一種雙輸入降壓型Cuk直流變換器參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真分析

葉新穎

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南平353000）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，人類面臨能源利用可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，合理開發(fā)和利用綠色可再生能源發(fā)電如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電已成為人類發(fā)展的迫切需要和可持續(xù)發(fā)展方向［1］.但由于受氣候條件不穩(wěn)定等客觀因素影響，利用綠色可再生能源發(fā)電系統(tǒng)均存在電力供應(yīng)不連續(xù)、不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，因此，發(fā)電系統(tǒng)需要輸出端有能實(shí)現(xiàn)電能變換和處理的變換器，而且要采用多種能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，以保證供電系統(tǒng)和電力的穩(wěn)定性與連續(xù)性.若在每一種形式能源輸入端接入一個(gè)DC/DC直流變換器，將使每種能源相互獨(dú)立發(fā)電輸出直流，然后并聯(lián)到公共直流母線上的傳統(tǒng)新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)，但因其成本較昂貴，且結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，導(dǎo)致其推廣使用具有一定的局限性.為降低系統(tǒng)成本，優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，本文探索和研究一種可以用多路輸入源集成直流變換器來(lái)代替多個(gè)單路輸入源直流變換器，即多路輸入源可以單獨(dú)向負(fù)載供電，也可以同時(shí)向負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)輸入源性質(zhì)、幅值和特性不受能源形式限制，且負(fù)載端輸出值能兼容［2］.為將來(lái)能高效利用綠色可再生能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，徹底解決新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中電力供應(yīng)不連續(xù)、不穩(wěn)定等問題奠定基礎(chǔ)，拓展思路.

1 雙輸入降壓型Cuk變換器的工作原理

1.1 降壓型Cuk電路結(jié)構(gòu)圖

由于Cuk變換器不僅存在占空比范圍較窄、開關(guān)損耗較大，而且存在電壓應(yīng)力高、輸出紋波大、效率低等缺點(diǎn)，在20世紀(jì)80年代，有人對(duì)Cuk變換器進(jìn)行改造，提出了一種新型非隔離降壓型變換器，即降壓型Cuk變換器，如圖1所示.降壓型Cuk變換器不僅具備紋波更小、效率高、降壓范圍大等優(yōu)點(diǎn)，而且使得降壓輸出電壓與輸入電壓具有同極性，輸出電壓V0和輸入電壓Vs1之比為：

式中：Vs1為輸入電壓，V0為輸出電壓，d1為開關(guān)管Q1占空比.

圖1 降壓型Cuk電路結(jié)構(gòu)圖

1.2 雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖

本文設(shè)計(jì)出一種雙輸入降壓型Cuk直流變換器，該變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩個(gè)降壓型Cuk變換器電路共用儲(chǔ)能電感L2和續(xù)流二極管D1并聯(lián)集成［3］，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示.二極管D1起續(xù)流作用，二極管D2和D3起防反流作用.現(xiàn)就該變換器拓?fù)潆娐饭ぷ髂Ｊ?、工作性能等重要部分進(jìn)行深入分析研究.

圖2 雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖

1.3 工作模式分析

雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)潆娐反嬖谳斎朐碫s1單獨(dú)供電、另一路輸入源Vs2單獨(dú)供電以及雙輸入源Vs1和Vs2共同供電三種工作模式，現(xiàn)對(duì)各工作模式進(jìn)行工作過(guò)程分析.在電感電流連續(xù)模式（CCM）情況下，為更好分析雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)潆娐犯鞴ぷ髂Ｊ?、工作模態(tài)的特性，假設(shè)開關(guān)管Q1和Q2為理想元件，周期性改變導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)，頻率較高，導(dǎo)通時(shí)電壓值降低至0，截止時(shí)漏電流值為0.起耦合作用的高頻電容C1、C3與起濾波作用的電解電容C2均為理想元件，取值比較大，則在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可以認(rèn)為電容電壓VC1、VC3和VC2（即負(fù)載電壓V0）恒定不變.儲(chǔ)能電感L1、L2和L3為理想元件，電感電流iL1、iL3和iL2是線性變化的，穩(wěn)態(tài)時(shí)則在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可以認(rèn)為電感電壓VL1、VL3和VL2平均值均為0.

1.3.1 Vs1單獨(dú)供電工作模式過(guò)程分析

為分析Vs1單獨(dú)供電時(shí)雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)潆娐返墓ぷ魈匦裕O(shè)開關(guān)管Q1周期為Ts1，占空比為d1=Ton1/Ts1，則開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)間為Ton1=d1Ts1，開關(guān)管截止時(shí)間Toff1=Ts1-Ton1=（1-d1）Ts1.

（1）工作狀態(tài)Ⅰ：在時(shí)間t從0時(shí)刻到Ton1時(shí)刻這段時(shí)間Ton1=d1Ts1里，開關(guān)管Q1觸發(fā)導(dǎo)通，二極管D1截止［4］，其等效電路如圖3所示.

圖3 開關(guān)管Q1導(dǎo)通，二極管D1截止時(shí)等效電路圖

此時(shí)Vs1向電感L1充電，并流經(jīng)L1和開關(guān)管Q1向負(fù)載供電，則VL1=Vs1-V0，電流iL1線性上升，因此電流iL1的增加量：

電容C1的電壓VC1也與此同時(shí)流經(jīng)開關(guān)管Q1加在負(fù)載兩端，并對(duì)負(fù)載R、C2、L2放電，故電感L2被充電，VL2=VC1-V0，電流iL2線性上升，因此電流iL2的增加量：

（2）工作狀態(tài)Ⅱ：在時(shí)間t從Ton1時(shí)刻到Ts1時(shí)刻這段Toff1=Ts1-Ton1=（1-d1）Ts1時(shí)間里，二極管D1正向?qū)ǎ_關(guān)管Q1截止，其等效電路如圖4所示.

圖4 二極管D1導(dǎo)通、開關(guān)管Q1截止時(shí)等效電路圖

iL1經(jīng)過(guò)正向?qū)说亩O管D1續(xù)流并對(duì)C1充電而減小，VL1=Vs1-V0-VC1，因此Vs1-V0-VC1.電流iL1的減小量：

iL2也與此同時(shí)經(jīng)二極管D1續(xù)流而流向負(fù)載R并為其提供電能，故iL2電流也在慢慢減小，VL2=-V0，因此電流iL2的減小量：

根據(jù)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電感電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)平均值為0的原理可知：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流iL1在一個(gè)開關(guān)周期Ts1內(nèi)的增加量ΔiL1+與其減少量ΔiL1-相等，同理，iL2的增加量ΔiL2+與其減少量ΔiL2-也相等.由式（2）和式（4）得到：

聯(lián)合式（6）和式（7）消去VC1得輸出電壓V0和輸入電壓Vs1之比：

1.3.2 Vs2單獨(dú)供電工作模式過(guò)程分析

Vs2單獨(dú)供電工作模式過(guò)程分析與Vs1單獨(dú)供電工作模式過(guò)程分析完全相同，在此不再做具體闡述.Vs2單獨(dú)供電工作模式過(guò)程等效電路如圖5所示.

圖5 V s2單獨(dú)供電工作模式過(guò)程等效電路圖

1.3.3 雙輸入源Vs1和Vs2共同供電工作模式過(guò)程分析

在CCM模式下，根據(jù)Vs1單獨(dú)供電工作模式和Vs2單獨(dú)供電工作模式過(guò)程分析及各種假設(shè)理想條件下，分析雙輸入源Vs1和Vs2共同供電工作模式的工作特性.設(shè)Q1、Q2驅(qū)動(dòng)電壓分別為vgs-Q1和vgs-Q2；流過(guò)L1、L2和L3電流分別為iL1、iL2和iL3；流過(guò)Q1、Q2電流分別為iQ1、iQ2；流過(guò)二極管D1電流為iD1；L1、L2和L3端電壓分別為VL1、VL2和VL3.開關(guān)管Q1周期為Ts1等于開關(guān)管Q2周期為Ts2均為Ts，即Ts=Ts1=Ts2；開關(guān)管Q1占空比為d1=Ton1/Ts，開關(guān)管Q2占空比為d2=Ton2/Ts.設(shè)定輸入源端電壓Vs1＞Vs2，則占空比d1＜d2.雙輸入源共同供電工作模式下主要參數(shù)波形圖如圖6所示.（1）模態(tài)Ⅰ

圖6 雙輸入源共同供電工作模式下主要參數(shù)波形圖

在第Ⅰ時(shí)間段里（即當(dāng)時(shí)間t從0時(shí)刻到Ton1時(shí)刻），Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)，等效電路圖如圖7（a）所示.電容C1的電壓VC1要放電，電容C3的電壓VC3被充電.此時(shí)，電感L1、L2和L3兩端的電壓值VL1(Ⅰ)、VL2(Ⅰ)、VL3(Ⅰ)滿足以下關(guān)系：

在第Ⅱ時(shí)間段里（即當(dāng)時(shí)間t從Ton1時(shí)刻到Ton2時(shí)刻），Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通時(shí)，等效電路圖如圖7（b）所示.電容C1的電壓VC1被充電，電容C3的電壓VC3要放電.此時(shí)，電感L1、L2和L3兩端的電壓值VL1(Ⅱ)、VL2(Ⅱ)、VL3(Ⅱ)滿足以下關(guān)系：

（3）模態(tài)Ⅲ

在第Ⅲ時(shí)間段里（即當(dāng)時(shí)間t從Ton2時(shí)刻到Ts時(shí)刻），Q1和Q2均關(guān)斷時(shí)，等效電路圖如圖7（c）所示.電容C1的電壓VC1和電容C3的電壓VC3均被充電.此時(shí)，電感L1、L2和L3兩端的電壓值VL1(Ⅲ)、VL2(Ⅲ)、VL3(Ⅲ)滿足以下關(guān)系：

綜上所述，通過(guò)分析可知，雙輸入源共同供電時(shí)雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)潆娐返墓ぷ髂Ｊ狡鋵?shí)只有三種工作模態(tài)，分別是Q1導(dǎo)通和Q2關(guān)斷、Q1關(guān)斷和Q2導(dǎo)通、Q1和Q2均關(guān)斷.

圖7 雙輸入源共同供電工作模式過(guò)程等效電路

2 性能分析

2.1 變壓比和關(guān)鍵參量關(guān)系

根據(jù)Vs1單獨(dú)供電工作模式過(guò)程分析可知：其輸出電壓、輸入電壓與占空比三者之間關(guān)系滿足：V0=d1Vs1；同理，Vs2單獨(dú)供電時(shí)其輸出電壓、輸入電壓與占空比之間關(guān)系滿足：V0=d2Vs2.

根據(jù)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電感電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)平均值為0的伏秒平衡原理［5］，結(jié)合雙輸入源共同供電工作模式過(guò)程分析結(jié)果可得：

將式（9）～（11）代入（12）中，并計(jì)算分析可得：

構(gòu)建數(shù)字化教學(xué)資源共享平臺(tái)是促進(jìn)各高校交流和溝通的有效途徑。根據(jù)高校走訪調(diào)查，目前各高校數(shù)字化教學(xué)資源的建設(shè)進(jìn)度不一，大多數(shù)院校處于初中期階段，數(shù)字化教學(xué)資源的整合程度比較低。大部分院校已經(jīng)完成數(shù)字化教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，有的院校己經(jīng)對(duì)學(xué)校管理平臺(tái)和教學(xué)管理平臺(tái)進(jìn)行了整合，部分示范性建設(shè)高校己基本完成校園應(yīng)用管理系統(tǒng)的整合。當(dāng)前，由于高校英語(yǔ)數(shù)字化教學(xué)資源共享平臺(tái)的缺失，各院校開發(fā)的英語(yǔ)數(shù)字化教學(xué)資源僅限于院校內(nèi)部的課堂使用，資源的利用率低，受益面窄，沒有實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源的校際共享。

綜上所述：雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)潆娐纷儔罕群完P(guān)鍵參量關(guān)系匯總?cè)缦拢?/p>

（1）當(dāng)Vs1單獨(dú)供電時(shí)，關(guān)系式滿足：V0=d1Vs1；

（2）當(dāng)Vs2單獨(dú)供電時(shí)，關(guān)系式滿足：V0=d2Vs2；

（3）當(dāng)Vs1和Vs2共同供電時(shí)，關(guān)系式滿足：

V0=d1Vs1+(d2-d1)Vs2.

2.2 重要參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 電感的設(shè)計(jì)

在CCM工作模式下，電流紋波為ΔiL1=在滿載時(shí)，ΔiL的典型值是直流分量I的10%～20%.設(shè)IL1為通過(guò)電感L1的額定電流值，則最小連續(xù)電感電流值為（以L1為例）：IL1min=

式中d1max為Q1、Q2中較大占空比，k=0.05～0.1，fs1為Q1的開關(guān)頻率.

同理：

式d1min為Q1、Q2中較小占空比.

因此，通過(guò)代入相應(yīng)參數(shù)到式（14）和式（15）中，可求出滿足雙輸入降壓型Cuk直流變換器在CCM工作模式下的最小電感量.在理想狀態(tài)下，取L1=L2=2mH、L3=1mH.

2.2.2輸出電容設(shè)計(jì)

在開關(guān)變換器中，輸出濾波電容C2一直處于周期性充電、放電狀態(tài)，倘若電容量值足夠大，則可認(rèn)為輸出恒定的直流電壓；倘若其電容量不夠大時(shí)，輸出電壓V0肯定存在脈動(dòng)，會(huì)輸出紋波.

輸出電容C2在一個(gè)開關(guān)周期Ts1內(nèi)被充電電荷ΔQ為：

故輸出電壓脈動(dòng)量ΔV0為：

式中電感Len取值

根據(jù)濾波電容值越大，輸出紋波越小的原理，故為保證Vs1和Vs2供電時(shí)正常濾波且輸出紋波較小設(shè)計(jì)需要，通過(guò)代入相應(yīng)參數(shù)，根據(jù)式（18）求出C2最小值，由于電容取值具有規(guī)則性，取其近100倍數(shù)值即取C2=47μF，中間電容C1=C3=4.7μF.

3 仿真分析

3.1 重要性能指標(biāo)

根據(jù)2.2重要參數(shù)設(shè)計(jì)分析，設(shè)計(jì)出主要性能指標(biāo)，如表1所示.

表1 主要性能指標(biāo)

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在1.3工作模式分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖及主要性能指標(biāo)，為了驗(yàn)證其工作原理，仿真實(shí)驗(yàn)采用Saber仿真軟件，仿真參數(shù)：L1=L2=2mH、L3=1mH，C2=47μF，C1=C3=4.7μF.在仿真結(jié)果圖形中t1、t2、t3時(shí)刻含義表示如下：0～t1為開關(guān)管Q1、Q2均導(dǎo)通時(shí)間段，即t1=Ton1，t1～t2為Q1截止且Q2導(dǎo)通時(shí)間段，即t2=Ton2，t2～t3為Q1、Q2均截止時(shí)間段，即t3=Ts1=Ts2=Ts；vds-Q1、vds-Q2為Q1、Q2漏源端電壓.

3.2.1 閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)對(duì)雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)潆娐犯鞴ぷ髂Ｊ竭M(jìn)行閉環(huán)仿真.

（1）Vs1單獨(dú)供電工作模式仿真分析

當(dāng)Vs1單獨(dú)供電時(shí)，其輸入電壓為48 V，Vs2輸入電壓為0 V.Vs1單獨(dú)供電時(shí)所得穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果如圖8所示.從圖中可以看出，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，輸出電流i0為1.49 A，電流吻合度為99.33%；輸出電壓為23.9 V，電壓吻合度為99.58%.電流輸出值和電壓輸出值均接近理論值.

圖8 V s1單獨(dú)供電時(shí)所得穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

（2）Vs2單獨(dú)供電工作模式仿真分析

當(dāng)Vs2單獨(dú)供電時(shí)，其輸入電壓為36 V，Vs1輸入電壓為0 V.Vs2單獨(dú)供電時(shí)所得穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果如圖9所示.從圖中可以看出，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，輸出電流i0為1.43 A，電流吻合度為95.33%；輸出電壓為22.9 V，電壓吻合度為95.42%.電流輸出值和電壓輸出值均接近理論值.

圖9 V s2單獨(dú)供電時(shí)所得穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

（3）雙輸入源Vs1和Vs2共同供電工作模式仿真分析

當(dāng)雙輸入源共同供電時(shí)，Vs1輸入電壓為48 V，Vs2輸入電壓為36 V.雙輸入源共同供電時(shí)所得穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果如圖10所示.從圖中可以看出，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，輸出電流i0為1.5 A，電流吻合度為100%；輸出電壓為24 V，電壓吻合度為100%.電流輸出值和電壓輸出值均等于理論值.

圖10 雙輸入源共同供電時(shí)所得穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

3.2.2 各工作模式切換仿真結(jié)果

閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了三種工作模式下，雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)潆娐肪苡行Чぷ?，現(xiàn)就三種工作模式切換進(jìn)行仿真.

（1）雙輸入源共同供電工作模式與Vs1單獨(dú)供電工作模式切換仿真

雙輸入源共同供電工作模式與Vs1單獨(dú)供電工作模式切換仿真結(jié)果如圖11所示，其中vgs-Q2為開關(guān)管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓，iin1為Vs1輸入采樣電流.時(shí)間為100 ms時(shí)，負(fù)載由36 W負(fù)載突降12 W，此時(shí)Vs1輸出功率高于負(fù)載功率，變?yōu)閂s1單獨(dú)供電，Vs2開關(guān)管Q2關(guān)斷，從圖中可以看出輸出電流i0迅速穩(wěn)定，其調(diào)節(jié)時(shí)間為3.19 ms，約為160 Ts，符合設(shè)計(jì)小于400 Ts調(diào)節(jié)時(shí)間要求；時(shí)間為150 ms時(shí)，負(fù)載由12 W負(fù)載突增36 W，Vs1輸出功率不足以滿足負(fù)載要求，Vs2輸出電壓，加入供電，Vs2開關(guān)管Q2控制輸出電流的穩(wěn)定.從圖中可以看出輸出電流i0迅速穩(wěn)定，其調(diào)節(jié)時(shí)間為2.97 ms，約為149 Ts，符合設(shè)計(jì)小于400 Ts調(diào)節(jié)時(shí)間要求.

圖11 切換模態(tài)仿真波形圖一

（2）雙輸入源共同供電工作模式與Vs2單獨(dú)供電工作模式切換仿真

雙輸入源共同供電工作模式與Vs2單獨(dú)供電工作模式切換仿真結(jié)果如圖12所示，其中vin1為Vs1輸出電壓.時(shí)間為100 ms時(shí)，Vs1輸出電壓為0 V，停止供電，由Vs2單獨(dú)供電，從圖中可以看出輸出電流i0迅速穩(wěn)定，其調(diào)節(jié)時(shí)間為4.71 ms，約為236 Ts，符合設(shè)計(jì)小于400 Ts調(diào)節(jié)時(shí)間要求；在150 ms時(shí)，Vs1重新加入供電，為雙輸入源共同供電，從圖中可以看出輸出電流i0迅速穩(wěn)定，其調(diào)節(jié)時(shí)間為6.31 ms，約為316 Ts，符合設(shè)計(jì)小于400 Ts調(diào)節(jié)時(shí)間要求.

圖12 切換模態(tài)仿真波形圖二

3.3 工作效率特性曲線

在通過(guò)使用Saber仿真軟件對(duì)雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)潆娐饭ぷ髟磉M(jìn)行閉環(huán)仿真，求得拓?fù)潆娐饭ぷ餍?，其特性曲線如圖13所示，由圖可以看出，工作效率隨著輸出功率增大而增大，達(dá)到額定輸出功率時(shí)，趨于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)，系統(tǒng)效率為96.8%，符合雙輸入降壓型Cuk直流變換器拓?fù)潆娐忿D(zhuǎn)換效率要求.

圖13 系統(tǒng)工作效率特性曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于一種新型非隔離降壓型Cuk變換器的工作原理，研究設(shè)計(jì)出一種雙輸入降壓型Cuk直流變換器，通過(guò)其工作原理與工作性能分析，并利用Saber進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得出了相應(yīng)的仿真結(jié)果，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了雙輸入降壓型Cuk直流變換器的有效性和可靠性.為探索一種可以用一個(gè)多路輸入源集成直流變換器來(lái)代替多個(gè)單路輸入源并聯(lián)直流變換器，來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載端輸出穩(wěn)定電流的新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)拓展了思路，為解決新能源聯(lián)合發(fā)電過(guò)程中存在電力供應(yīng)不連續(xù)、不穩(wěn)定等問題提供參考，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值.