直流開關(guān)電源------CUK變換器

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計前言什么是電源？佷難用一句話概括。但是，現(xiàn)代人誰能離得開電源？貪食住行離不開電源，文化娛樂、辦工學(xué)習(xí)、科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、教育、環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運輸、照明、通訊、宇宙探索等等，哪一樣能少得了電源？只要用電就離不了電源。絕大部分的電是由發(fā)電廠生產(chǎn)發(fā)送的，稱為市電。白熾燈、電爐、交流電動機等只要接通市電就行；計算機、電視機、X光機等雖然也是打開開關(guān)就能工作，但是這些機器里面都已經(jīng)做了電能變換處理，將正弦的交流市電轉(zhuǎn)換成各自需要的直流電、高壓電、脈沖電在無法提供市電的島嶼、車船上，可以用蓄電池經(jīng)過電能變換獲得跟市電一樣的交流電，讓計算機、儀器設(shè)備等工作起來

2、；進入太空的的衛(wèi)星、飛行器，把太陽能收集起來，再經(jīng)過電能變換獲是需要的各種電能來維持長期運行，電能是寶貴的資源，需要珍惜和節(jié)約。近年來，電力電子技術(shù)發(fā)展迅猛，直流開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于計算機、郵電通信、電力系統(tǒng)和航空航天領(lǐng)域。如今，笨重型、低效的電源裝置己經(jīng)被輕小型，高效電源所取代。為了實現(xiàn)電源裝置的高性能、高效率、高可靠性，減小體積和重量，必須實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，為此先后有人提出了諧振變換器、準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器、零電流開關(guān)PWM變器和零電流開關(guān)PWM變換器、零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器和零電流轉(zhuǎn)換PWM變換器等等。本次設(shè)計將設(shè)計直流開關(guān)電源CUK變換器讓大家了解它的工作原理及其它性能。 第一部

3、分 概述一、開關(guān)電源的分類現(xiàn)代開關(guān)電源分為直流開關(guān)電源和交流開關(guān)電源兩類,前者輸出質(zhì)量較高的直流電,后者輸出質(zhì)量較高的交流電。開關(guān)電源的核心是電力電子變換器。電力電子變換器是應(yīng)用電力電子器件將一種電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或多種形式電能的裝置，按轉(zhuǎn)換電能的種類，可分為四種類型：直流-直流變換器，它是一種直流電能轉(zhuǎn)換成另一種或多種直流電能的變換器，是直流開關(guān)電源的主要部件；逆變器，是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電能變換器，是交流開關(guān)電源和不間斷電源UPS的主要部件；整流器，是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電能變換器；交交變頻器，是將一頻率的交流電直接轉(zhuǎn)換為另一種恒定頻率或可變頻的交流電，或是將變頻交流電直接轉(zhuǎn)換為恒頻交

4、流電的電能變換器。這四類變換器可以是單向變換的，也可以是雙向變換的。單向電能變換器只能將電能從一個方向輸入，經(jīng)變換后從另一個方向輸出；雙向電能變換器可實現(xiàn)電能的雙向流動。二、直流變換器的分類直流變換按輸入與輸出間是否有電氣隔離可分為兩類：沒有電氣隔離的稱為不隔離的直流變換器，有電氣隔離的稱為有隔離的直流變換器。不隔離的直流變換器按所用有源功率器的個數(shù)，可分為單管、雙管、和四管三類。單管直流變換器有六，即降壓式（BUCK）變換器、升降壓式（BOOST）變換器、升降壓式（BUCK/BOOST）變換器、CUK變換器、ZETA變換器和SEPIC變換器等。在這六種單管變換器中，降壓式和升降式變換器是最基

5、礎(chǔ)的，另處四種是從中派生的。雙管直流變換器有雙管串接的升降壓式（BUCK/BOOST）變換器。全橋直流變換器（FULL-BRIDGE CONVERTER）是常用的四管直流變換器。有隔離的直流變換器也可按所用有源功率器件數(shù)量來分類。單管的有正激式（FOR-WARD）和反激式（FLYBACK）兩種。雙管有雙管正激（DOUBLE TRANSISTOR FORWARD CONVERTER）、雙管反激（DOUBLE TRANSISTOR FLYBACK CONVERTER）、推挽（PUSH-PULL CONVERTER）和半橋（HALF-BRIDGE CONVERTER）等四種。四管直流變換器就是全橋直

6、流變換器（FULL-BRIDGE CONVERTER）。有隔離的變換器可以實現(xiàn)輸入與輸出間電氣隔離，通常采用變壓器實現(xiàn)隔離，變壓器本身具有變壓的功能，有利于擴大變換器的應(yīng)用范圍。變壓器的應(yīng)用還便于實現(xiàn)多路不同電壓或多路相同電壓的輸出。在功率開關(guān)管電壓和電流定額相同時，變換器的輸出功率通常與所用開關(guān)管的數(shù)量成正比，故四管變換器的輸出功率最大，而單管變換器的輸出功率小。沒有隔離的變換器和有隔離的變換器組合得到單個變換器不具備的特性。按能量傳遞來分，直流變換器有單向和雙向兩種。具有雙向功能的充電器在電源正常時向電池充電，一旦電源中斷，它可以將電池電能返回電網(wǎng)，向電網(wǎng)短時間應(yīng)急供電。直流電動機控制用變

7、換器也是雙向的，電動機工作時將電能從電源傳遞到電動機，制動時將電機電能回饋給電源。直流變換器也可分為自激式和他控式。借助于變換器本身的正反饋信號實現(xiàn)開關(guān)管自持周期性開關(guān)的變換器叫做自激式變換器，洛耶爾變換器是一種典型的推挽自激式變換器。他控式直流變換器中的開關(guān)器件控制信號由專門的控制電路產(chǎn)生。按開關(guān)管的開關(guān)條件，直流變換器可分為硬開關(guān)和軟開關(guān)兩種，硬開關(guān)直流變換器的開關(guān)器件是在承受電壓或流過電流的情況下接通或斷開電路的，因此在開通或關(guān)斷過程中伴隨著較大的損耗，即所謂的開關(guān)損耗。變換器工作狀態(tài)一定時，開關(guān)管開通或關(guān)斷一次的損耗也是一定的，因此開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。同時，開關(guān)過程中還會激起電

8、路分布電感和寄生電容的震蕩，帶來附加損耗，因而硬開關(guān)直流變換器的開關(guān)頻率不能太高。軟開關(guān)直流變壓器的開關(guān)管在開通或關(guān)斷過程中，或是加于其上的電壓為零，即零電壓開關(guān)，這種開關(guān)方式顯著地減少了開關(guān)損耗和開關(guān)過程中引起的震蕩，可以大幅度地提高開關(guān)頻率，為變換器的小型化的模塊化創(chuàng)造了條件。功率場效應(yīng)管是多子器件，有高的開關(guān)速度，但同時也有較大的寄生電容 它關(guān)斷時，在外電壓作用下其寄生電容充滿電，如果在它開通前不將這部分電荷放掉，則將消耗于器件內(nèi)部，這就是容性開通損耗。為了減少以致消除這種損耗，功率場效應(yīng)管宜采用零電壓開通方式，絕緣柵雙極性晶體管（Insulated gate bipolar trans

9、istor,IGBT）是一種復(fù)合器件，關(guān)斷時的電流降為零，則可以顯著降低開關(guān)損耗，因此IGBT宜采用零電流關(guān)斷方式。IGBT在零電壓條件下關(guān)斷，同樣也能減少關(guān)斷損耗，但是MOSFET在零電流條件下開通并不能減少容性開關(guān)損耗。諧振變換器RC、準(zhǔn)諧振變換器QRC、多諧振變換器MRC零電壓開關(guān)PWM變換器、零電流開關(guān)變換器、零電壓轉(zhuǎn)換ZVT變換器和零電流變換器等均屬于軟開關(guān)直流變換器。電力電子器件和零開關(guān)變換器電路拓?fù)涞陌l(fā)展，促使了高頻電力電子的誕生。三、直流開關(guān)電源及其應(yīng)用直流開關(guān)電源是具有直流變換器且輸出電壓恒定或按要求變化的直流電源，其輸入為直流電，也可以是交流電。直流開關(guān)電源部分或全部句喲以

10、下特征：1、電源電壓和負(fù)載在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時，輸出電壓應(yīng)保持在允許的范圍內(nèi)變化。2、輸入與輸出間有好的電氣隔離。3、可以輸出單路或多路電壓，各路之間有電氣隔離。直流開關(guān)電源與直流線性電源相比有：1、電力電子器件在開關(guān)狀態(tài)工作，電源內(nèi)部損耗小，效率高。2、開關(guān)頻率高，電源體積和重量小。開關(guān)電源主要用于向模擬或數(shù)字電子設(shè)備供電。直流電動機速度或位置控制器實際上也是開關(guān)電源，由于電動機有電動和制動兩種工作狀態(tài)，故使用雙向變換器，通常稱為電動機控制器，很少稱為開關(guān)電源。通常的直流開關(guān)電源不包括直流電動機控制器。現(xiàn)代家用電子電器（如電視機、錄象機、VCD等），個人計算機，測試儀器（如示波器信號發(fā)生器、

11、波形分析儀等）和生物醫(yī)學(xué)儀器都采用開關(guān)電源。直流開頭電源還在工業(yè)裝置、大型計算機、通信系統(tǒng)、航空航天和交通運輸?shù)雀鱾€方面使用。大型計算機、通信系統(tǒng)、航空航天器中的電源是分布式電源系統(tǒng)，包括三個部分：第一部分為發(fā)電系統(tǒng)，第二部分是一次電源，第三個部分是二次電源。發(fā)電系統(tǒng)是將其他能量轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，例如人造衛(wèi)星和空間站中的硅太陽電池陣，飛機上的由航空發(fā)動機傳動的無刷發(fā)電機，通信電源的50Hz地面電源或柴油發(fā)電機等。一次電源用于將變化范圍較大的輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧妮敵鲭妷海缛嗽煨l(wèi)星中的蓄電池充電放電器和并聯(lián)調(diào)節(jié)器，飛機變速恒頻電源中的變換器，通信電源中的開關(guān)整流器。二次電源則直接面向用電設(shè)備，如

12、電子設(shè)備、通信設(shè)備中印制板上的模塊電源等。分布式電源系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)、一次電源和部分二次電源為多冗余度電源，電源間互相并聯(lián)，電源模塊內(nèi)有運行狀態(tài)監(jiān)控電路，可準(zhǔn)確判斷電源故障，并切除故障電源，因而有較高的可靠性。同時，一次電源和輸出都并有蓄電池，從而防止發(fā)電系統(tǒng)或個別一次電源故障引起的匯流條電壓中斷，實現(xiàn)了不間斷供電。因此，分布式電源系統(tǒng)是高可靠和不間斷供電系統(tǒng)，目前只有直流供電系統(tǒng)才能實現(xiàn)完善的不間斷供電。四、對直流開關(guān)電源和要求電源是電子設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)部件，有很高的要求，包括使用要求和電氣性能要求。使用要求是：高的可靠性、好的可維修性、小的體積重量、低的價格及使用費用和好的電氣性能。平均故

13、障間隔時間MTBF是衡量開關(guān)電源和其他設(shè)備可靠性的重要標(biāo)志，某些電源模塊的MTBF已大于50萬小時。減小損耗、提高效率和改善散熱條件，從而減小電源的溫度升高，是提高可靠性的基本方法。加強生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，保證好的電氣絕緣和機械強度等也十分和重要。對于中大型開關(guān)電源，改善可維修性十分重要。及時診斷故障部位，不用專用工夾具即能排除故障是可維修性好壞的衡量標(biāo)志。或者說，不需要熟練工人而能在較短時間內(nèi)排除故障的電源就具有好和可維修性。因此這些開關(guān)電源必須有計算機故障檢測、保護、診斷和故障記憶與報警電路。可維修性包括現(xiàn)場維修和車間維修兩個方面?，F(xiàn)場維修要求在電源系統(tǒng)運行情況下快速卸下故障電源模塊，更換新

14、模塊，并有新模塊方便地投入系統(tǒng)運行。車間維修是對故障電源本身的修理。對于小功率電源模塊則一般不再修理。隨著芯片集成的不斷提高，電子設(shè)備內(nèi)功能部件的體積不斷減小，因而要求設(shè)備內(nèi)部電源的體積和重量不斷減小。直接裝在印制板上的模塊電源，還要求薄型化。對于為電子設(shè)備配套的電源，即使它并不在電子設(shè)備內(nèi)部，也要求有小的體積和重量。提高開關(guān)頻率是減小開關(guān)電源體積和重量的基本措施，因為變壓器和電感電容等濾波元件的體積和重量隨頻率的提高而減小。提高開關(guān)頻率要求發(fā)展高速電力電子器件和高頻損耗的磁芯及電容器，發(fā)展高強度、高絕緣性能和高導(dǎo)熱性的絕緣材料，發(fā)展新型的零開關(guān)損耗電路拓?fù)浜拖鄳?yīng)的電源結(jié)構(gòu)與工藝方法。降低開關(guān)

15、電源生產(chǎn)成本和使用費是提高市場競爭力的主要條件。電源的電氣性能對于電子設(shè)備的工作有重要影響，電子設(shè)備的發(fā)展對開關(guān)電源和電氣性能要求也不斷提高。開關(guān)電源在家用電子電器和個人計算機中的應(yīng)用，對安全性提出了更高的要求，就防止電源故障危害人身安全直流開關(guān)電源的電氣性能包括輸入特性、輸出特性、附加功能、電磁兼容性和噪聲容限。直流開關(guān)電源的輸入電源有兩種：直流電源和交流電源。交流輸入時，交流電壓往往要先經(jīng)整濾波變換成直流電壓后，再通過直流變換器轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹绷麟妷?。使用直流電源時，電源電壓額定值及其變化范圍，輸入電流額定值及其變化范圍。輸入沖擊電流，輸入電壓的突然下降或瞬時斷電，輸入漏電流等是必須考慮的因

16、素。輸入為交流時還必須考慮輸入電壓相數(shù)，電源額定頻率用項變動范圍，輸入電流波形和輸入功率因數(shù)等要求。輸出參數(shù)有額定輸出電壓、電流，輸出電壓可變范圍，輸出電流變化范圍和輸出電壓的紋波。輸出電壓穩(wěn)壓精度是直流開關(guān)電源的重要技術(shù)指標(biāo)，輸入電壓的變化、負(fù)載電流的變化、工作環(huán)境溫度的變化和工作時間的增長都會使電源輸出電壓變化。穩(wěn)壓精度包括負(fù)載效應(yīng)（負(fù)載調(diào)整率）和源效應(yīng)（電網(wǎng)調(diào)整率）。負(fù)載將就是指當(dāng)負(fù)載在0100%額定電流范圍內(nèi)變化時，輸出電壓的變化量與輸出電壓整定值的比值。源效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化時，輸出電壓的變化量與輸出電壓整定值的比值。開關(guān)電源還應(yīng)有輸出過壓、欠壓、過流和過熱等保護功能

17、，以免損壞用電設(shè)備。在構(gòu)成電源系統(tǒng)時，開關(guān)電源還應(yīng)有遙控、遙測和遙信功能。開關(guān)電源應(yīng)有電能轉(zhuǎn)換效率、低的噪音、好的電磁兼容性和絕緣性能等。直流開關(guān)電源的發(fā)展高頻化、小型化、模塊化和智能化是直流開關(guān)發(fā)展方向。高頻化是小型化和模塊基礎(chǔ)化的基礎(chǔ)，目前開關(guān)頻率為婁百KHZ的開關(guān)電源已有使用。功率重量比或功率體積比是表征電源小型化的重要指標(biāo)，50W（）的開關(guān)電源早已上市，目前已向120（）發(fā)展。模塊化與小型化分不開，同時模塊化可顯著提高電源的可行性和使用靈活性，簡化生產(chǎn)和使用。模塊電源的并聯(lián)、串聯(lián)和級聯(lián)即便于用戶使用，便于生產(chǎn)。智能化是便于使用和維修的基礎(chǔ)，無人值守的電源機房、航空和航天器電源系統(tǒng)等等都

18、要求高度智能化，以實現(xiàn)正常、故障應(yīng)急和危急情況下對電源的自動管理。直流變換器的工作原理，包括BUCK變換器、BOOST變換器、BUCK（）BOOST變換器、CUK變換器、ZETA變換器和SEPIC變換器等六種不隔離的直流變換器，以及FORWARD變換器、FLYBACK變換器、推挽變換器、半橋變換器和全橋變換器等五種有隔離的直流變換器。這將為后面討論這些直流變換器的軟開關(guān)技術(shù)打下基礎(chǔ)第二部分CUK變換器一、主電路拓?fù)浜涂刂品绞接捎贐UCK/BOOST變換器的在中間，所以輸入和輸出電流的脈動都很在大，針對BUCK/BOOST變換器的這個缺點，美國加州理工學(xué)院SLOBODAN CUK教授提出了單管C

19、UK變換器，該變換器在輸入端和輸出端均有電感，從而顯著地減小了輸入和輸出電流的脈動，其主電路見圖一（A）。和BUCK或BOOST相比，CUK電路有兩個電感，輸入是電感和輸出電感，另外還增加了一個電容。它的輸出電壓極性和輸入電壓相反，與BUCK/BOOST是相同。另一個與BOOCK/BOOST的相同點是輸出電壓也可低于、等于或高于輸入電壓。開關(guān)管Q也是采用PWM控制方式。圖一圖一（續(xù)）CUK變換器也有電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作方式。但與前三種變換器不同，這里不是指電感電流的斷續(xù)，而是指流過二極管的電流連續(xù)或斷續(xù)。在一開關(guān)周期中開關(guān)管Q的截止時間（1-）內(nèi)，若二極管電流總是大于零，則為電流連續(xù)；若二極

20、管電流在一段時間內(nèi)為零，則為電流斷續(xù)工作；若二極管電流在t=時剛降為零，則為臨界連續(xù)工作方式。圖一（B）和（C）分別給出了電流連續(xù)和斷續(xù)時的主要波形圖。圖二給出了CUK變換器在不同開關(guān)模態(tài)時的等效電路。當(dāng)電感電流連續(xù)時，CUK變換器存在兩種開關(guān)模態(tài)，如圖二（A）和（B）所示；而當(dāng)電感電流斷續(xù)時，CUK變換器存在三種開關(guān)模態(tài)，如圖二（A）、（B）和（C）所示。CUK變換器中有兩個電感，這兩個電感之間可以沒有耦合，也可以有耦合，耦合電感可進一步減小電流脈動量。圖二 不同開關(guān)模態(tài)下的等效電路 圖二（續(xù)）二、電流連續(xù)時CUK變換器的工作原理和基本關(guān)系1、 工作原理 在分析之前，這里給出了一個假設(shè)，電容

21、容量很大，變換器在穩(wěn)態(tài)工作時，的電壓基本保持恒定，為。（） 開關(guān)模態(tài)0，參考圖一（）在t=0時，開關(guān)管Q導(dǎo)通，CUK變換器以Q為界分為左右兩個回路。左回路中電源電壓全部加到電感上，電感電流線性增長。右回路電容經(jīng)負(fù)載和放電。D在作用下反偏截止。和的電流全部流經(jīng)Q。 （1） （2） 當(dāng)t=時，達(dá)到最大值，達(dá)到最大值，在Q導(dǎo)通期間，和的增長量和分別為：= （3）= (4)（） 開關(guān)模態(tài)勢2，參考一（）在t=時刻，判斷，續(xù)流，形成以為邊界的左右兩個回路。和的電流全部流經(jīng)。左回路中電源電壓和串接給充電，因容量較大，充電時電壓增加不多，但電感儲能因向轉(zhuǎn)移而使下降；右邊回路中電感電流在輸出電壓作用下下降。兩

22、個電感電流的下降率分別為： (5) （6） 當(dāng)t=時，達(dá)到最大值，達(dá)到最大值，在導(dǎo)通期間，和的減小量和分別為：=()=(1) （7） （8） 在t=時，Q又導(dǎo)通，開始另一個開關(guān)周期。由此可見，CUK變換器中電源能量經(jīng)過三次變換才到負(fù)載，第一次是Q導(dǎo)通，電感儲能增長，電能轉(zhuǎn)換為磁儲能；第二次是Q截止，的磁能轉(zhuǎn)移為的電能存儲著；第三次是Q導(dǎo)通，的電能轉(zhuǎn)移到負(fù)載的輸出 回路的電感和電容。實際上，第一、三兩個轉(zhuǎn)換是同時進行的。2、基本關(guān)系穩(wěn)態(tài)工作時，Q導(dǎo)通期間電感和的電流的增長量和分別等于在Q截止期間的減小量和。那么從式（3）、（4）、（7）和（8）可得： （9） （10）假定變換器的損耗為零，可得：

23、 （11）開關(guān)管和二極管在截止時所承受的電壓為： （12）電感和平均電流分別為和，那么輸入和輸出電流為： （13） （14）開關(guān)管Q和二極管D在導(dǎo)通期間的平均電流分別為、，即 （15）將式（12）代入式（4）和（5），并且將（11）和（6）重寫于此，則有： （16） （17） （18） （19） 從式（16）-（19）可以看出，CUK變換器中兩電感電流增長率和下降率僅與、和自身電感大小有關(guān)。電感確定后，兩電流增長增率只由大小決定，下降率只與有關(guān)。若=，則Q導(dǎo)通時， ；D導(dǎo)通時，即兩電感電流的變化率相同。三、電流斷續(xù)時CUK變換器的工作原理和基本關(guān)系若減小負(fù)載電流，相應(yīng)地也減小，因為不計損耗時。

24、小到一定值時，的最小值=0，但因，故二極管電流的最小值 ，變換器仍處于電流連續(xù)工作方式。在進一步減小時，波形出現(xiàn)負(fù)值，如圖一（C）所示。若的負(fù)值的最大值的絕對值正好和的最小值相等，則在t=時，正好為零，此即為CUK變換器的電流臨界連續(xù)工作方式。波形有負(fù)值表示中電流反向流動國，這是由儲能導(dǎo)致的。 若進一步減小負(fù)載電流，則CUK變換器進入電流斷續(xù)工作狀態(tài)。從波形可見，在t=期間，=0,在這段時間內(nèi)，保持不變，大小為同樣, 也保持不變，大小為，但為負(fù)，為正，且=，故+=0。此時形成一個環(huán)流在、和與負(fù)載間流動，由于+，故=0，電感電流沒有變化，也沒有感應(yīng)電動勢。由電感上平均電壓為零的原理，可以得到電流

25、斷續(xù)時輸出電壓和輸入電壓間關(guān)系為： (20)式中，+，為二極管續(xù)流時間，。于是有： (21)為了得到電流關(guān)系，先假定電感的電流有正負(fù)變化，即在Q導(dǎo)通時和的瞬時值為： （22） （23） 因=，故上式可寫成： （24） （25）Q導(dǎo)通期間電流和增加量和為： （26） （27） 故和的平均值和分別為： （28） （29）設(shè)變換器損耗為零，=，將此式與式（21）、（28）和（29）聯(lián)解，得到的表達(dá)式： （30） 由此可見，若，則=0，電流斷續(xù)工作時回路中沒有環(huán)流，若（），即，與,中電流有負(fù)值的假定相符，則回路中有和同向的環(huán)流，而在時，回路中環(huán)流方向與的正方向相同。利用式（21）和（30）可求得電流斷續(xù)工作時，與、及間的關(guān)系。四、兩電感有耦合的CUK變換器如果電感和繞在同一鐵芯上，則兩個電感互相耦合，除自感之外還有互感M，通常用耦合系數(shù)來表示耦合程度。設(shè)變換器在電流連續(xù)狀態(tài)下工作，不計損耗，則在Q導(dǎo)通期間有下式： （32） 在Q截止期間有： （33） （34）式中和是電感和中電流在Q導(dǎo)通