高增益CUK变换器及其磁集成方法与流程

高增益cuk变换器及其磁集成方法
技术领域
1.本发明涉及cuk变换器，尤其是涉及高增益cuk变换器及其磁集成方法。


背景技术：

2.随着传统能源消耗将尽，太阳能、风能、潮汐能等自然界赋予人类的新能源不断的被开发、利用。由于光能取之不竭、用之不尽，再加上国内、外科研水平的突飞猛进，近些年光伏发电的发展十分迅速，通过太阳光直接照射在阵列的光伏板上，光能的转换过程是清洁、无污染的，没有任何有害物质的产生，光伏板可以输出直流电压直接供给当地负载使用，由于光伏板的输出电压一般较低，无法满足后一级的逆变器及直流母线电压需求，简单的将电路进行串联可以获得高增益，但是当某一电路一旦失效，则整个供电系统将会失效，在光伏板与逆变器之间增加一个高增益直流变换器，将光伏板较低电压增高到直流母线以满足光伏发电系统要求，可以解决上述问题，为此研制高增益直流变换器对光伏发电系统尤为重要。
3.早期应用最广泛的线性电源效率不高，其效率不及电源传输功率的百分之五十，而且在传输过程中会有大量的热损耗；高功率密度直流变换器可以减小元器件损耗，但是高频化会造成集肤效应和邻近效应，不仅增强了对元器件的损耗，而且绕组绕制占用面积会影响磁性器件的散热、降低直流变换器转换效率；开关电源因高效率、高功率密度等优点被现代工业广泛应用，但较高的输出纹波造成开关电源的应用范围受到一定的限制。
4.如图1所示，是传统的cuk变换器，这种变换器增益有限，在新能源光伏发电系统中需要高增益直流变换器来满足下一级的逆变器及直流母线的电压要求，随着科技的发展，这种传统的cuk变换器，使用受到了局限。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供高增益cuk变换器及其磁集成方法。该cuk变换器可以显著提高电压增益，电感磁集成后电感电流纹波显著降低，同时各个开关器件电压应力明显降低，减轻元器件的损坏程度。
6.为了解决现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案是：
7.第一个方面，本发明提供一种高增益cuk变换器，包括输入电源u
in
，输入电感l1、第二电感l2、功率开关管s、第一电容c1、第一输出电容c3、负载r和第一二极管d1，所述输入电源u
in
的正极与所述输入电感l1的一端相连，所述输入电感l1的另一端分别与所述功率开关管s的发射极和所述第一电容c1的一端相连，所述功率开关管s的集电极与所述输入电源u
in
的负极相连，所述第一电容c1的另一端分别与所述第一二极管d1的阳极和所述第二电感l2的一端相连，所述第一二极管d1的阴极与所述输入电源u
in
的负极相连，所述第二电感l2的另一端与所述第一输出电容c3相连，所述第一输出电容c3与所述负载r并联；其特征在于：在所述输入电感l1的另一端与所述功率开关管s的发射极之间增加至少一个三端网络。
8.进一步地，所述三端网络包括第二电容c2、第二二极管d2和第三电感l3，所述第二
电容c2的一端与所述功率开关管s的发射极相连，所述第二电容c2的另一端分别与所述第二二极管d2的阳极和所述第三电感l3的一端相连，所述第三电感l3的另一端与所述第二输出电容c4的一端相连，所述第二输出电容c4的另一端与所述输入电源u
in
的负极相连，所述第二输出电容c4与所述负载r并联。
9.优选地，所述输入电感l1、所述第二电感l2和所述第三电感l3是磁集成一体的。
10.更加优选地，所述输入电感l1、所述第二电感l2和所述第三电感l3三个电感的集成方式为正向磁集成。
11.进一步地，集成磁件采用ee型磁芯。
12.第二个方面，本发明提供一种高增益cuk变换器的磁集成方法，包括以下步骤：
13.s1：设计输入电感l1、第二电感l2、第三电感l3耦合度；
14.s2：将所述输入电感l1、所述第二电感l2和所述第三电感l3三个电感同方向绕制在中柱上形成三个绕组，所述输入电感l1、所述第二电感l2和所述第三电感l3三个电感电流同方向；
15.s3：在三个绕组外各增加一片磁片。
16.进一步地，所述步骤s1包括以下步骤：令耦合系数k1接近全耦合，耦合系数k2处于区间[0.8-1]，选择最佳耦合系数为：k1＝0.9，k2＝0.9。
[0017]
本发明所具有的优点和有益效果是：
[0018]
本发明高增益cuk变换器，由拓扑通过增加一个三端网络使变换器电压增益增加一倍，同时将变换器中的三个电感进行了磁集成，实现了减小电感电流纹波从而降低了磁性器件损耗，同时可以减小磁性器件体积。本发明相比于传统cuk变换器电压增益显著提高，电感磁集成后电感电流纹波显著降低，甚至可以达到理论上的零纹波，同时各个开关器件电压应力明显降低，减轻元器件的损坏程度。具有高增益、低纹波、低损耗、高功率密度、高效率等优良性能。
[0019]
通过仿真软件psim对比仿真验证了在变换器基础上每叠加一个三端网络变换器，电压增益就会增加一倍。
[0020]
仿真参数：输入电压u
in
＝12v，开关频率fs＝50khz，占空比d＝0.6，负载r＝9ω，电容取值c1＝c2＝c3＝c4＝100uf，电感取值l1＝l2＝l3＝10uh。
[0021]
关于高增益，如图12、13所示为输出电压、电流仿真波形图，将输入电压u
in
＝12v、占空比d＝0.6带入式(7)得出输出电压为36v，经过仿真实验验证组合式变换器输出电压约为36v，仿真分析与理论分析一致，验证了在传统变换器基础上每叠加一个三端网络变换器，电压增益就会增加一倍。同时验证了集成方案的不同并不影响变换器输出电压值。
[0022]
关于低应力，如图14-19所示，将占空比d＝0.6带入式(11)和式(12)得出二极管、开关管电压应力均为为30v。
[0023]
如图20、21所示为电感电流纹波仿真波形图，每个图中包含电感集成前和集成后的电感电流纹波对比图，设置耦合系数：k1＝0.9，k2＝0.9，其中集成电感相比于非集成时，电感l1电流纹波由7.27a减小到2.60a，集成后电流纹波为未集成纹波的35.8％；电感l2、l3电流纹波由7.19减小到2.58a，集成后电流纹波为非集成纹波的35.7％，显著的改善了电感电流纹波。将k1和k2数值代入(18)和(19)式分别得到ε1＝0.357和ε2＝0.357，仿真分析与理论分析相吻合。
附图说明
[0024]
下面结合附图对本发明作进一步详述：
[0025]
图1为传统cuk变换器电路图；
[0026]
图2为实施例1所示高增益cuk变换器电路图；
[0027]
图3为实施例2所示高增益cuk变换器电路图；
[0028]
图4为主要工作波形图；
[0029]
图5为模态1[t0,t1]等效电路图；
[0030]
图6为模态2[t1,t2]等效电路图；
[0031]
图7为模态3[t2,t3]等效电路图；
[0032]
图8为固定耦合系数k2与纹波系数ε2关系图；
[0033]
图9为固定耦合系数k2与纹波系数ε1关系图；
[0034]
图10为固定耦合系数k1与纹波系数ε1关系图；
[0035]
图11为固定耦合系数k1与纹波系数ε2关系图；
[0036]
图12为输出电压仿真波形图；
[0037]
图13为输出电流仿真波形图；
[0038]
图14为二极管d1电压仿真波形图；
[0039]
图15为二极管d1电流仿真波形图；
[0040]
图16为二极管d2电压仿真波形图；
[0041]
图17为二极管d2电流仿真波形图；
[0042]
图18为开关管s的电压仿真波形图；
[0043]
图19为开关管s的电流仿真波形图；
[0044]
图20为电感l1集成与非集成电流纹波仿真波形图；
[0045]
图21为电感l2、l3纹集成与非集成电流纹波仿真波形图；
[0046]
图22为集成磁件结构图；
[0047]
图23为ee型磁芯等效磁路图；
[0048]
图24为ee型磁芯等效电路图；
[0049]
图25为磁芯及绕组三维模型；
[0050]
图26为集成器件磁密场图；
[0051]
图27为集成前l1电流纹波实验波形图；
[0052]
图28为集成后l1电流纹波实验波形图；
[0053]
图29为集成前l2电流纹波实验波形图；
[0054]
图30为集成后l2电流纹波实验波形图；
[0055]
图31为集成前l3电流纹波实验波形图；
[0056]
图32为集成后l3电流纹波实验波形图；
[0057]
图33为输出电压增益实验波形图；
[0058]
图34为各器件电压应力实验波形图。
具体实施方式
[0059]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
实施例1：
[0061]
本实施例高增益cuk变换器，是在传统cuk变换器的基础上，由拓扑通过增加一个三端网络使传统cuk变换器电压增益增加一倍。传统cuk变换器如图1所示，虚线内的三端网络可以通过与外电路的连接实现电感、电容之间的能量转换从而实现升压、降压，也可以经过二极管将电感、电容的能量传输到外电路。
[0062]
如图2所示，本实施例高增益cuk变换器，包括输入电源u
in
，输入电感l1、第二电感l2、功率开关管s、第一电容c1、第一输出电容c3、负载r和第一二极管d1，所述输入电源u
in
的正极与所述输入电感l1的一端相连，所述输入电感l1的另一端分别与所述功率开关管s的发射极和所述第一电容c1的一端相连，所述功率开关管s的集电极与所述输入电源u
in
的负极相连，所述第一电容c1的另一端分别与所述第一二极管d1的阳极和所述第二电感l2的一端相连，所述第一二极管d1的阴极与所述输入电源u
in
的负极相连，所述第二电感l2的另一端与所述第一输出电容c3相连，所述第一输出电容c3与所述负载r并联；在所述输入电感l1的另一端与所述功率开关管s的发射极之间增加至少一个三端网络。
[0063]
所述三端网络包括第二电容c2、第二二极管d2和第三电感l3，所述第二电容c2的一端与所述功率开关管s的发射极相连，所述第二电容c2的另一端分别与所述第二二极管d2的阳极和所述第三电感l3的一端相连，所述第三电感l3的另一端与所述第二输出电容c4的一端相连，所述第二输出电容c4的另一端与所述输入电源u
in
的负极相连，所述第二输出电容c4与所述负载r并联。
[0064]
实施例2：
[0065]
如图3所示，本实施例与实施例1的区别仅仅在于将变换器中的输入电感l1、第二电感l2和第三电感l3进行了磁集成。所述输入电感l1、所述第二电感l2和所述第三电感l3三个电感的集成方式为正向磁集成，集成磁件采用ee型磁芯。其余同实施例1。
[0066]
高增益cuk变换器的磁集成方法，包括以下步骤：
[0067]
s1：设计电感l1、l2、l3耦合度：令耦合系数k1接近全耦合，耦合系数k2处于区间[0.8-1]，选择最佳耦合系数为：k1＝0.9，k2＝0.9。
[0068]
s2：将所述输入电感l1、所述第二电感l2和所述第三电感l3三个电感同方向绕制在中柱上形成三个绕组，所述输入电感l1、所述第二电感l2和所述第三电感l3三个电感电流同方向；
[0069]
其中：首先对所述第二电感l2和所述第三l3进行正向磁集成，然后所述输入电感l1再分别与所述第二电感l2、所述第三电感l3正向磁集成。
[0070]
s3：在三个绕组外各增加一片磁片。
[0071]
本发明的工作原理如下：
[0072]
假设变换器中的各个器件均为理想元件，流经电感的电流连续，电容两端电压不变。设l1＝l2＝l3＝l，电感l2和l3进行正向耦合互感为m1；电感l1分别与电感l2、电感l3耦合互感均为m2。流过电感l1、l2、l3的电流分别为i
l1
、i
l1
、i
l1
，电容c1、c2、c3两端的电压分别为u
c1
、u
c2
、u
c3
，输出负载电压为uo。本发明cuk变换器在一个周期内功率开关管、二极管、电感、
电容的电压、电流主要工作波形如图4所示，各工作模态等效电路图如图5-7所示。
[0073]
工作模态1[t0,t1]：等效电路如图5所示：功率开关管s导通，在输入电源电压u
in
的作用下，输入电感l1的电流线性上升充电，第一二极管d1和第二二极管d2反向截止；第二电感l2电流线性上升充电，第三电感l3电流线性上升充电，第一电容c1经过功率开关管s向第二电感l2、第一输出电容c3、第二输出电容c4和负载放电；第二电容c2经功率开关管s向第二输出电容c4和第三电感l3放电。
[0074][0075]
工作模态2[t1,t2]：等效电路如图6所示：模态2为短暂的过渡阶段，功率开关管s关断，第二电感l2和第三l3的电压反向，此时第一二极管d1导通，由于第二输出电容c4的电压较高，所以第二二极管d2仍然处于截止状态；电源、输入电感l1及第二输出电容c4同时为第一电容c1充电，第二电感l2经第一二极管d1向第一输出电容c3放电，第二电感l2经第一二极管d1与第二输出电容c4放电，第三电感l3及第二电容c2对第一电容c1放电。
[0076][0077]
工作模态3[t2,t3]：等效电路如图7所示：功率开关管s仍然关断状态，第一二极管d1由截止状态切换到导通状态，同时第二二极管d2仍然导通，电源、输入电感l1及第二输出电容c4串联为第一电容c1充电；电源与输入电感l1串联为第二电容c2充电；第二电感l2经第一二极管d1向第一输出电容c3放电；同时第二电感l2经第一二极管d1与第二输出电容c4串联为负载供电；第三电感l3经第二二极管d2向第二输出电容c4放电。
[0078][0079]
通过对实施例1、2所述cuk变换器的模态分及电路仿真分析，可以得出一个周期内本发明所述cuk变换器的功率开关管s、输入电感l1、第二电感l2、第三电感l3正向磁集成在一个周期内各个元器件工作波形如图4所示。
[0080]
变换器电压增益：
[0081]
在一个周期内的3个工作状态下输入电感l1、第二电感l2、第三电感l3电流纹波的增加变化量分别为δi
l1
、δi
l2
、δi
l3
，减小量为δi
l1-、δi
l2-、δi
l3-，通过分析变换器的
工作过程，可以得到表达式(4)-(6)电感l1、l2、l3电流纹波的变化量：
[0082][0083][0084][0085]
根据伏秒积定理及式(4)、(5)和(6)得出式(7)电压增益表达式，由式(7)可以看出本发明所述cuk变换器的电压增益为传统cuk变换器的2倍：
[0086][0087]
电压应力分析：
[0088]
由模态1、模态2、模态3的工作状态及式(4)、(5)、(6)和式(7)可以得出电容c1、c2、c3、c4的电压应力表达式分别为：
[0089][0090][0091][0092]
由模态1和模态2工作状态及式(4)-(10)可以得出功率开关管s和第一二极管d1、第二二极管d2的电压应力表达式分别为：
[0093][0094][0095]
本发明所述cuk变换器和传统cuk变换器部分电气性能对比如表1所示。从表1可见，组合式cuk变换器在电压增益提高一倍的情况下，电容的电压应力是输出电压的一半，功率开关管和二极管的电压应力均降低为基本cuk变换器的一半。
[0096]
表1变换器部分性能对比
[0097][0098]
实施例3：
[0099]
高增益cuk变换器的磁集成方法，包括以下步骤：
[0100]
s1：设计输入电感l1、第二电感l2、第三电感l3耦合度：
[0101]
电流纹波分析与耦合度设计准则：
[0102]
由电感电流纹波表达式(4)-(6)可知，输入电感l1、第二电感l2、第三电感l3的电流纹波均与自感和互感都有关，设电感耦合系数：
[0103]
k1＝m1/l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0104]
k2＝m2/l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0105]
电感磁集成后的电流纹波为δi
l2
、δi
l2
、δi
l3
，电感未集成时的电流纹波为δi
′
l2
、δi
′
l2
、δi
′
l3
。由变换器3个工作模态状态及式(4)-(14)得输入电感l1、第二电感l2、第三电感l3的电流纹波分别为：
[0106][0107][0108][0109]
令
[0110][0111][0112]
式中，ε1为输入电感l1集成前、后电流纹波对比系数，ε2为第二电感l2、第三电感l3集成前、后电流纹波对比系数。由(18)和(19)式可以得到电感集成前后电流纹波对比系数ε1、ε2与电感耦合系数k1、k2的关系曲线如图8-11所示。
[0113]
根据实际具体需求合理设计耦合系数参数来改善输入、输出电感电流纹波。为了使集成后输入、输出电感电流纹波均小于非集成电感电流纹波情况，鉴于图8中ε1始终小于1情况，所以以ε2作为设计目标，使ε2最小情况是耦合系数k1和k2越大越好，但根据(18)和(19)式，耦合系数k1和k2不能同时取到1，兼顾ε1，可取k1和k2设计范围为(0.8-1)区间，例如在设置耦合系数k1＝0.9，k2＝0.9时，输入电感、输出电感均得到明显降低，降低为集成前的0.35倍；在设置耦合系数k1＝0.4、k2＝0.7时，可以实现实施例2所述cuk变换器理论上的输入电感近似零纹波，但输出电感降低略低，约为集成前的0.7倍。
[0114]
根据图8-11所示输入电感l1、第二电感l2、第三电感l3耦合度设计准则，为了使实施例2所述cuk变换器输入电感l1、第二电感l2、第三电感l3均降低到理想状态，既简化了电感的设计、减小变换器体积，又优化了变换器电气性能，耦合系数k1越接近1越有利于输出电感电流纹波降低，现令耦合系数k1接近全耦合，耦合系数k2处于区间[0.8-1]，选择最佳耦合系数为：k1＝0.9，k2＝0.9。
[0115]
s2：集成磁件采用ee型磁芯，将所述输入电感l1、所述第二电感l2和所述第三电感l3都同方向绕制在中柱上形成三个绕组，并且三个电感电流同方向，电感l1、l2、l3均为正方向耦合。其中：首先对所述第二电感l2和所述第三l3进行正向磁集成，然后所述输入电感l1再分别与所述第二电感l2、所述第三电感l3正向磁集成。
[0116]
s3：为使耦合系数k1和k2小于1，在三个绕组外各增加一片磁片减小耦合度，集成磁件结构图如图22所示，等效磁路、等效电路如图23、24所示。
[0117]
根据磁路-电路对偶变换法，磁路模型如图23所示，其中r1、r2分别对应侧柱、中柱气隙磁阻，r3为每段磁路对应的磁阻，n
l1il1
、n
l2il1
、n
l3il1
分别对应与输入电感l1、第二电感l2、第三电感l3的磁通势，对应的等效电路如图24所示。
[0118]
由等效电路可得输入电感l1、第二电感l2、第三电感l3以及互感m1、m2与磁阻的关系：
[0119][0120]
对实施例2所述cuk变换器磁场仿真分析：
[0121]
应用ansoft maxwell 16软件对集成磁件进行电磁场计算，磁场分析过程分为以下几个步骤：(1)创建项目、定义分析类型；(2)建立几何模型；(3)定义、分配材料，其中磁芯及磁片结构属性为steel_1008，绕组结构属性为copper；(4)定义、加载激励源及边界条件；(5)对求解参数的设定；(6)进行后处理。
[0122]
创建“ee”型磁芯，磁芯有效截面为120mm2。对三个绕组实施外加激励电流，电感绕组匝数均设置为15匝，磁芯及磁片材料均为铁氧体。如图25所示为磁集成组合式cuk变换器的三维实体模型。
[0123]“ee”型磁芯设置50nm的气隙防止磁芯饱和，设置线圈输入电感l1激励电流为12a，设置线圈第二电感l2、第三电感l3激励电流为4a，实施例2所述cuk变换器磁性器件磁通密度的场图如图26所示。
[0124]
通过psim仿真软件以及现场实验对本发明cuk变换器性能进行验证：
[0125]
为了验证理论的正确性、方案的可行性，手工焊制拓扑电路，采用ee型磁芯，
[0126]
高增益cuk变换器样机参数如下：输入电压u
in
＝12v，开关频率fs＝50khz，占空比d＝0.6。变换器控制芯片采用tms320f2812。集成磁件电感参数如表2所示。
[0127]
表2集成磁件电感参数
[0128][0129]
输入电感l1的电流纹波波形和第二电感l2、第三电感l3的电流纹波实验波形图如图27-32所示，未采用磁集成技术前，输入电感l1的电流纹波约为7.5a，采用磁集成技术后，输入电感l1纹波约为3.4a，未采用磁集成技术前，第二电感l2、第三电感l3的电流纹波约为7.3a，采用磁集成技术后，第二电感l2纹波约为3a，第三电感l3纹波约为3a；实验结果与理论分析及仿真结果基本一致。图33、34为输出电压增益、各器件电压应力实验图，验证了变换器电压增益及开关管电压应力的理论分析和仿真分析的正确性。进一步验证了理论的正确性。