CUK双向变换器

1、开关电源的原理与设计实验报告基于 CUK的双向 DC-DC变换器的仿真与研究一、引言随着科技和生产的发展 , 对双向直流不间断电源系统、航空电源系统等应用场合增加 ,DC/DC变换器的需求逐渐增多。为了减轻系统的体积重量, 节约成本 ,在电池的充放电 , 电动汽车 ,UPS 系统 , 太阳能发电系统 , 航空电源系统等场合 , 双向 DC-DC变换器 (Bi-directional DC-DC Convener)获得了越来越广泛的应用。双向直流变换器双象限运行 , 它的输入、输出电流的方向可以改变 , 在功率传输上相当于两个单向 DC-DC变换器 , 是典型的“一机两用”设备 , 尤其在需求双

2、向能量流动的应用场合可以大幅减轻系统的体积重量和成本, 有着重要的研究价值。二、双向直流变换器的原理双向 DC-DC变换器构成和单向直流变换器类似, 可通过对单向直流变换器适当的改造来实现 . 许多单向直流变换器都可通过将其中无源开关替换为有源开关而成为双向 DC-DC变换器 , 将单向基本变换单元替换成双向基本变换单元。一般只要将单向开关电源中开关管反并联二极管；在二极管上反并联开关管， 在输入和输出端分别并联电容即可。与传统的采用两套单向 DC-DC变换器来达到能量双向传输的方案相比 , 双向DC-DC变换器应用同一个变换器来控制能量的双向传输 , 使用的总体器件数目小 , 且可以更加快速

3、地进行两个方向功率变换的切换。 再者 , 在低压大电流场合 , 一般双向 DC-DC变换器更有可能在现成的电路上使用同步整流器工作方式 , 有利于降低通态损耗。 总之 , 双向 DC-DC变换器具有高效率、 体积小、动态性能好和低成本等优势。 ( 下图为基本的 4种拓扑图 )三、 CUK双向直流变换器的工作原理L1C1DCV1V2RD2D1L2C2图 1 电能双向流动的CUK 转换器电路1、电路的工作方式电流正向流动时（从左向右） ：分为两个工作模式（1）、V1导通、 V2关断时， L1充电， C1放电， C2向负载供电， L2充电， D1、D2截止。（2）、V1、 V2都关断时， L1放电，

4、 C1、C2充电， L2通过负载放电， D1截止， D2导通。电流反向流动时，其工作方式与正向时相似，不再累述。2、基本关系式以正向流动为例：设变压器为理想变压器，变比为n=N1:N2。输入回路：di L1V1导通时： U inL1dtV1关断时： U in U C1U N 1L1di L 1dtU N 1nU N 2nU C 2 (理想变压器）U inUC1 UC2L1 di L1dt输出回路：V1 导通时：di L 2UN2 UOL2 dtU C 211U N 2n U N 1nU C1U C21UC1U OL2 di L 2ndtV1 关断时： U OL2di L 2dt由（ 1）、（2

5、）、（3）、（4），得基本关系式：DU inU On( 1 D )DnU OU innU O（ 1）（ 2）（ 3）（ 4）（ 5）（ 6）四、双向 CUK 变换器的仿真实现实验要求：（ 1） . 输入电压 Ui=24V；（ 2） . 输出电压 Uo=12V；（ 3） . 输出电流 Io=20A；（ 4） . 输出电压纹波 Vpp<200mV；（ 5） . 变换效率大于 80%；本次仿真是基于 Saber 2007软件实现的。1、开环仿真如图所示， V1和V2互补导通，通过反相器实现 V2的触发信号；输入直流 24V，输出接 30A的电流源，开关频率为 33.33KHZ；负载电阻为 0.

6、6 欧姆。由(1)(2)(3)(4)(5)(6)四式，取 L140uH , L 220uH 。仿真结果如下：（1）输出电压波形由图可知，输出电压平均值为12.096V。（2）输出电压纹波输出电压纹波为 0.08223V。（3）、输出电流波形输出电流平均值为 20.16A。（4）、开关波形与电感电流波形从图中可以看出， L1和L2中的电流都是负值，实现了电流的双向流动。2、闭环仿真本实验选用的 PWM芯片是 UC3842，芯片内部结构图如下：引脚介绍：1脚：误差放大器输出，可用于补偿。2脚：误差放大器的反相输入， 通常通过一个电阻分压器连接开关电源输出。3脚：电流采样输入。4脚：设置振荡频率，最

7、大可达500KHZ。5脚：控制电路和电源的公共地。6脚：输出直接驱动功率 MOSFET的栅极。7脚：控制集成电路的正电源端。8脚：参考输出，通过 Rt 向Ct提供充电电流。（ 1）、 UC3842外围电路的实现1.8fCT RT已知 f33.33KHz取CT3nF, RT18K（ 2）、正向仿真结果主电路参数：输入输出电容为 200u，电感 L1为 40u，L2为20u，电容 C1、C2都是 30u，负载电阻 0.6 欧姆。输入输出接电流感应器，可直接得到输入输出电流的平均值。输出电压波形：（平均值11.3V）输出电压纹波：（纹波 0.111V）输出电流波形：（平均值18.8A）采样电流和补偿

8、电流波形：（n-237 为采样电流）效率计算：P0UOIO11.318.8PinU in Iin88.5%2410(3) 反向仿真结果输出电压波形：输出电流波形：开关信号和电感电流波形：采样电流和补偿电流波形：（n-33 为采样电流）五、功率电路参数设计1、变压器设计（ 1）、确定磁芯材料和型号负载 RL=0.6 欧姆， r 为线路等效阻抗为 0.5 欧姆，所以U 0DN 2RLU in1D N1rRLN2U 0rRL 1DN1U inRL1.8D所以取匝比为 1:2 。选用软磁铁氧体R2KBD，EI40 型号，饱和磁芯Bs=5100GS，取磁感应强度变化量为3300GS，有 效截 面积Sc=

9、1.2 cm2 ， 窗口面积Q=1.76 cm2 ，所以SQ=2.112cm4 。取效率90% ，磁芯铁的填充系数Kc=1，磁芯铜的填充系数为Ku=0.4，电流密度 j500A / cm2 ，所以S Q2P0maxTON max 1080.808cm42.112cm4cB K C K j（ 2）、绕组计算原边匝数 N1U N1P DMAX TS 1082.545 ，取 3匝，所以 N26 匝。Bm AC（ 3）、导线选取变压器原边电流有效值 10A，副边电流有效值 20A。选线径 0.8mm的导线，有效截面积为0.47 mm2 ，电流密度为 j500A / cm2 ，则S1I L10.02 c

10、m2 , S2 I L 20.04cm2jjS14（原边并绕根数）， N 2S28（副边并绕根数）N1SCSC检验： K= S1N 1 +S2 N 2 =0.227<0.4 ，Q说明绕的下。2、功率器件的选择UVU DU 0U i36V功率管选择 IRFP460 MOSFET；两个二极管选择肖特基二极管SR506（5A/60V）。3、原边电感 L1设计由参数选取，输入电感L140uH输入电流有效值： I inPO9.84 A0.9U IN输入电流峰值： I inP P2I in110% 15.29A选用软磁铁氧体R2KBD，EI40 型号，饱和磁芯Bs=5100GS，取磁感应强度变化量为

11、3300GS，有 效截 面积Sc=1.2 cm2 ， 窗口面积Q=1.76 cm2 ，所以SQ=2.112cm4 ，磁芯铁的填充系数Kc=1。可得匝数NL I L p e a k 8取15匝；，10 15. 4Bm S CK C可得气隙0N 2SC0.8478mmL取 j 350A / cm2，选用 d=0.8mm的导线，其截面积为0.47 mm2 ，K150.470.04176说明可以绕的下。4、副边电感设计由参数选取，输出电感L120uH ，负载电流最大有效值I o20 ，A输出滤波电容电流有效值I COUTCOUTUO250 20010 6 12 0.75A ，所以，输出电感电流有效值I

12、 L 2I COUT2I 0220A ，考虑 20%的脉动量，则电感电流峰值I L 2_ peak2I L2120%34A 。选用软磁铁氧体R2KBD，EE55B型号，饱和磁芯 Bs=5100GS，取磁感应强度变化量为 3300GS，有效截面积Sc=3.24 cm2 ，窗口面积 Q=3.756cm2 ，磁芯铁的填充系数 Kc=1。可得匝数 NLI Lpeak108匝。BmSC KC6.35 ，取 6可得气隙0N2SC0.73mm，L取 j 350A / cm2，选用 d=0.8mm的导线，其截面积为0.47 mm2 ，可得窗口利用系数 K60.47，说明可以绕的下。0.085375.65、原副

13、边储能电容的设计由理论分析可知，中间储能电容的两端电势差在额定输出时最大，其值如下式所示，根据选择电容时最好工作电压为其耐压值的0.5 倍左右，所以 C1和C2选取 47F/25V钽电容。uc peakD ui1/ 32 12 8.484V1D1 1/36、输入输出滤波电容设计根据变换器的参数设计， 同时根据选择电容时最好工作电压为其耐压值的0.5倍左右，试验时取为200uF /25V 的无极性 CBB电容。六、总结与展望双向直流变换器和普通电力电子变换器一样, 基本要求是相同的。双向直流变换器是电力电子变换器组成部分 , 其发展轨迹是和电力电子变换器相同的。尽管双向电力电子变换器几乎是和电力电子变换器同时诞生的 , 在最早的晶闸管直流电机调速系统中就用交直双向变换器 , 以实现直流电机的电动和制动运行 , 但是双向变换器仍然是电力电子变换器的一个新分支