Cuk電路效率的仿真研究

岳志明

(酒泉職業技術學院 機電工程系，甘肅 酒泉 735000)

Cuk電路效率的仿真研究

岳志明

(酒泉職業技術學院 機電工程系，甘肅 酒泉 735000)

DC-DC變換電路被廣泛研究與應用，尤其在新能源變流應用時，更需要控制方式簡單及高效率運行。Cuk電路結構易于實現雙向應用且具有功率密度高、紋波率較低的特點。通過Matlab的仿真研究，說明了L×C參量對于Cuk電路運行穩定、高效區間(fs,D)確定，即對工作頻率、效率、紋波率、輸出電壓及輸出功率等進行設計與調節的簡潔有效性；提出了負載變化時高效率保持恒L×C值的有效調節方法?？傊?，Cuk電路效率仿真研究對于DC-DC變換電路高效控制方法的選擇及應用有參照意義。

Cuk電路；L×C參量；效率設計；負載效率調節

Cuk電路結構易于實現雙向(充、放電)應用、功率密度較高，且具有升降壓和紋波率較低的特點。在永磁直驅風電系統MPPT控制中，通過控制Cuk 變換器的占空比來改變風力機的輸出功率，使其始終運行在最大功率曲線上，而已有的采用 Boost和 Buck 變換器(MPPT)策略存在輸出功率不穩定的問題，跟蹤效果不理想[12]。有Buck變換器與新型Cuk變換器的對比實驗，從理論及實踐兩方面證明新型Cuk變換器的磁損耗低，同占空比情況下效率比Buck變換器高2～3個百分點，電流脈動小，能夠降低開關管的開通損耗[13]。

在一般的DC-DC變換器系統級設計中，L、C值是在設定頻率fs、紋波電壓ruo、VO及IO條件下進行[14]，電路工作在CCM與DCM臨界狀態時均有推論L×C∝f(D)/(ruofs2)。本文對Cuk電路進行圍繞L×C值的仿真研究，進而得到提高電路效率的簡單調節方法。

1 仿真實驗

建立Matlab/Simulink電路如圖1所示。

圖1 Cuk電路Matlab/Simulink結構模型圖

1.1D、fs變化時的效率仿真

1.1.1 大L×C、低頻工作的仿真

TS(?e-5)121 708101 70881 70861 70841 70831 70821 70811 7081 7080 9219049 9137 198070Pi、PoUo振蕩65 8450 31106 58111 10104 20112 3096 3572 8858 1860104 12100 5399 0299 8499 9999 8976 0562 2750109 0997 0393 5291 2591 8892 9492 7878 3165 0140128 9199 6385 4981 5180 3781 3583 9485 3173 1162 1130115 8782 9370 9768 4566 2968 1668 4872 0866 9556 412051 5748 348 2347 4149 0457 0446 5710負Pi

TS(?e-5)121 708101 70881 70861 70841 70831 70821 70811 7081 7089008007026 9503514 545457 0093464 3715852 0066891 71919806027 6150614 893627 8028754 7846892 3483370 8119080

續表2

表3 TS(*e-5)時輸出電壓平均值 V

1.1.2 小L×C、高頻工作仿真

考慮較高頻工作狀態進行驗證。取L1=L2=1.5e-5，C1=C2=4.7e-5，R=10 Ω，D=50，此時對應L×C=7.053e-10，即有T=166.83e-6 s或f=5 994.1 Hz，仿真結果見表4～表6；再取D=50，L1=L2=1.5e-6，C1=C2=4.7e-6，R=10 Ω，對應L×C=7.053e-12，即T=166.83e-7 s或f=59 941 Hz，仿真結果見表7～表9。

TS(?e-6)121 70881 70841 70831 70821 70811 7081 17089087 6366 4258 7149 5737 428070PiPoUo及振蕩負Uo90 9174 8270 3562 2547 6685 93100 0070 1262 8352 766080 5868 1165 3961 0651 2950106 7974 9962 0358 7755 0148 4840101 1166 3554 8151 4248 5944 823088 0956 0945 6643 5040 2535 752040 6334 1132 6429 3325 6310負Pi

TS(?e-6)121 70881 70841 70831 70821 70811 7081 170890395 2813019 121454 4728432 2813691 1834319530 51519835180385 5288025 563916 5907733 8629281 7139090310 60060060170-222 4210026 890767 6163614 8454472 7225130890 90702947860180 4444027 722777 9077435 0682262 6927784581 35135135150120 5128028 220868 1592045 2910052 9411764711 2793176974088 46154024 538897 5566755 3254442 9629629631 0695187173063 5658922 222227 7834185 1689862 9850746271 0771992822044 1558416 949156 7183464 8484853 0303030301 09890109910負Pi

表6 TS(*e-6)時輸出電壓平均值 V

TS(?e-7)131 70891 70851 70841 70831 70821 70811 7081 170890807060Pi、Po、Uo振蕩，Uo有負18 0912 2711 2210 8910 7210 1719 869 958 156 946 235 7117 7710 547 975 944 393 6815 249 467 845 473 612 405036 3313 498 396 755 173 141 644036 0911 576 215 724 162 691 133024 949 044 894 413 021 970 00206 313 262 512 061 170 0010Pi有負

TS(?e-7)131 791 70851 70841 70831 70821 70811 7081 170890201 936 5217410 55287 282914 4585993 8461540 92449980214 545 4545513 28799 655175 8333333 0269061 21580570216 849 3506516 335511 528826 9627853 6529681 77731360206 651 6717318 276813 166148 0246914 3392501 43061550185 751 8518519 090314 559399 2277804 8717951 762977

續表8

表9 TS(*e-7)時輸出電壓平均值 V

1.2 負載變化時的效率仿真

表10 TS =41.708e-5、L=C=2.655e-4負載變化時的輸出

表11 TS =41.708e-5、L=5.31e-4，C=1.327 7e-4負載變化時的輸出

續表11

2 結束語

通過仿真可見，L×C參量對于Cuk電路二次η設計、ruo及uo、Po等的控制調節有效且簡潔，有具體的應用參照意義：

1)由L×C參量可確定fs的穩定范圍，fs>4/3f或Ts< 3/4T；且fs提高時η、Po、ruo等減小，穩定工作的D區間擴大；而fs降低時η、ruo增大，及至出現振蕩；過低的D時會出現電源負功率。

3)在重載時ruo變大甚至電路振蕩，可以采用提高fs的方法解決。輕載時效率降低，ruo減小，這時改變L、C參數而保持L×C不變、使TRC=10TLC/4，高效率將仍然能夠保持。

4)電路起動產生的電流沖擊現象[15]，可以高fs、低D起動來限制起始uo/Po，從而避免。

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Simulation Study of the Efficiency for Cuk Converter

YUE Zhiming

(Department of Electromechanical Engineering, Jiuquan Vocational and Technical College, Jiuquan 735200, China)

While Cuk DC-DC converter is widely researched and applied, especially as new energy converter, it’s more and more urgent to improve the efficiency with simple control method. The Cuk symmetry circuit structure is easy to achieve bidirectional converter with higher power density and low ripple rate. By the simulation with Matlab/Simulink, this paper presentsL×Ccharacteristic of the Cuk circuit with which the circuit’s effective and stable operating range of(fs,D)can be achieved and its efficiency, operating frequency, output voltage, ripple rate and output power can be designed and regulated effectively and concisely. Then, one presents an effective modulation method of the converter with a constantL×Cvalues as the load changing up or down, and so higher efficiency can be kept. All this is a reference to the DC-DC converter efficiency control scheme choice in practical application.

Cuk converter; characteristicL×C; efficiency design; load efficiency adjustment

2014-05-30；修改日期: 2014-06-11

酒泉職業技術學院科研基金資助項目(XYKY[2014]Z-3)。

岳志明(1969-)，男，碩士，講師，研究方向：信息系統與計算機控制。

TM46

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.011