学文网摘 要 近年来，电力电子技术发展迅猛，直流开关电源广泛应用于计算机、邮电通信、电力系统和航空航天领域。如今，笨重型、低效的电源装置己经被轻小型，高效电源所取代。必须实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量，为此先后提出了谐振变换器、准谐振变换器和多谐振变换器、零电流开关PWM变器和零电流开关PWM变换器、零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器等等。探讨了直流开关电源CUK变换器的工作原理及其它性能。
关键词 CUK直直变换器 直直变换器 直流开关电源 应用
中***分类号：TM46 文献标识码：A
电源是现代生活必需品，衣食住行离不开电源，文化娱乐、办公学习、科学研究、国防建设、交通运输都离不了电源。计算机、电视机、X光机等虽然也是打开开关就能工作，但是这些机器里面都已经做了电能变换处理，将正弦的交流市电转换成各自需要的直流电、高压电、脉冲电。另外用蓄电池经过电能变换可获得电能。卫星、飞行器，把太阳能收集起来，再经过电能变换获是需要的各种电能来维持长期运行。近年来，通信技术发展迅速，通信产品日趋小型化、绿色化，这对其供电模块，即通信电源模块，提出了越来越高的要求。通信电源模块的发展趋势为高效率、高功率密度、高可靠性，与此同时，它还要有良好的动态性能和适应宽输入范围的能力，这些对通信电源模块的设计提出了很大的挑战，尤其是宽输入范围。由于通信电源模块大多数时间工作在额定电压下，因此保证额定输入电压时的高效率十分重要，它是高功率密度和高可靠性的保障。针对宽输入电压范围，选择合适的电路拓扑十分重要。Buck 型拓扑结构的变换效率最高点一般在输入电压较低时，而Boost 型则恰恰相反，因此很难在额定输入电压时取得最高的效率。
1直直变换器概述
1.1直直变换器源头
要想探究变换器的源头，我们就要先来了解一下开关电源的分类。现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类，前者输出质量较高的直流电，后者输出质量较高的交流电。开关电源的核心是电力电子变换器。电力电子变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置，按转换电能的种类，可分为四种类型：直流-直流变换器，它是一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件；逆变器，是将直流电转换为交流电的电能变换器，是交流开关电源和不间断电源UPS的主要部件；整流器，是将交流电转换为直流电的电能变换器；交交变频器，是将一频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或可变频的交流电，或是将变频交流电直接转换为恒频交流电的电能变换器。这四类变换器可以是单向变换的，也可以是双向变换的。单向电能变换器只能将电能从一个方向输入，经变换后从另一个方向输出；双向电能变换器可实现电能的双向流动。近些年还有人提出一种新颖的四开关Buck-Boost 变换器及其控制策略，该变换器由Buck变换器和Boost变换器级联等效而成，其可以将宽范围的输入电压高效率变换到额定电压附近，这样对后级变换器而言输入就是一个窄范围，从而保证了后级变换器的优化设计；与此同时，四开关Buck-Boost变换器的滤波工作模式还保证了额定输入电压附近效率的最高。之后，推导出输入与输出电压关系式和电感电流纹波理论值。设计并制作出样机，经实验证明理论分析的正确性，并给出详细的实验数据，包括MOSFE T驱动时序、漏源极波形、电压纹波、输入与输出电压关系验证表和开关占空比与主电路效率关系曲线***。它以TI的MSP430F6638芯片为控制核心，主电路以四开关单电感Buck-Boost结构为拓扑，采用同步整流控制，外扩驱动电路和电压、电流检测电路。MOSFET驱动信号是由430片内两个PWM 模块发出的四路PWM 波提供，通过430片内12位ADC采集输入电压、电流和输出电压、电流，通过数字PI 算法来调节PWM 占空比即可实现电源的恒压、恒流输出和恒定功率输出。系统外接了键盘和液晶屏可进行人机交互。另外其通信端口可以和其它设备进行通信，可根据系统要求进行电源参数设定。高效性、灵活性和宽范围的输入、输出电压是数字开关电源的重要性能指标。对于主电路拓扑的选择考虑在不需要隔离的电源系统中，尽量不采用有变压器的拓扑，以提高效率；在非隔离型的基本变换器中具有升降压功能的拓扑Buck-Boost、Cuk、Zeta 和Sepic，但Buck-Boost 和Cuk的输出电压与输入电压极性相反，使检测电路设计复杂化；而Cuk、Zeta 和Sepic所需储能元件多，不利于电源参数的灵活调节。本系统主电路采用同步整流方式控制的四开关单电感Buck-Boost 结构。它是由一个同步Buck 电路通过电感桥接到一个同步Boost 电路。此电路具有升降压功能，把原有的Buck电路和Boost电路的续流二极管用低导通电阻的MOSFET管代替，利用其反向导电特性降低了导通损耗，提高了转换效率。
1.2直流变换器的分类
直流变换按输入与输出间是否有电气隔离可分为两类：没有电气隔离的称为非隔离的直流变换器，有电气隔离的称为隔离的直流变换器。非隔离型的直流变换器按所用有源功率器的个数，可分为单管、双管、和四管三类。隔离型的变换器可以实现输入与输出间电气隔离，通常采用变压器实现隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换器的应用范围。非有隔离型的变换器和隔离型的变换器组合得到单个变换器不具备的特性。按能量传递来分，直流变换器有单向和双向两种。
按开关管的开关条件，直流变换器可分为硬开关和软开关两种。软开关直流变压器的开关管在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关，这种开关方式显著地减少了开关损耗和开关过程中引起的震荡，可以大幅度地提高开关频率，为变换器的小型化的模块化创造了条件。
直直变换器分类示意***如***一所示：
***1：直直变换器分类
1.3直直变换器基本概念
直直变换器，即直流/直流变换器，它是将一种直流电源变换成另一种具有不同输出特性的直流电源的电力电子装置。直直变换器可将某种直流电能变换成负载所需的电压或电流可控的直流电源，它通过对电力电子器件的快速通、断控制，而反恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，通过控制占空比的变化来改变这一脉冲序列的脉冲宽度，以实现输出电压平均值的调节，再经输出滤波器滤波，在负载上得到电压可控的直流电能。
1.4控制输出电压方法
控制输出电压的基本方法有以下三种：
（1）定频调宽控制，称为脉冲宽度调制型，即：PWM型。
（2）定宽调频控制，称为脉冲频率调制型。
（3）调频调宽混合控制。
在固定开关频率的脉宽调制（PWM）方法中，开关通、断控制信号由此产生。
2 Cuk直直变换器
2.1 Cuk直直变换器基本形式及工作状态
Cuk直直变换器是非隔离型变换器的一种，Cuk型电路可以看成是由升压型电路和降压型前后级联而成的。Cuk电路及Cuk等效电路如***二所示。
***2：Cuk电路（左）及Cuk等效电路（右）
（1）S通时，Ui―L-S回路和R-L1-C1-S回路有电流。
（2）S断时，Ui―L-C1-D回路和R-L1-D回路有电流。
（3）电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。
2.2 利用伏秒平衡推导
对电感L：UiTon =（Uc1-Ui）Toff
对电感L1：（Uc1+U0）Ton=- U0 Toff
U0/Ui=-D/（1-D）
等式右边的负号表示输出电压与输入电压极性相反，其输出电压即可以高于其输入电压，也可以低于输入电压。
2.3优点
与升降压斩波电路相比，期优点在于输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。
3 直流开关电源及其应用
直流开关电源是具有直流变换器且输出电压恒定或按要求变化的直流电源，其输入为直流电，也可以是交流电。直流开关电源部分或全部符合以下特征：电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的范围内变化；输入与输出间有好的电气隔离；可以输出单路或多路电压，各路之间有电气隔离。
直流开关电源与直流线性电源相比，其电力电子器件在开关状态工作，电源内部损耗小，效率高；开关频率高，电源体积和重量小。
直流开关电源在大型计算机、通信系统、航空航天器中的电源是分布式电源系统，包括三个部分：第一部分为发电系统，第二部分是一次电源，第三个部分是二次电源。发电系统是将其他能量转化为电能的设备一次电源用于将变化范围较大的输入电压转变为所需的输出电压。二次电源则直接面向用电设备，分布式电源系统的发电系统、一次电源和部分二次电源为多冗余度电源，电源间互相并联，电源模块内有运行状态监控电路，可准确判断电源故障，并切除故障电源，因而有较高的可靠性。同时，一次电源和输出都并有蓄电池，从而防止发电系统或个别一次电源故障引起的汇流条电压中断，实现了不间断供电。因此，分布式电源系统是高可靠和不间断供电系统，目前只有直流供电系统才能实现完善的不间断供电。
4对直流开关电源的要求
电源是电子设备正常工作的基础部件，有很高的要求，包括使用要求和电气性能要求。使用要求是：高的可靠性、好的可维修性、小的体积重量、低的价格及使用费用和好的电气性能。平均故障间隔时间MTBF是衡量开关电源和其他设备可靠性的重要标志。减小损耗、提高效率和改善散热条件，从而减小电源的温度升高，是提高可靠性的基本方法。加强生产过程质量控制，保证好的电气绝缘和机械强度等也十分和重要。对于中大型开关电源，改善可维修性十分重要。及时诊断故障部位，不用专用工夹具即能排除故障是可维修性好坏的衡量标志。可维修性包括现场维修和车间维修两个方面。现场维修要求在电源系统运行情况下快速卸下故障电源模块，更换新模块，并有新模块方便地投入系统运行。车间维修是对故障电源本身的修理。对于小功率电源模块则一般不再修理。随着芯片集成的不断提高，电子设备内功能部件的体积不断减小，因而要求设备内部电源的体积和重量不断减小。直接装在印制板上的模块电源，还要求薄型化。提高开关频率要求发展高速电力电子器件和高频损耗的磁芯及电容器，发展高强度、高绝缘性能和高导热性的绝缘材料，发展新型的零开关损耗电路拓扑和相应的电源结构与工艺方法。降低开关电源生产成本和使用费是提高市场竞争力的主要条件。直流开关电源的输入电源有两种：直流电源和交流电源。交流输入时，交流电压往往要先经整滤波变换成直流电压后，再通过直流变换器转变为所需的直流电压。使用直流电源时，电源电压额定值及其变化范围，输入电流额定值及其变化范围。输入冲击电流，输入电压的突然下降或瞬时断电，输入漏电流等是必须考虑的因素。输入为交流时还必须考虑输入电压相数，电源额定频率用项变动范围，输入电流波形和输入功率因数等要求。开关电源还应有输出过压、欠压、过流和过热等保护功能，以免损坏用电设备。直流开关电源的发展高频化、小型化、模块化和智能化是直流开关发展方向。智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和航天器电源系统等等都要求高度智能化，以实现正常、故障应急和危急情况下对电源的自动管理。
5 CUK变换器电路拓扑和控制方式
由于BUCK/BOOST变换器的Lf在BUCK/BOOST变换器的这个缺点，美国加州理工学院SLOBODAN （下转第188页）（上接第163页）CUK教授提出了单管CUK变换器，该变换器在输入端和输出端均有电感，从而显著地减小了输入和输出电流的脉动。和BUCK或BOOST相比，CUK电路有两个电感，输入是电感L1和输出电感L2，另外还增加了一个电容C1。它的输出电压Vo极性和输入电压Vin相反，与BUCK/BOOST是相同。另一个与BOOCK/BOOST的相同点是输出电压Vo也可低于、等于或高于输入电压Vin。开关管Q也是采用PWM控制方式。变换器也有电流连续和断续两种工作方式。但与前三种变换器不同，这里不是指电感电流的断续，而是指流过二极管的电流连续或断续。在一开关周期中开关管Q的截止时1-Dy）TS内，若二极管电流总是大于零，则为电流连续；若二极管电流在一段时间内为零，则为电流断续工作；若二极管电流在t=Ts时刚降为零，则为临界连续工作方式。
6结语
本文力***按照直流开关电源软开关技术的发展过程来论述各类软开关技术的基本思路、概念和工作原理，使大家能从中得到一些有益的思路，并且举一反三，从而进一步丰富和发展直关电源软开关技术。特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源还应用在有输出过压、欠电压、过流和过热等保护功能，以免损坏用电设备。在构成电源系统时，开关电源还应有遥控、遥测和遥信功能。以及开关电源应有高的电能转换效率、低的噪音、好的电磁兼容性和绝缘性能等。
参考文献
[1] Bimal K.Bose著，王聪译.现代电力电子学与交流传动[M].机械工业出版面，2013.
[2] 朱震莲.现代交流调速系统[M].西安：西北工业大学出版社，1994.
转载请注明出处学文网 » 浅析CUK直直变换器