基于软开关与磁集成技术的Cuk变换器

变流技术一 电气自动化)2于软开关与磁集成技术的肥工业大学电气与自动化工程学院(安徽合肥230009)钟安明汤华奇 摘要：介绍了一种新型同时应用了软开关与磁集成技术，实现输入、输出电感的电流零纹波，主开关管零电压开通，从而 大大减少了高频开关电源的损耗和噪声，提高系统的整体效率和功率密度。描述了该变换器的拓扑结构、工作原理、参数设计方 法，并对该变换器进行仿真，仿真结果证明了理论分析的正确性。 关键词：软开关磁集成中图分类号】献标识码】A【文章编号】10003886(2010)03003303 A 30009， uk er is in he MI，of er he of n it of veer， 引言 据行变换后 得到的，其拓扑如图1(a)所示。它由一个中间电容C。传输功率， 并且在开关管开通、关断期间，变换器能够持续传输功率。输入、 输出端各有一电感厶、厶，假如能实现输入、输出电感的电流零纹 波，便可以大大减小射频干扰(电磁干 扰( 软开关技术 】，就是利用谐振原理，在功 率开关器件的开通或关断过程中，使开关管的 电压或电流等于零，实现功率开关器件的零电 压开通或零电流关断，从而解决了硬开关方式 工作带来的诸多问题。 磁集成技术(是将 分立磁性元件通过一定的耦合，集成到一个磁 芯上，既减小了电力电子装置的体积，提高系统 的功率密度，又减小了纹波，简化各种滤波器， 增强了装置的电磁兼容能力。 在新型半导体器件、新电磁材料、新变换技 术、新控制理论和新软件的时代背景下，开关电 源朝着高频率、高效率、高功率密度、高功率因 数和高可靠性方向快速发展。本文将软开关、 磁集成技术相结合，应用到 有巨大的理论与实用价值。 1 在基本的入一个软开关单元，实现主开关 零电压转换(同时，将电感厶、厶耦合在一个磁芯上，实现 电感与电感的磁集成，软开关与磁集成技术结合，便产生了图 1(b)所示的新型电路拓扑。该拓扑一个开关周期的具体工作过程 (a)基本o (b)新型 1 鬯 上。 T (c】新型隔商 换器 (d)新型1 l 33 电气自动化)2010年第32卷第3期 变流技术 在文献【4】中已有详细讲解，本文不再重复。 11隔离型了增强输入、输出之间的抗干扰能力，提高变换器的整体可 靠性，在图1(b)的基础上，引入一个高频变压器 ，便实现了输 入、输出之间电气隔离，如图I(c)所示。在这个变换器中，假如能将 厶、厶和 集成到一个磁芯上，实现电感和变压器的磁集成，就可 以大大降低磁性元件的重量与体积，提高变换器的功率密度。同 时，谐振电感用一个匝比I：1的高频变压器代替，用于释放谐振能 量，提高系统的可靠性与变换效率。该隔离型理与之前分析的非隔离计方法也一致。 12耦合电感分析了阐述厶、 电流零纹波工作原理，先分析一下耦合电感 的等效电路。图2为耦合电感拓扑和中 、 分别为电感 、厶的匝数， 为互感， 、 分别为 、厶的 纹波电压， 为磁化电感，厶，、厶，分别为原、副边漏感，其中， = M，L =。 (b)定 = (2) 譬 1 34 I 设置一个耦合电感，但设计成本很高，不利于技术的推广。 图1(c)所示的隔离型以将厶、 与变压器成到一个磁芯上，实现厶、 同时实现电流零纹波。按照图3所 示，将厶、 、级绕组共同绕制于一个铁氧体1、2分别为厶、 的绕组，、4分别为 的初、次级绕组。 图3电感、变压器集成模型示意图 外侧磁芯柱留有相等的气隙，而中间磁芯柱无气隙，厶、厶之问 无耦合。厶、厶分别与级绕组耦合，合理匹配匝比与耦合 系数，便可将厶、厶的纹波电流转移到而实现厶、厶均为电 流零纹波。转移到宏观上看，并不影响 变压器的正常工作，变压器的电压变换率在磁集成前后不发生变 化。这是磁集成技术中的一种特殊方式解耦集成“。 2 _ l 新型感、电 容和高频变压器的设计与选取，本文主要讲述零电压转换(开关单元的设计，其他元件的设计方法和常规型，在文献【2 中已有详细的推导与讲解。 21谐振电感L 。、D。的电压应力都为输入、输出电压之和 ( + )，电流应力都为输入、输出电流之和(厶 + )。谐振电感 厶决定了主二极管D 的关断速度，但是，由于不同的变流器中二 极管反向恢复特性不一样，相对来说难于准确计算，广泛采用的方 法是，取电流线性上升时间主二极管反向恢复时间 的3 倍，所以选取了D。之后，查得反向恢复时间t ，由t 即可确定厶： 厶= (4) 22谐振电容 谐振电容c 控制主开关s。漏源极电压变化率dus 关断时，小动态电压应力，降低开 关损耗和，宜采用高频、低等效串联电阻(低等 效串联电感(电容，关断时间用于准确确定电容G，总的谐 振电容值包含了主开关S。的输出电容。 5) 23辅开关S：和辅二极管开关S 和辅二极管D：的电压应力为( 。+ )，电流应力 为： 2：生 (6) 其中，D 应采用超快恢复二极管，在续流电流过零时，迅速进 入截止状态，防止厶与输出电容 发生谐振。 表1仿真模型元件参数 变流技术 电气自动化2010年第32卷第3期 图4输出电压U。 (a) 和 不耦合时 ts 和L 合时 图5不同条件下。厶、 ：上的电流 3仿真结果与分析 按照前面的分析方法，本文设计了一个新型隔离， =60V，P=10075，25。在电力电子系统仿真软件立图1(c)模型并仿 真，仿真模型的参数如表1所示： 输出电压波形 如图4所示，仿真结果表明，该够实现出电压快速稳定在60V。 图5给出了在不同条件下，厶、厶上的电流波形，其中(a)为 厶、 不耦合时，(b)为厶、 耦合时的情况，比较各电流波形，便 可以看出磁集成以后 、 基本零纹波，进而大大减小了减小了滤波电容的大小。 图6给了在不同条件下，s 开通过程的电压、电流波形，其中 (a)为不加入压、电流波形有交叠，为硬开关工作 s电压 k b L 005 ts (a】不加入 、 、s,A ； f S E 流 f l 0049998 005 0050002 ts (b)加入 2 H 0 图6不同条件下，式；(b)为加入与电压下降到零，但 s。还没有驱动信号，s。体二极管导通，从而出现电流反向的现象， 当流迅速上升至( +厶z)，实现零电压开 通，大大减小了开关损耗，提高变换装置的整体效率。 4结论 软开关与磁集成技术是开关电源高频化、高效率、高功率密度 发展的有效途径，本文所提出的新型键技术的具体应用，从而大大改善了变换器的整体性能。给出了 述输入、输出电感同时实现零纹波的 原理，并进行了一系列的仿真，仿真结果证实了理论分析的正确 性，具有一定的理论意义和实用价值。 参考文献 1】uk D】983，30(1)： 1029 2】张占松，蔡宣三开关电源的原理与设计M】(修订版)北京，电子工 业出版社，2004：4652 【3B一RL一Fof a 】3of 007：19721977 4】 999，46 (4)：780786 5】hwa MV 】001，48(1)：8290 【6】林国庆一种新型的零电压零电流转移电机工程 学报，2007，27(22)：106109 7】Kra 002，17(6)：866873 【81x超平，刘晓东，凌志斌等三相单