CN109474172A - 一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，包括：直流电源，为待转换的储能或发电设备；升压网络，用于将直流电源进行升压；正激网络，用于将升压网络的输出经正激电路输出同极性脉动直流至滤波网络，并将输入直流电压和输出直流电压进行隔离；滤波网络，用于滤除所述正激网络输出的脉动直流的交流成分以获取稳定的同极性直流输出，本发明可在较宽的输入电压范围内实现高效率电能转换。

Description

一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路

技术领域

本发明涉及DC-DC变换技术领域，特别是涉及一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路。

背景技术

随着新能源发电产业的大力发展，能量变换的效率也受到广泛重视。然而，可再生能源发电装置的输出功率并不稳定，特别是海洋波浪能、风能等清洁能源的能量抖动频繁，使得发电装置的输出直流电压一直较低且变化剧烈，无法直接应用于直流负载或者逆变并网。因此，亟需研究一种具有宽输入电压特性的DC-DC变换器，以满足可再生能源发电设备的需要。

Cuk变换器也称Cuk斩波电路，是由美国加州理工学院Slobodan Cuk提出的对Buck/Boost变换器改进的单管不隔离直流变换器。传统Cuk变换器，如图1所示，由第一滤波电感L1、第一滤波电容C1、第二滤波电感L2、第二滤波电容C2、开关管Q1、续流二极管D和直流电源UE以及负载R组成，其中，直流电源UE正端与第一滤波电感L1、第一滤波电容C1、第二滤波电感L2依次串联，负载R接在第二滤波电感L2和直流电源UE负端间，开关管Q1的漏极连接第一滤波电感L1与第一滤波电容C1的公共端，开关管Q1的栅极接PWM控制信号，续流二极管D的阳极连接第一滤波电容C1与第二滤波电感L2的公共端，开关管Q1的衬底和源极、续流二极管D的阴极连接直流电源UE负端。传统Cuk变换器具有对输入电压进行升降压的功能，且开关管承受电压应力小、输入电流波形连续，因而得到了广泛的应用。但要实现高增益，其开关管的占空比往往较大，不利于能量转换效率的提高。此外传统Cuk变换器输出电压是负极性的(在负载R上的直流电压极性与直流电源UE的极性相反)且不具备电气隔离特性，在可再生能源发电领域应用受到极大限制。

为了解决可再生能源发电的现实需求，需要提出一种具有高电压增益，进而适用于宽输入电压范围且具备电气隔离特性和正输出电压极性的Cuk变换器成为亟待解决的问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，以在较宽的输入电压范围内实现高效率电能转换的目的。

为达上述及其它目的，本发明提出一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，包括：

直流电源，为待转换的储能或发电设备；

升压网络，用于将直流电源进行升压；

正激网络，用于将升压网络的输出经正激电路输出同极性脉动直流至滤波网络，并将输入直流电压和输出直流电压进行隔离；

滤波网络，用于滤除所述正激网络输出的脉动直流的交流成分以获取稳定的同极性直流输出。

优选地，所述升压网络并联在所述直流电源和正激网络之间，所述正激网络连接滤波网络，构成具有电气隔离特性的宽输入电压变换器拓扑电路。

优选地，所述升压网络包括第一滤波电感L₁、第一滤波电容C₁、第一二极管D₁和第一开关管Q₁。

优选地，所述直流电源的正端连接至第一滤波电感L₁的一端，第一滤波电感L₁的第二端连接第一二极管D₁的阳极和第一开关管Q₁的漏极，第一开关管Q₁的栅极接第一脉宽调制控制信号PWM1，第一二极管D₁的阴极连接第一滤波电容C₁的一端以及所述正激网络，第一开关管Q₁的源极和衬底、第一滤波电容C₁的第二端接所述直流电源的负端。

优选地，所述正激网络包括变压器原边W₁、副边W₂、复位电感W₃、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄和第二开关管Q₂。

优选地，所述第二开关管Q₂的漏极和复位电感W₃的异名端连接所述第一二极管D₁的阴极，所述复位电感W₃的同名端连接第二二极管D₂的阴极，所述第二二极管D₂的阳极以及所述变压器原边W₁的异名端接所述直流电源负端，所述第二开关管Q₂的源极和衬底连接变压器原边W₁的同名端，第二开关管Q₂的栅极接第二脉宽调制控制信号PWM2，所述变压器副边W₂的同名端连接至第三二极管D₃的阳极，第三二极管D₃的阴极连接第四二极管D₄的阴极和所述滤波网络，第四二极管D₄的阳极接所述变压器副边W₂的异名端以及所述滤波网络。

优选地，所述滤波网络包括第二滤波电感L₂以及第二滤波电容C₂，第二滤波电感L₂的第一端连接所述第三二极管D₃及第四二极管D₄阴极，所述第二滤波电感L₂的第二端连接第二滤波电容C₂的第一端和负载的电源正端，所述第四二极管D₄的阳极、第二滤波电容C₂的第二端和负载的电源负端连接至所述变压器副边W₂的异名端。

优选地，所述负载两端的输出电压是正极性的。

优选地，所述拓扑电路通过控制第一开关管Q₁和第二开关管Q₂的工作方式，调节所述第一开关管Q₁、第二开关管Q₂的占空比，并通过增加了变压器变比这一控制变量，实现对输入电压的高增益。

优选地，所述拓扑电路稳态输出时的电压增益G为：

其中d₁、d₂分别为所述第一开关管Q₁和第二开关管Q₂的占空比，为变压器原边与副边的匝比。

与现有技术相比，本发明一种宽输入电压范围隔离型Cuk变换器拓扑电路通过将传统单开关Cuk变换器改造为输入电压与输出电压极性相同的两开关Cuk变换器，并将正激网络代替两开关Cuk变换器中的Buck单元，通过使变换器的两个开关管的占空比可分别控制，且增加变压器变比这样一个控制变量，只需较小的占空比就可以将低等级电压升至高等级的电压，更有利于变换器的优化设计与控制，可在较宽的输入电压范围内实现高效率电能转换。

附图说明

图1为传统单开关Cuk变换器的拓扑电路图；

图2为本发明一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路的电路结构图；

图3为本发明具体实施例中的变换器第一种工作情况下主要波形示意图；

图4a、图4b为本发明具体实施例中的第一种工作情况下的等效电路图，分别对应模态1、模态2；

图5为本发明具体实施例中的变换器第一种工作情况下的电路仿真波形；

图6为本发明具体实施例中的变换器第一种工作情况下的实验波形；

图7为本发明具具体实施例中的变换器第二种工作情况下的主要波形图；

图8a、图8b、图8c为本发明具体实施例中的第二种工作情况下的等效电路图，分别对应模态1、模态2、模态3；

图9为本发明具体实施例中的变换器第二种工作情况下电路仿真波形；

图10为本发明具体实施例中的变换器第二种工作情况下实验波形；

图11为本发明具体实施例中的变换器第三种工作情况下的主要波形图；

图12a、图12b、图12c为本发明具体实施例中的第三种工作情况下的等效电路图，分别对应模态1、模态2、模态3；

图13为本发明具体实施例中的变换器第三种工作情况下电路仿真波形；

图14为本发明具体实施例中的变换器第三种工作情况下实验波形。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图2为本发明一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路的电路结构图。如图2所示，本发明一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，包括：升压网络10、正激网络20、滤波网络30、直流电源40和负载50。

其中，升压网络10由第一滤波电感L₁、第一滤波电容C₁、第一二极管D₁和第一开关管Q₁组成，用于将直流电源40进行升压；正激网络20由变压器原边W₁、副边W₂、复位电感W₃、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄和第二开关管Q₂组成，连接升压网络，用于将升压网络的输出经正激电路后输出同极性脉动直流至滤波网络，并将输入直流电压和输出直流电压进行隔离；滤波网络30由第二滤波电感L₂、第二滤波电容C₂组成，用于滤除正激网络20输出的脉动直流的交流成分以获取稳定的同极性直流输出U_O；直流电源40为待转换的储能或发电设备，用直流电压源U_E等效，用于给转换电路供电；负载50为用电设备，本发明中用电阻R₁等效。

直流电压源U_E的正端连接至第一滤波电感L₁的一端，第一滤波电感L₁的第二端连接第一二极管D₁的阳极和第一开关管Q₁的漏极，第一开关管Q₁的栅极接第一脉宽调制控制信号PWM1，第一二极管D₁的阴极连接第一滤波电容C₁的一端、第二开关管Q₂的漏极和复位电感W₃的异名端，复位电感W₃的同名端连接第二二极管D₂的阴极，第二开关管Q₂的源极和衬底连接变压器原边W₁的同名端，第二开关管Q₂的栅极接第二脉宽调制控制信号PWM2，第一开关管Q₁的源极和衬底、第一滤波电容C₁的第二端、第二二极管D₂的阳极以及变压器原边W₁的异名端连接至直流电压源U_E的负端；

变压器副边W₂的同名端连接至第三二极管D₃的阳极，第三二极管D₃的阴极连接第四二极管D₄的阴极和第二滤波电感L₂的一端，第二滤波电感L₂的第二端连接第二滤波电容C₂的一端和负载R₁的电源正端，第四二极管D₄的阳极、第二滤波电容C₂的第二端和负载R₁的电源负端连接至变压器副边W₂的异名端。

承上所述，本发明之宽输入电压范围隔离型Cuk变换器拓扑，先将传统单开关Cuk变换器改造为输入电压与输出电压极性相同的两开关Cuk变换器，并将正激网络代替两开关Cuk变换器中的Buck单元，该变换器稳态输出时的电压增益G为：

其中，K₁₂＝W₁/W₂为变压器原边与副边的匝比。

第二开关管占空比d₂的约束条件为：

其中，K₁₃＝W₁/W₃为变压器原边与励磁线圈的匝比。

因此，本发明所提供的拓扑电路为具有电气隔离特性和正向输出电压的双管Cuk变换器，通过恰当控制第一开关管Q₁和第二开关管Q₂的工作方式，可自由调节第一开关管Q₁、第二开关管Q₂的占空比，并且增加了变压器变比这一个控制变量，可实现对输入电压的高增益，因而非常适用于输入电压波动剧烈的新能源发电系统电能变换。以下将通过具体实施例来说明：

在本发明具体实施例中，设定第一、第二开关管的占空比分别为d₁、d₂，第一、第二滤波电容电压分别为U_C1、U_C2，第一、第二滤波电感电流分别为i_L1、i_L2，输入电压为U_E、输出电压为U_O、变压器原边、副边、复位电感的匝数分别为W₁、W₂、W₃，其电压分别为U_W1、U_W2、U_W3，设定输出电压增益为G，设定开关周期为T_S。

在本发明具体实施例中，该拓扑电路具有三种工作情况：第一种工作情况是第一开关管(Q₁)、第二开关管(Q₂)同时导通与关断；第二种工作情况是在工作周期起始时刻第一开关管(Q₁)导通，经过一段时间后关断，再将第二开关管(Q₂)导通，并在该工作周期结束时关断；第三种情况是起始时刻第一开关管(Q₁)导通，第二开关管(Q₂)关断，经过一段时间后，两个开关管都导通，然后第一开关管(Q₁)关断，第二开关管(Q₂)导通。

图3为本发明之宽输入电压范围隔离型Cuk变换器拓扑电路第一种工作情况下主要波形示意图。首先配合图3对本发明之宽输入电压范围隔离型Cuk变换器拓扑工作在第一种工作情况下进行分析，在一个开关周期(t₀～t₂)内不同阶段的2个工作模态，分别描述如下：

工作模态1[t₀～t₁]：

对应图4a。在t₀时刻，第一开关管Q₁、第二开关管Q₂同时导通，此时输入电压U_E向第一滤波电感L₁充电，第一二极管D₁承受反压截止，第一滤波电容C₁向变压器原边W₁充电，第二二极管D₂承受反压截止，第三二极管D₃导通，变压器副边W₂与第二滤波电感L₂、第二滤波电容C₂向负载R₁充电。

工作模态2[t₁～t₂]：

对应图4b。在t₁时刻，第一开关管Q₁、第二开关管Q₂同时关断，此时第一二极管D₁导通，输入电压U_E和第一滤波电感L₁向第一滤波电容C₁放电，变压器复位电感W₃也向第一滤波电容C₁放电，第四二极管D₄导通，第三二极管D₃承受反压截止，第二滤波电感L₂向第二滤波电容C₂以及负载R₁放电。

以输入电压U_E＝12V，占空比d₁＝d₂＝0.4，W₁:W₂:W₃＝1:1:1为例，对应的输出电压增益G＝0.66，输出电压U_O＝8V，与传统单开关Cuk变换器的增益相同，对应的仿真结果与实验结果分别如图5、图6所示。

图7为本发明之宽输入电压范围隔离型Cuk变换器拓扑电路第二种工作情况下的主要波形图。以下对本发明之宽输入电压范围隔离型Cuk变换器拓扑工作在第二种工作情况下进行分析，在一个开关周期(t0～t3)内不同阶段的3个工作模态，分别描述如下：

工作模态1[t₀～t₁]：

对应图8a。在t₀时刻，第一开关管Q₁导通，第二开关管Q₂关断，此时输入电压U_E向第一滤波电感L₁充电，第一二极管承受反压截止，变压器复位电感W₃向第一滤波电容C₁放电，第二滤波电感L₂向第二滤波电容C₂和负载R₁放电。

工作模态2[t₁～t2]：

对应图8b。在t₁时刻，第一开关管Q₁关断，第二开关管Q₂维持关断，此时第一二极管D₁仍然截止，输入电压U_E与第一滤波电感L₁向第一滤波电容C₁放电，第三二极管D₃承受反压截止，第四二极管D₄导通，第二滤波电感L₂与第二滤波电容C₂一起向负载R₁放电。

工作模态3[t₂～t₃]：

对应图8c。在t₂时刻，第一开关管Q₁维持关断，第二开关管Q₂导通，第一二极管D₁导通，第二二极管D₂截止，输入电压U_E、第一滤波电感L₁、第一滤波电容C₁一起向变压器原边电感W₁放电，第三二极管D₃导通，第四二极管D₄截止，变压器副边W₂与第二滤波电感L₂一起向第二滤波电容C₂与负载R₁放电。

以输入电压U_E＝12V，占空比d₁＝d₂＝0.4，Q₂的导通时刻比Q₁滞后216^o相位，W₁:W₂:W₃＝1:2:1为例，对应的输出电压增益G＝1.33，输出电压U_O＝16V，对应的仿真结果与实验结果分别如图9、图10所示。

图11为之宽输入电压范围隔离型Cuk变换器拓扑电路第三种工作情况下的主要波形图。以下对本发明之宽输入电压范围隔离型Cuk变换器拓扑工作在第三种工作情况下进行分析，在一个开关周期(t0～t3)内不同阶段的3个工作模态，分别描述如下：

工作模态1[t₀～t₁]：

对应图12(a)。在一个周期的开始时刻t₀，开关管Q₁导通，Q₂关断，此时输入电压U_E向电感L₁充电，二极管D₁承受反压截止，变压器复位电感W₃向电容C₁放电并去磁，电感L₂向电容C₂和负载R放电。

工作模态2[t₁～t₂]：

对应图12(b)。在一个周期起始的t₀时刻，开关管Q₁、Q₂同时导通，此时输入电压U_E向电感L₁充电，二极管D₁承受反压截止，电容C₁向变压器原边W₁充电，二极管D₂承受反压截止，D₃导通，变压器副边W₂与电感L₂、电容C₂向负载R充电。

工作模态3[t₂～t₃]：

对应图12(c)。在t₂时刻，开关管Q₁维持关断，开关管Q₂导通，二极管D₁导通，二极管D₂截止，输入电压U_E、电感L₁、电容C₁一起向变压器原边电感W₁放电并充磁，二极管D₃导通，二极管D₄截止，变压器副边W₂与电感L₂一起向电容C₂与负载R放电。

以输入电压U_E＝12V，占空比d₁＝d₂＝0.6，Q₂的导通时刻比Q₁滞后144^o相位，W₁:W₂:W₃＝2:2:1为例，对应的输出电压增益G＝1.5，输出电压U_O＝18V，对应的仿真结果与实验结果分别如图13、图14所示。

综上所述，本发明一种宽输入电压范围隔离型Cuk变换器拓扑电路通过将传统单开关Cuk变换器改造为输入电压与输出电压极性相同的两开关Cuk变换器，并将正激网络代替两开关Cuk变换器中的Buck单元，通过使变换器的两个开关管的占空比可分别控制，且增加变压器变比这样一个控制变量，只需较小的占空比就可以将低等级电压升至高等级的电压，更有利于变换器的优化设计与控制，可在较宽的输入电压范围内实现高效率电能转换。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，包括：

直流电源，为待转换的储能或发电设备；

升压网络，用于将直流电源进行升压；

正激网络，用于将升压网络的输出经正激电路后输出同极性脉动直流至滤波网络，并将输入直流电压和输出直流电压进行隔离；

滤波网络，用于滤除所述正激网络输出的脉动直流的交流成分以获取稳定的同极性直流输出。

2.如权利要求1所述的一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，其特征在于：所述升压网络并联在所述直流电源和正激网络之间，所述正激网络连接滤波网络，构成具有电气隔离特性的宽输入电压变换器拓扑电路。

3.如权利要求1所述的一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，其特征在于：所述升压网络包括第一滤波电感L₁、第一滤波电容C₁、第一二极管D₁和第一开关管Q₁。

4.如权利要求3所述的一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，其特征在于：所述直流电源的正端连接至第一滤波电感L₁的一端，第一滤波电感L₁的第二端连接第一二极管D₁的阳极和第一开关管Q₁的漏极，第一开关管Q₁的栅极接第一脉宽调制控制信号PWM1，第一二极管D₁的阴极连接第一滤波电容C₁的一端以及所述正激网络，第一开关管Q₁的源极和衬底、第一滤波电容C₁的第二端接所述直流电源的负端。

5.如权利要求4所述的一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，其特征在于：所述正激网络包括变压器原边W₁、副边W₂、复位电感W₃、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄和第二开关管Q₂。

6.如权利要求5所述的一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，其特征在于：所述第二开关管Q₂的漏极和复位电感W₃的异名端连接所述第一二极管D₁的阴极，所述复位电感W₃的同名端连接第二二极管D₂的阴极，所述第二二极管D₂的阳极以及所述变压器原边W₁的异名端接所述直流电源负端，所述第二开关管Q₂的源极和衬底连接变压器原边W₁的同名端，第二开关管Q₂的栅极接第二脉宽调制控制信号PWM2，所述变压器副边W₂的同名端连接至第三二极管D₃的阳极，第三二极管D₃的阴极连接第四二极管D₄的阴极和所述滤波网络，第四二极管D₄的阳极接所述变压器副边W₂的异名端以及所述滤波网络。

7.如权利要求6所述的一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，其特征在于：所述滤波网络包括第二滤波电感L₂以及第二滤波电容C₂，第二滤波电感L₂的第一端连接所述第三二极管D₃及第四二极管D₄阴极，所述第二滤波电感L₂的第二端连接第二滤波电容C₂的第一端和负载的电源正端，所述第四二极管D₄的阳极、第二滤波电容C₂的第二端和负载的电源负端连接至所述变压器副边W₂的异名端。

8.如权利要求7所述的一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，其特征在于：所述负载两端的输出电压是正极性的。

9.如权利要求1所述的一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，其特征在于：所述拓扑电路通过控制第一开关管Q₁和第二开关管Q₂的工作方式，调节所述第一开关管Q₁、第二开关管Q₂的占空比，并通过增加了变压器变比这一控制变量，实现对输入电压的高增益。

10.如权利要求9所述的一种宽输入电压隔离型Cuk变换器拓扑电路，其特征在于，所述拓扑电路稳态输出时的电压增益G为：

其中d₁、d₂分别为所述第一开关管Q₁和第二开关管Q₂的占空比，为变压器原边与副边的匝比。