关键字 |
| CUK转换器，占空比，PI控制器，PWM |
介绍 |
| 基本非隔离Cuk变换器如图1所示。它是最好的基本DC-DC变换器之一，因为它的输出电压是负的，输出电压可能高于或低于输入电压。广泛应用于电力系统、通信、仪器仪表等领域。与标准降压升压变换器相比，基本非隔离Cuk变换器的优点是以更高的效率提供可调节的直流输出电压，这也减少了纹波电流和减少开关损耗。基本的非隔离Cuk转换器是一个开关电源，有两个电感，两个电容，一个二极管和一个晶体管开关。传输电容器Ci存储和传输能量从输入到输出。 |
图1非隔离Cuk变换器原理图 |
cuk转换器的工作方式 |
| 转换电路分为图2和图3所示两部分。在模式1中，当晶体管开关关闭时，通过电感器Li的电流上升。同时电容Ci的电压反向偏置二极管D并将其关闭。电容器Ci将其能量放电到由Ci、Co、Lo和负载组成的电路中。 |
图2模式一:开关闭合 |
| 在模式2中，当输入电压打开，开关S打开时，二极管D正向偏置，电容Ci通过Li, D和输入电源vs充电。储存在电感器Lo中的能量被传输到负载。二极管D和开关S提供同步开关动作。 |
图3模式二:Switch Open |
| Cuk转换器可以根据占空比使电压上升或下降。Cuk转换器在输入和输出都包含串联电感，因此在两个电路中都有更低的电流纹波。平均输出电压可以根据开关占空比计算出来。 |
| D =交换机开机时长/总开关时间 |
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| (其中负号表示电压反转)CUK转换器控制原理图输出电压假设为400V。在MATLAB Simulink中实现的简单CUK转换器模型如图5所示 |
图4开环非隔离Cuk变换器Simulink模型 |
| 非隔离Cuk变换器设计参数及方程: |
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| 设计变量的计算值为D=0.562, Li= 54.47 × 10-3 H, L0= 70 × 10-3 H, Ci= 1.125 × 10-6 F, C0= 0.025 × 10-6;F |
图5非隔离Cuk变换器开环响应 |
| 开环CUK变换器的结果如图7所示，其中峰间纹波电压(ΔVo)为54 Volt，最大o ver sho o t为1%。由于设计方程假设稳态条件下输入电压恒定，负载恒定，输入电压的变化将导致输出的波动，因此需要一个闭环控制器，并根据负载的要求优化参数以适应恒压输出。 |
闭环cuk变换器 |
| CUK转换器与模拟PI控制器的Simulink原理图如图8所示 |
图6闭环Cuk变换器Simulink模型 |
| 输出电压Vout与输入电压Vref进行比较，产生误差信号，经PI控制器处理产生控制电压。控制电压输入到PWM发生器，用于控制开关。PI控制器有KP和KI两个参数。 |
| PI控制器具有传递函数:C(s) =Kp+(Ki/s) |
| 其中，Kp=比例增益，Ki=积分增益 |
图7 Cuk变换器的闭环响应 |
| 闭环CUK变换器结果如图9所示，最大超调量为3.2%，沉降时间为0.0116 sec，上升时间为0.0107 sec。 |
| 表一和图8-10显示了升压电感(Li)值变化时性能参数的变化情况。 |
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 图8升压电感(Li)变化对输出电压(V O)的影响 |
| 当升压电感的值(Li)增加到设计值的两倍时，输出电压(V0)超调，沉降时间和上升时间不断增加。如果升压电感的值(Li)从其设计值下降，则输出电压(V0)超调量不断增加，沉降时间保持不变，上升时间不断减小。 |
 图9升压电感(Li)变化对电感电流(ILi)的影响 |
| 当升压电感值(Li)增加到设计值的2倍时，升压电感电流(ILi)超调量持续增加，沉降时间和上升时间保持不变。如果升压电感值(Li)低于其设计值，则升压电感电流(ILi)超调值持续增加，沉降时间和上升时间保持不变。 |
 图10升压电感(Li)变化对电感电流(ILo)的影响 |
| 当升压电感值(Li)增加到设计值的两倍时，滤波电感电流(ILi)超调，沉降时间和上升时间不断增加。如果升压电感值(Li)低于其设计值，则滤波电感电流(ILi)超调值不断增大，沉降时间和上升时间不断减小。 |
| 表ii和图11-13显示了滤波器电感(lo)值变化时性能参数的变化情况。 |
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| 图11滤波器电感(L0)变化对输出电压(VO)的影响 |
| 当纹波滤波器电感(L0)的值增加到设计值的两倍时，输出电压(V0)超调值减小，沉降时间和上升时间不断增加。如果纹波滤波器电感(LO)的值从其设计值下降到七倍，则输出电压(V0)超调量增加，沉降时间和上升时间不断减小。 |
图12滤波器电感L0的变化对电感电流ILi的影响 |
| 当纹波滤波器电感(L0)的值增加到设计值的两倍时，升压电感电流(ILi)超调量减小，沉降时间和上升时间保持不变。如果纹波滤波器电感(L0)的值从其设计值下降到7倍，则升压电感电流(ILi)超调量增加，沉降时间和上升时间保持不变。 |
图13滤波器电感(L0)变化对电感电流(ILO)的影响 |
| 当纹波滤波器电感(L0)的值增加到设计值的两倍时，滤波器电感电流(ILi)超调值减小，沉降时间和上升时间增加。如果纹波滤波器电感(L0)的值从其设计值下降到7倍，则滤波器电感电流(ILi)超调量增加，沉降时间和上升时间不断减小。 |
| 表III和图14-16显示了由于升压电容(Ci)值的变化，性能参数的变化。 |
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图14升压电容Ci变化对输出电压VO的影响 |
| 当升压电容(Ci)值增加到设计值的6倍时，输出电压(V0)超调和稳定时间增加，上升时间减小。如果升压电容(Ci)值低于设计值，则输出电压(V0)超调值减小，沉降时间保持不变，上升时间增加。 |
图15升压电容Ci变化对电感电流ILi的影响 |
| 当升压电容(Ci)值增加到设计值的6倍时，升压电感电流(ILi)超调和稳定时间不断增加，上升时间保持不变。如果升压电容(Ci)值低于设计值，则升压电感电流(ILi)超调值减小，沉降时间保持不变，上升时间增加。 |
图16升压电容(Ci)变化对电感电流(ILO)的影响 |
| 当升压电容(Ci)值增加到设计值的6倍时，滤波器电感电流(ILi)超调和沉降时间不断增加，上升时间不断减小。如果升压电容(Ci)值低于设计值，则滤波器电感电流(ILi)超调值减小，沉降时间保持不变，上升时间增加。 |
| 表iv和图17-19显示了滤波器电容(co)值变化时性能参数的变化情况。 |
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| 当滤波电容(C0)增加到设计值的2000倍时，输出电压(V0)超调值和稳定时间不断增大，上升时间不断减小，最终达到恒定值。如果滤波电容(C0)的值从设计值降低到100倍，则输出电压(V0)超调值减小，沉降时间和上升时间保持不变。 |
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| 当滤波电容(C0)增加到设计值的2000倍时，升压电感电流(ILi)超调和沉降时间不断增加，而上升时间保持不变。如果滤波电容(C0)的值从设计值降低到100倍，则升压电感电流(ILi)超调量减小，沉降时间和上升时间保持不变。 |
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| 当滤波电容(C0)增加到设计值的2000倍时，输出滤波电感电流(ILi)，沉降时间不断增大，上升时间不断减小，最终达到恒定值。如果滤波电容(C0)的值从设计值下降到100倍，则滤波电感电流(ILi)超调量变得恒定，沉降时间缓慢下降，上升时间增加。 |
结论 |
| 以电感和电容为性能参数，对恒压应用的非隔离CUK变换器进行了参数变化分析。非隔离CUK转换器已设计提供400伏直流到400瓦负载。在MATLAB SIMULINK仿真的基础上，介绍了该转换器的性能和适用性。仿真结果表明，采用降压-升压变换器的闭环系统具有高稳定性和高效率。Cuk变换器可用于通用输入电压和宽输出功率范围。Cuk转换器采用电容式能量传输。在Cuk变换器中，升压电容的变化很小，超调量和稳定时间就会有很大变化。闭环Cuk变换器的效率为98.69%。 |
表格一览 |
参考文献 |
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图8升压电感(Li)变化对输出电压(V O)的影响
图9升压电感(Li)变化对电感电流(ILi)的影响
图10升压电感(Li)变化对电感电流(ILo)的影响
