Cuk电路效率的仿真研究

岳志明

(酒泉职业技术学院 机电工程系，甘肃 酒泉 735000)

Cuk电路效率的仿真研究

岳志明

(酒泉职业技术学院 机电工程系，甘肃 酒泉 735000)

DC-DC变换电路被广泛研究与应用，尤其在新能源变流应用时，更需要控制方式简单及高效率运行。Cuk电路结构易于实现双向应用且具有功率密度高、纹波率较低的特点。通过Matlab的仿真研究，说明了L×C参量对于Cuk电路运行稳定、高效区间(fs,D)确定，即对工作频率、效率、纹波率、输出电压及输出功率等进行设计与调节的简洁有效性；提出了负载变化时高效率保持恒L×C值的有效调节方法。总之，Cuk电路效率仿真研究对于DC-DC变换电路高效控制方法的选择及应用有参照意义。

Cuk电路；L×C参量；效率设计；负载效率调节

Cuk电路结构易于实现双向(充、放电)应用、功率密度较高，且具有升降压和纹波率较低的特点。在永磁直驱风电系统MPPT控制中，通过控制Cuk 变换器的占空比来改变风力机的输出功率，使其始终运行在最大功率曲线上，而已有的采用 Boost和 Buck 变换器(MPPT)策略存在输出功率不稳定的问题，跟踪效果不理想[12]。有Buck变换器与新型Cuk变换器的对比实验，从理论及实践两方面证明新型Cuk变换器的磁损耗低，同占空比情况下效率比Buck变换器高2～3个百分点，电流脉动小，能够降低开关管的开通损耗[13]。

在一般的DC-DC变换器系统级设计中，L、C值是在设定频率fs、纹波电压ruo、VO及IO条件下进行[14]，电路工作在CCM与DCM临界状态时均有推论L×C∝f(D)/(ruofs2)。本文对Cuk电路进行围绕L×C值的仿真研究，进而得到提高电路效率的简单调节方法。

1 仿真实验

建立Matlab/Simulink电路如图1所示。

图1 Cuk电路Matlab/Simulink结构模型图

1.1D、fs变化时的效率仿真

1.1.1 大L×C、低频工作的仿真

TS(∗e-5)121 708101 70881 70861 70841 70831 70821 70811 7081 7080 9219049 9137 198070Pi、PoUo振荡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负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

续表2

表3 TS(*e-5)时输出电压平均值 V

1.1.2 小L×C、高频工作仿真

考虑较高频工作状态进行验证。取L1=L2=1.5e-5，C1=C2=4.7e-5，R=10 Ω，D=50，此时对应L×C=7.053e-10，即有T=166.83e-6 s或f=5 994.1 Hz，仿真结果见表4～表6；再取D=50，L1=L2=1.5e-6，C1=C2=4.7e-6，R=10 Ω，对应L×C=7.053e-12，即T=166.83e-7 s或f=59 941 Hz，仿真结果见表7～表9。

TS(∗e-6)121 70881 70841 70831 70821 70811 7081 17089087 6366 4258 7149 5737 428070PiPoUo及振荡负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负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负Pi

表6 TS(*e-6)时输出电压平均值 V

TS(∗e-7)131 70891 70851 70841 70831 70821 70811 7081 170890807060Pi、Po、Uo振荡，Uo有负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有负

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

续表8

表9 TS(*e-7)时输出电压平均值 V

1.2 负载变化时的效率仿真

表10 TS =41.708e-5、L=C=2.655e-4负载变化时的输出

表11 TS =41.708e-5、L=5.31e-4，C=1.327 7e-4负载变化时的输出

续表11

2 结束语

通过仿真可见，L×C参量对于Cuk电路二次η设计、ruo及uo、Po等的控制调节有效且简洁，有具体的应用参照意义：

1)由L×C参量可确定fs的稳定范围，fs>4/3f或Ts< 3/4T；且fs提高时η、Po、ruo等减小，稳定工作的D区间扩大；而fs降低时η、ruo增大，及至出现振荡；过低的D时会出现电源负功率。

3)在重载时ruo变大甚至电路振荡，可以采用提高fs的方法解决。轻载时效率降低，ruo减小，这时改变L、C参数而保持L×C不变、使TRC=10TLC/4，高效率将仍然能够保持。

4)电路起动产生的电流冲击现象[15]，可以高fs、低D起动来限制起始uo/Po，从而避免。

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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

酒泉职业技术学院科研基金资助项目(XYKY[2014]Z-3)。

岳志明(1969-)，男，硕士，讲师，研究方向：信息系统与计算机控制。

TM46

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.011