電源是現代生活必需品，衣食住行離不開電源，文化娛樂、辦公學習、科學研究、國防建設、交通運輸都離不了電源。在不同機械中用到的電源也不相同，本文是一篇中級職稱論文范文，主要論述了CUK直直變換器。

　　摘 要 近年來，電力電子技術發展迅猛，直流開關電源廣泛應用于計算機、郵電通信、電力系統和航空航天領域。如今，笨重型、低效的電源裝置己經被輕小型，高效電源所取代。必須實現電源裝置的高性能、高效率、高可靠性，減小體積和重量，為此先后提出了諧振變換器、準諧振變換器和多諧振變換器、零電流開關PWM變器和零電流開關PWM變換器、零電壓轉換PWM變換器和零電流轉換PWM變換器等等。探討了直流開關電源CUK變換器的工作原理及其它性能。

　　關鍵詞 CUK直直變換器,直直變換器,直流開關電源,應用

　　計算機、電視機、X光機等雖然也是打開開關就能工作，但是這些機器里面都已經做了電能變換處理，將正弦的交流市電轉換成各自需要的直流電、高壓電、脈沖電。另外用蓄電池經過電能變換可獲得電能。衛星、飛行器，把太陽能收集起來，再經過電能變換獲是需要的各種電能來維持長期運行。近年來，通信技術發展迅速，通信產品日趨小型化、綠色化，這對其供電模塊，即通信電源模塊，提出了越來越高的要求。通信電源模塊的發展趨勢為高效率、高功率密度、高可靠性，與此同時，它還要有良好的動態性能和適應寬輸入范圍的能力，這些對通信電源模塊的設計提出了很大的挑戰，尤其是寬輸入范圍。由于通信電源模塊大多數時間工作在額定電壓下，因此保證額定輸入電壓時的高效率十分重要，它是高功率密度和高可靠性的保障。針對寬輸入電壓范圍，選擇合適的電路拓撲十分重要。Buck 型拓撲結構的變換效率最高點一般在輸入電壓較低時，而Boost 型則恰恰相反，因此很難在額定輸入電壓時取得最高的效率。

　　1直直變換器概述

　　1.1直直變換器源頭

　　要想探究變換器的源頭，我們就要先來了解一下開關電源的分類。現代開關電源分為直流開關電源和交流開關電源兩類，前者輸出質量較高的直流電，后者輸出質量較高的交流電。開關電源的核心是電力電子變換器。電力電子變換器是應用電力電子器件將一種電能轉變為另一種或多種形式電能的裝置，按轉換電能的種類，可分為四種類型：直流-直流變換器，它是一種直流電能轉換成另一種或多種直流電能的變換器，是直流開關電源的主要部件;逆變器，是將直流電轉換為交流電的電能變換器，是交流開關電源和不間斷電源UPS的主要部件;整流器，是將交流電轉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換為恒頻交流電的電能變換器。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，經變換后從另一個方向輸出;雙向電能變換器可實現電能的雙向流動。近些年還有人提出一種新穎的四開關Buck-Boost 變換器及其控制策略，該變換器由Buck變換器和Boost變換器級聯等效而成，其可以將寬范圍的輸入電壓高效率變換到額定電壓附近，這樣對后級變換器而言輸入就是一個窄范圍，從而保證了后級變換器的優化設計;與此同時，四開關Buck-Boost變換器的濾波工作模式還保證了額定輸入電壓附近效率的最高。之后，推導出輸入與輸出電壓關系式和電感電流紋波理論值。設計并制作出樣機，經實驗證明理論分析的正確性，并給出詳細的實驗數據，包括MOSFE T驅動時序、漏源極波形、電壓紋波、輸入與輸出電壓關系驗證表和開關占空比與主電路效率關系曲線圖。它以TI的MSP430F6638芯片為控制核心，主電路以四開關單電感Buck-Boost結構為拓撲，采用同步整流控制，外擴驅動電路和電壓、電流檢測電路。MOSFET驅動信號是由430片內兩個PWM 模塊發出的四路PWM 波提供，通過430片內12位ADC采集輸入電壓、電流和輸出電壓、電流，通過數字PI 算法來調節PWM 占空比即可實現電源的恒壓、恒流輸出和恒定功率輸出。系統外接了鍵盤和液晶屏可進行人機交互。另外其通信端口可以和其它設備進行通信，可根據系統要求進行電源參數設定。高效性、靈活性和寬范圍的輸入、輸出電壓是數字開關電源的重要性能指標。對于主電路拓撲的選擇考慮在不需要隔離的電源系統中，盡量不采用有變壓器的拓撲，以提高效率;在非隔離型的基本變換器中具有升降壓功能的拓撲Buck-Boost、Cuk、Zeta 和Sepic，但Buck-Boost 和Cuk的輸出電壓與輸入電壓極性相反，使檢測電路設計復雜化;而Cuk、Zeta 和Sepic所需儲能元件多，不利于電源參數的靈活調節。本系統主電路采用同步整流方式控制的四開關單電感Buck-Boost 結構。它是由一個同步Buck 電路通過電感橋接到一個同步Boost 電路。此電路具有升降壓功能，把原有的Buck電路和Boost電路的續流二極管用低導通電阻的MOSFET管代替，利用其反向導電特性降低了導通損耗，提高了轉換效率。

　　1.2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非隔離的直流變換器，有電氣隔離的稱為隔離的直流變換器。非隔離型的直流變換器按所用有源功率器的個數，可分為單管、雙管、和四管三類。隔離型的變換器可以實現輸入與輸出間電氣隔離，通常采用變壓器實現隔離，變壓器本身具有變壓的功能，有利于擴大變換器的應用范圍。非有隔離型的變換器和隔離型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。

　　按開關管的開關條件，直流變換器可分為硬開關和軟開關兩種。軟開關直流變壓器的開關管在開通或關斷過程中，或是加于其上的電壓為零，即零電壓開關，這種開關方式顯著地減少了開關損耗和開關過程中引起的震蕩，可以大幅度地提高開關頻率，為變換器的小型化的模塊化創造了條件。

　　直直變換器分類示意圖如圖一所示：

　　圖1：直直變換器分類 　　1.3直直變換器基本概念

　　直直變換器，即直流/直流變換器，它是將一種直流電源變換成另一種具有不同輸出特性的直流電源的電力電子裝置。直直變換器可將某種直流電能變換成負載所需的電壓或電流可控的直流電源，它通過對電力電子器件的快速通、斷控制，而反恒定直流電壓斬成一系列的脈沖電壓，通過控制占空比的變化來改變這一脈沖序列的脈沖寬度，以實現輸出電壓平均值的調節，再經輸出濾波器濾波，在負載上得到電壓可控的直流電能。

　　1.4控制輸出電壓方法

　　控制輸出電壓的基本方法有以下三種：

　　(1)定頻調寬控制，稱為脈沖寬度調制型，即：PWM型。

　　(2)定寬調頻控制，稱為脈沖頻率調制型。

　　(3)調頻調寬混合控制。

　　在固定開關頻率的脈寬調制(PWM)方法中，開關通、斷控制信號由此產生。

　　2 Cuk直直變換器

　　2.1 Cuk直直變換器基本形式及工作狀態

　　Cuk直直變換器是非隔離型變換器的一種，Cuk型電路可以看成是由升壓型電路和降壓型前后級聯而成的。Cuk電路及Cuk等效電路如圖二所示。

　　圖2：Cuk電路(左)及Cuk等效電路(右)

　　(1)S通時，Ui―L-S回路和R-L1-C1-S回路有電流。

　　(2)S斷時，Ui―L-C1-D回路和R-L1-D回路有電流。

　　(3)電路相當于開關S在A、B兩點之間交替切換。

　　2.2 利用伏秒平衡推導

　　對電感L：UiTon =(Uc1-Ui)Toff

　　對電感L1：(Uc1+U0)Ton=- U0 Toff

　　U0/Ui=-D/(1-D)

　　等式右邊的負號表示輸出電壓與輸入電壓極性相反，其輸出電壓即可以高于其輸入電壓，也可以低于輸入電壓。

　　2.3優點

　　與升降壓斬波電路相比，期優點在于輸入電源電流和輸出負載電流都是連續的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進行濾波。

　　3 直流開關電源及其應用

　　直流開關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。直流開關電源部分或全部符合以下特征：電源電壓和負載在規定的范圍內變化時，輸出電壓應保持在允許的范圍內變化;輸入與輸出間有好的電氣隔離;可以輸出單路或多路電壓，各路之間有電氣隔離。

　　直流開關電源與直流線性電源相比，其電力電子器件在開關狀態工作，電源內部損耗小，效率高;開關頻率高，電源體積和重量小。

　　直流開關電源在大型計算機、通信系統、航空航天器中的電源是分布式電源系統，包括三個部分：第一部分為發電系統，第二部分是一次電源，第三個部分是二次電源。發電系統是將其他能量轉化為電能的設備一次電源用于將變化范圍較大的輸入電壓轉變為所需的輸出電壓。二次電源則直接面向用電設備，分布式電源系統的發電系統、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，電源模塊內有運行狀態監控電路，可準確判斷電源故障，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，從而防止發電系統或個別一次電源故障引起的匯流條電壓中斷，實現了不間斷供電。因此，分布式電源系統是高可靠和不間斷供電系統，目前只有直流供電系統才能實現完善的不間斷供電。

　　4對直流開關電源的要求

　　電源是電子設備正常工作的基礎部件，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。平均故障間隔時間MTBF是衡量開關電源和其他設備可靠性的重要標志。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。加強生產過程質量控制，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志。可維修性包括現場維修和車間維修兩個方面。現場維修要求在電源系統運行情況下快速卸下故障電源模塊，更換新模塊，并有新模塊方便地投入系統運行。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，電子設備內功能部件的體積不斷減小，因而要求設備內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。提高開關頻率要求發展高速電力電子器件和高頻損耗的磁芯及電容器，發展高強度、高絕緣性能和高導熱性的絕緣材料，發展新型的零開關損耗電路拓撲和相應的電源結構與工藝方法。降低開關電源生產成本和使用費是提高市場競爭力的主要條件。直流開關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整濾波變換成直流電壓后，再通過直流變換器轉變為所需的直流電壓。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素。輸入為交流時還必須考慮輸入電壓相數，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等要求。開關電源還應有輸出過壓、欠壓、過流和過熱等保護功能，以免損壞用電設備。直流開關電源的發展高頻化、小型化、模塊化和智能化是直流開關發展方向。智能化是便于使用和維修的基礎，無人值守的電源機房、航空和航天器電源系統等等都要求高度智能化，以實現正常、故障應急和危急情況下對電源的自動管理。

　　5 CUK變換器電路拓撲和控制方式

　　由于BUCK/BOOST變換器的Lf在BUCK/BOOST變換器的這個缺點，美國加州理工學院SLOBODAN (下轉第188頁)(上接第163頁)CUK教授提出了單管CUK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。和BUCK或BOOST相比，CUK電路有兩個電感，輸入是電感L1和輸出電感L2，另外還增加了一個電容C1。它的輸出電壓Vo極性和輸入電壓Vin相反，與BUCK/BOOST是相同。另一個與BOOCK/BOOST的相同點是輸出電壓Vo也可低于、等于或高于輸入電壓Vin。開關管Q也是采用PWM控制方式。變換器也有電流連續和斷續兩種工作方式。但與前三種變換器不同，這里不是指電感電流的斷續，而是指流過二極管的電流連續或斷續。在一開關周期中開關管Q的截止時1-Dy)TS內，若二極管電流總是大于零，則為電流連續;若二極管電流在一段時間內為零，則為電流斷續工作;若二極管電流在t=Ts時剛降為零，則為臨界連續工作方式。

　　6結語

　　本文力圖按照直流開關電源軟開關技術的發展過程來論述各類軟開關技術的基本思路、概念和工作原理，使大家能從中得到一些有益的思路，并且舉一反三，從而進一步豐富和發展直關電源軟開關技術。特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發展與應用在節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。開關電源還應用在有輸出過壓、欠電壓、過流和過熱等保護功能，以免損壞用電設備。在構成電源系統時，開關電源還應有遙控、遙測和遙信功能。以及開關電源應有高的電能轉換效率、低的噪音、好的電磁兼容性和絕緣性能等。

　　參考文獻

　　[1] Bimal K.Bose著，王聰譯.現代電力電子學與交流傳動[M].機械工業出版面，2013.

　　[2] 朱震蓮.現代交流調速系統[M].西安：西北工業大學出版社，1994.

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