CN202276289U - 本质安全输出准z源开关变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器，包括依次连接Buck型DC/DC开关变换电路、准Z源滤波网络和安全栅保护电路，准Z源滤波网络包括由电感、电容组成的LC滤波器、另一电感、另一电容和二极管，二极管正向串联接在电感与电容之间，另一电感连接在电容的输出端，另一电容并联在串联的二极管和另一电感的两端，LC滤波器的输入端为准Z源滤波网络的输入端，另一电感与另一电容的连接端为准Z源滤波网络的输出端。其优点是：通过准Z源滤波网络延缓电路释能速度，与安全栅保护速度相匹配，进一步减小了故障时电路输出火花能量，从而进一步提高了本安电源容量，其电路结构简单，可靠性高，具有传统技术不可比拟的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及本质安全型电源，特别涉及一种本质安全输出准Z源开关变换器。
背景技术
本质安全型电源对于在煤矿、石油、化工等危险性环境中使用的通信、监控、报警以及灾害预测和防治等关键设备的实施起着至关重要的作用。由于在AC/DC、DC/DC变换器中使用电感、电容等储能元件，在输出发生短路或断路故障时，在输出滤波所用的电感、电容中存储的能量，将在极短时间内通过短路/断路故障点释放，产生的电火花可能会引燃易燃、易爆气体，因此通常都在本安电源输出部分增加安全栅电路。安全栅通过采用电阻限流、稳压管或晶体管限压，来限制最高输出电流和输出电压，以达到限制输出能量的目的。目前优化安全栅方法主要采用：
1、在安全栅电路中选用新型快速器件，以提高故障保护动作速度来限制能量的方法；
2、采用稳压管、晶体管、MOS管等元器件，在短路/断路发生过流/过压时，通过切断电源输出来限制电路火花能量的方法。
3、发生短路时，通过检测电流，在输出电路之前增加短路并联回路，达到短路电流的分流作用，减小电路火花能量的方法。
但是不论采用何种安全栅电路，仍然存在以下缺陷：从电源输出短路/断路故障发生，至安全栅保护切断能量输出，总是有一定的延迟时间，因此故障时输出过多能量、产生电火花的可能性仍然较大。有效地减小电源输出故障火花能量，从而达到提高本质安全型电源输出功率的目的，仍然是一个重要技术课题。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服上述缺陷，提供一种可以有效地减小电源输出故障火花能量，从而提高本质安全型输出功率，电路结构简单，可靠性高的本质安全输出准Z源开关变换器。
为达到上述目的，本实用新型提供的一种本质安全输出准Z源开关变换器，包括Buck型DC/DC开关变换电路和安全栅保护电路，还包括一准Z源滤波网络，所述Buck型DC/DC开关变换电路、准Z源滤波网络与安全栅保护电路依次连接，其中所述准Z源滤波网络包括由电感、电容组成的T型LC滤波器、另一电感、另一电容和二极管，所述二极管正向串联接在所述电感与电容之间，所述另一电感连接在所述电容的输出端，所述另一电容并联在串联的所述二极管和另一电感的两端，所述T型LC滤波器的输入端为所述准Z源滤波网络的输入端，所述另一电感与所述另一电容的连接端为所述准Z源滤波网络的输出端。
本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器，其中所述Buck型DC/DC开关变换电路替换为单端正激式开关变换器、推挽式开关变换器、半桥式开关变换器或全桥式开关变换器。
为达到上述目的，本实用新型提供的一种本质安全输出准Z源开关变换器，包括Buck型DC/DC开关变换电路和安全栅保护电路，还包括一准Z源滤波网络，所述Buck型DC/DC开关变换电路、准Z源滤波网络与安全栅保护电路依次连接，其中所述准Z源滤波网络包括由电感、电容组成的并联LC滤波器、另一电感、另一电容和二极管，所述二极管正向串联接在所述电感与另一电感之间，所述电容并联在串联的所述电感与二极管两端，所述另一电容并联在串联的所述二极管与另一电感的两端，所述并联LC滤波器的输入端为所述准Z源滤波网络的输入端，所述另一电感与所述另一电容的连接端为所述准Z源滤波网络的输出端。
本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器，其中所述Buck型DC/DC开关变换电路替换为单端正激式开关变换器、推挽式开关变换器、半桥式开关变换器或全桥式开关变换器。
本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器的优点和积极效果在于：由于在传统的Buck型DC/DC开关变换器的输出端和安全栅保护电路之间，增加了一级准Z源滤波网络，将安全栅保护电路与准Z源滤波网络有机结合为一个整体，通过准Z源滤波网络延缓电路释能速度，与安全栅保护速度相匹配，进一步减小了故障时电路输出火花能量，从而进一步提高了本安电源容量，其电路结构简单，可靠性高，具有传统技术不可比拟的优点。
下面将结合实施例参照附图进行详细说明。
附图说明
图1是本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器的方框图；
图2(a)是准Z源滤波网络的电路结构图；
图2(b)是另一准Z源滤波网络的电路结构图；
图3(a)是采用准Z源滤波网络的基本的Buck开关变换器的电路结构图；
图3(b)是采用准Z源滤波网络的单端正激式开关变换器的电路结构图；
图3(c)是采用准Z源滤波网络的推挽式开关变换器的电路结构图；
图3(d)是采用准Z源滤波网络的半桥式开关变换器的电路结构图；
图3(e)是采用准Z源滤波网络的全桥式开关变换器的电路结构图；
图4是本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器延缓短路火花能量释放效果图。
具体实施方式
参照图1，本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器，包括依次连接的Buck型DC/DC开关变换电路1、准Z源滤波网络2和安全栅保护电路3。
参照图1，安全栅保护电路采用稳压管、晶体管、MOS管等元器件，在开关变换器短路/断路发生过流/过压时，短路故障通过检测输出过电流，或断路时通过检测输出过电压，控制安全栅保护电路切断电源输出，实现限制开关变换器电路输出的火花能量。进而在发生输出短路时，通过检测电流，在输出电路之前增加短路并联回路，达到短路电流的分流作用，减小电路的火花能量。
参照图2(a)，准Z源滤波网络2包括由电感L、电容C组成的T型LC滤波器、另一电感L1、另一电容C1和二极管D1，二极管D1正向串联接在电感L与电容C之间，另一电感L1连接在电容C的输出端，另一电容C1并联在串联的二极管D1和另一电感L1的两端。T型LC滤波器的输入端为准Z源滤波网络的输入端，另一电感L1与另一电容C1的连接端为准Z源滤波网络的输出端。
在本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器另一实施例中，参照图2(b)，准Z源滤波网络2包括由电感L、电容C组成的并联LC滤波器、另一电感L1、另一电容C1和二极管D1，二极管D1正向串联接在电感L与另一电感L1之间，电容C并联在串联的电感L与二极管D1两端，另一电容C1并联在串联的二极管D1与另一电感L1的两端。并联LC滤波器的输入端为准Z源滤波网络的输入端，另一电感L1与另一电容C1的连接端为准Z源滤波网络的输出端。
参照图1，准Z源滤波网络利用电感电流不能突变、电容电压不能突变的原理，采用上述的网络结构，二极管D1起到防止输出端短路时，电容C和电容C1串联构成向输出故障点的放电回路。在开关变换器输出短路或断路时，一方面由电感L1限制短路时电容C的电流快速 增长，从而延缓电容能量的释放；另一方面通过电容C1限制断路时电感L1电压的增加，从而延缓断路故障时能量的释放。
参照图2(a)和图2(b)，一方面电感L1可以有效的限制输出短路时电容C向故障点的释能速度，另一方面电容C1又可以有效的限制输出断路时电感L1向故障点的释能速度。这时，安全栅保护电路检测故障电压或电流变化的信号控制开关变换器的输出，在切断开关变换器的输出之前，准Z源滤波网络限制短路电流或断路电压的增长速度以延缓释放开关变换器输出的火花能量。通过准Z源滤波网络延缓释能速度与安全栅保护速度的匹配，达到进一步减小故障时电路的输出火花能量，从而进一步提高本安电源容量的目的。
参照图3，Buck型DC/DC开关变换电路1可以替换为单端正激式开关变换器、推挽式开关变换器、半桥式开关变换器或全桥式开关变换器。图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)和图3(e)分别为采用图2(a)所示准Z源滤波网络的几种常规Buck型DC/DC开关变换器电路图。
参照图3(a)，是采用准Z源滤波网络的基本的Buck开关变换器；
参照图3(b)，是采用准Z源滤波网络的单端正激式开关变换器；
参照图3(c)，是采用准Z源滤波网络的推挽式开关变换器；
参照图3(d)，是采用准Z源滤波网络的半桥式开关变换器；
参照图3(e)，是采用准Z源滤波网络的全桥式开关变换器。
参照图4，在本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器延缓短路火花能量释放的实验效果图中，主要参数为：输入电压：18V，输出电压：12V，电感L：320μH，电容C：100μF，电感L1：3.3μH，电容C1：3μF。图4中曲线1为传统Buck型DC/DC开关变换器在输出短路5μs时间内，短路火花放电能量增长曲线；曲线2为采用本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器方案时，开关变换器在输出短路5μs时间内，短路火花放电能量增长曲线；曲线3给出了曲线1和曲线2的比值，即传统Buck型DC/DC开关变换器输出短路火花放电能量与本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器输出短路火花放电能量的比值。按本实验所采用的电路参数，传统Buck型DC/DC开关变换器短路放电火花能量与本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器短路火花放电能量相差达数十倍。
从附图4可以看出，本实用新型本质安全输出准Z源开关变换器与传统Buck型DC/DC开关变换器相比，具有明显的延缓短路火花放电释能速度的作用，通过与通用安全栅保护电 路相配合，可以实现减小故障火花能量的目标，从而增加本质安全输出电源的安全可靠性；或在相同的故障火花能量指标要求下，可以增大本质安全输出电源的输出容量。
上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (4)
1.一种本质安全输出准Z源开关变换器，包括Buck型DC/DC开关变换电路(1)和安全栅保护电路(3)，其特征在于：还包括一准Z源滤波网络(2)，所述Buck型DC/DC开关变换电路(1)、准Z源滤波网络(2)与安全栅保护电路(3)依次连接，其中所述准Z源滤波网络(2)包括由电感(L)、电容(C)组成的T型LC滤波器、另一电感(L1)、另一电容(C1)和二极管(D1)，所述二极管(D1)正向串联接在所述电感(L)与电容(C)之间，所述另一电感(L1)连接在所述电容(C)的输出端，所述另一电容(C1)并联在串联的所述二极管(D1)和另一电感(L1)的两端，所述T型LC滤波器的输入端为所述准Z源滤波网络的输入端，所述另一电感(L1)与所述另一电容(C1)的连接端为所述准Z源滤波网络的输出端。
2.根据权利要求1所述的本质安全输出准Z源开关变换器，其特征在于：其中所述Buck型DC/DC开关变换电路(1)替换为单端正激式开关变换器、推挽式开关变换器、半桥式开关变换器或全桥式开关变换器。
3.一种本质安全输出准Z源开关变换器，包括Buck型DC/DC开关变换电路(1)和安全栅保护电路(3)，其特征在于：还包括一准Z源滤波网络(2)，所述Buck型DC/DC开关变换电路(1)、准Z源滤波网络(2)与安全栅保护电路(3)依次连接，其中所述准Z源滤波网络(2)包括由电感(L)、电容(C)组成的并联LC滤波器、另一电感(L1)、另一电容(C1)和二极管(D1)，所述二极管(D1)正向串联接在所述电感(L)与另一电感(L1)之间，所述电容(C)并联在串联的所述电感(L)与二极管(D1)两端，所述另一电容(C1)并联在串联的所述二极管(D1)与另一电感(L1)的两端，所述并联LC滤波器的输入端为所述准Z源滤波网络的输入端，所述另一电感(L1)与所述另一电容(C1)的连接端为所述准Z源滤波网络的输出端。
4.根据权利要求3所述的本质安全输出准Z源开关变换器，其特征在于：其中所述Buck型DC/DC开关变换电路(1)替换为单端正激式开关变换器、推挽式开关变换器、半桥式开关变换器或全桥式开关变换器。
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