CUK双向变换器.docx
《CUK双向变换器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CUK双向变换器.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
CUK双向变换器
《开关电源的原理与设计》
实验报告
鉴于CUK的双向DC-DC变换器的仿真与研究
一、前言
跟着科技和生产的发展,对双向直流不中断电源系统、航空电源系统等应用
场合增添,DC/DC变换器的需求渐渐增加。
为了减少系统的体积重量,节俭成本,
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-directionalDC-DCConvener）获取了愈来愈宽泛的应用。
双向直流变换器双象限运转,它的输入、输出电流的方向能够改变,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”设施,特别在需求双向能量
流动的应用处合能够大幅减少系统的体积重量和成本,有侧重要的研究价值。
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近似,可经过对单向直流变换器适合
的改造来实现.很多单向直流变换器都可经过将此中无源开关替代为有源开关而
成为双向DC-DC变换器,将单向基本变换单元替代成双向基本变换单元。
一般只需
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。
与传统的采纳两套单向DC-DC变换器来达到能量双向传输的方案对比,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,使用的整体器件数目小,且能够更为迅速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,有益于降低通态消耗。
总之,双向DC-DC变换器拥有高效率、体积小、动向性能好和低成本等优势。
（下列图为基本的4种拓扑图）
三、CUK双向直流变换器的工作原理
L1
C1
DC
V1
V2
R
D2
D1
L2
C2
图1电能双向流动的CUK变换器电路
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，C1、C2充电，L2经过负载放电，D1截止，D2
导通。
电流反向流动时，其工作方式与正向时相像，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：
diL1
V1导通时：
Uin
L1
dt
V1关断时：
UinUC1
UN1
L1
diL1
dt
UN1
nUN2
nUC2（理想变压器）
Uin
UC1UC2
L1diL1
dt
输出回路：
V1导通时：
diL2
UN2UO
L2dt
UC2
1
1
UN2
nUN1
nUC1
UC2
1UC1
UO
L2diL2
n
dt
V1关断时：
UO
L2
diL2
dt
由
（1）、
（2）、（3）、（4），得基本关系式：
DUin
UO
n（1D）
DnUO
UinnUO
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
四、双向CUK变换器的仿真切现
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%；
本次仿真是鉴于Saber2007软件实现的。
1、开环仿真
以下图，V1和V2互补导通，经过反相器实现V2的触发信号；输入直流24V，输出接30A的电流源，开关频次为；负载电阻为0.6欧姆。
由
（1）
（2）（3）（4）（5）（6）四式，取L140uH,L220uH。
仿真结果以下：
（1）输出电压波形
由图可知，输出电压均匀值为。
（2）输出电压纹波
输出电压纹波为。
（3）、输出电流波形
输出电流均匀值为。
（4）、开关波形与电感电流波形
从图中能够看出，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
本实验采纳的PWM芯片是UC3842，芯片内部构造图以下：
引脚介绍：
1脚：
偏差放大器输出，可用于赔偿。
2脚：
偏差放大器的反相输入，往常经过一个电阻分压器连结开关电源输出。
3脚：
电流采样输入。
4脚：
设置振荡频次，最大可达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：
参照输出，经过Rt向Ct供给充电电流。
（1）、UC3842外头电路的实现
f
CTRT
已知f
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。
输入输出接电流感觉器，可直接获取输入输出电流的均匀值。
输出电压波形：
（均匀值）
输出电压纹波：
（纹波）
输出电流波形：
（均匀值）
采样电流和赔偿电流波形：
（n-237为采样电流）
效率计算：
P0
UOIO
Pin
UinIin
88.5%
24
10
（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：
采样电流和赔偿电流波形：
（n-33为采样电流）
五、功率电路参数设计
1、变压器设计
（1）、确立磁芯资料和型号
负载RL=0.6欧姆，r为线路等效阻抗为0.5欧姆，因此
U0
D
N2
RL
Uin
1
DN1
r
RL
N2
U0
r
RL1
D
N1
Uin
RL
D
因此取匝比为1:
2。
采纳软磁铁氧体R2KBD，EI40型号，饱和磁芯Bs=5100GS，取磁感觉强度变
化量为3300GS，有效截面积Sc=1.2cm2，窗口面积Q=1.76cm2，因此
cm4。
取效率90%，磁芯铁的填补系数Kc=1，磁芯铜的填补系数为，电流
密度j500A/cm2，因此
SQ
2P0maxTONmax108
4
4
c
BKCKj
（2）、绕组计算
原边匝数N1
UN1PDMAXTS108
2.545，取3匝，因此N2
6匝。
BmAC
（3）、导线选用
变压器原边电流有效值10A，副边电流有效值20A。
选线径的导线，有效截面积为
0.47mm2，电流密度为j
500A/cm2，则
S1
IL1
0.02cm2,S2IL2
2
j
j
S1
4（原边并绕根数），N2
S2
8
（副边并绕根数）
N1
SC
SC
查验：
K
=S1N1+S2N2，
Q
说明绕的下。
2、功率器件的选择
UVUDU0Ui36V
功率管选择IRFP460MOSFET；两个二极管选择肖特基二极管SR506（5A/60V）。
3、原边电感L1设计
由参数选用，输入电感
L1
40uH
输入电流有效值：
Iin
PO
9.84A
0.9UIN
输入电流峰值：
IinPP
2Iin
采纳软磁铁氧体R2KBD，EI40型号，饱和磁芯Bs=5100GS，取磁感觉强度变
化量为3300GS，有效截面积Sc=1.2cm2，窗口面积Q=1.76cm2，因此
cm4，磁芯铁的填补系数Kc=1。
可得匝数
N
LILpeak8
取15匝；
，
1015.4
BmSCKC
可得气隙
0N2SC
L
取j350A/cm2
，采纳的导线，其截面积为
0.47mm2，
K
15
176
说明能够绕的下。
4、副边电感设计
由参数选用，输出电感L120uH，
负载电流最大有效值
Io
20，
A
输出滤波电容电流有效值
ICOUT
COUTUO
2
50200
106120.75A，
因此，输出电感电流有效值
IL2
ICOUT2
I02
20A，
考虑20%的脉动量，则电感电流峰值
IL2_peak
2IL2
120%
34A。
采纳软磁铁氧体R2KBD，EE55B型号，饱和磁芯Bs=5100GS，取磁感觉强度变
化量为3300GS，有效截面积Sc=3.24cm2，窗口面积cm2，磁芯铁的填
充系数Kc=1。
可得匝数N
L
ILpeak
10
8
匝。
BmSCKC
6.35，取6
可得气隙
0N2SC
，
L
取j350A/cm2
，采纳的导线，其截面积为
0.47mm2，
可得窗口利用系数K
6
，说明能够绕的下。
5、原副边储能电容的设计
由理论剖析可知，中间储能电容的两头电势差在额定输出时最大，其值以下
式所示，依据选择电容时最好工作电压为其耐压值的0.5倍左右，因此C1和C2选
取47μF/25V钽电容。
ucpeak
Dui
1/3
1
D
11/3
6、输入输出滤波电容设计
依据变换器的参数设计，同时依据选择电容时最好工作电压为其耐压值的
倍左右，试验时取为200uF/25V的无极性CBB电容。
六、总结与展望
双向直流变换器和一般电力电子变换器同样,基本要求是同样的。
双向直流变
换器是电力电子变换器构成部分,其发展轨迹是和电力电子变换器同样的。
只管双向电力电子变换器几乎是和电力电子变换器同时出生的,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转,可是双向变换器仍旧是电力电子变换器的一个新分支,是陪伴着航空航天、电动汽车、电动船舶与舰艇和新的无污染能源科技的发展而发展起来的,其远景是十分广阔
的。
本文剖析了CUK型高频电气隔绝双向DC-DC变换器的工作原理，基本数目关系，
并设计了有关参数做出了仿真。
结论基本切合设计要求，达到了实验的目的。
参照文件：
[1]刘凤君.现代高频开关电源技术及应用[M].电子工业第一版社，2008.
[2]严仰光.双向直流变换器[M].江苏科学技术第一版社,2004.
升级会员 