浅析CUK直直变换器

时间：2020-12-08 20:05:48　来源：雅意学习网本文已影响人

　　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
　　中图分类号：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图。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图如图一所示：
　　图1：直直变换器分类

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