质安全特性分析及设计 [J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(19) : 52-57.