Cúk型电路拓扑在太阳能路灯控制器中的应用

李桂玲等

摘 要： 本文针对Cúk型拓扑的电路特点，提出了基于Cúk拓扑的太阳能控制器功率变换电路设计和仿真，首先对最大功率点跟踪策略进行了探讨和分析，从而引入了Cúk型拓扑结构的理论研究，在此基础上进行了电路参数设计，利用Matlab工具建立了仿真模型，并进行了仿真，达到了预期效果。

关键词： Cúk型拓扑 太阳能路灯控制器 应用

1.引言

光伏发电技术作为一种新能源技术得到广泛应用，在一定程度上缓解了能源危机。太阳能路灯照明系统作为这一技术的典型应用，其发展空间大，目前正朝着高效、可靠、低成本、智能化方向发展[1]。作为系统的核心部件——控制器，其性能的优劣直接影响应用，尤其是其效率指标尤为关键，与电路结构、充电方法、器件选择等诸多因素有关，这里又以电路拓扑结构影响最大。因此，合理选择电路拓扑结构对系统效率提升、延长电池使用寿命、降低成本至关重要。系统框图如图1所示。

图1 太阳能路灯控制系统框图

文中选用的Cúk型电路，其输入的直流电压可在一定范围内变化，而输出的直流电压则非常平稳。通过改变Cúk电路中的电感值或开关频率，可以将纹波电压控制在很小范围，理论上甚至可以为零。并且，在开关管的导通和截止期间，都能传递功率，传输效率高。另外，Cúk电路的电压变比理论上可在0～∞变化，通过改变PWM的占空比可以实现电压比的调整。因此，该结构电路既可以实现升压变换，又可以实现降压变换[2]。由此可见，Cúk电路结构非常适合光伏发电系统的光伏阵列最大功率点跟踪，可大幅提高系统效率。

2.最大功率点跟踪的必要性

在太阳能路灯照明系统中，要提高系统的整体效率，一个重要途径是实时检测太阳能电池组件的输出功率，通过一定控制算法预测当前状况下组件可能的最大功率输出，从而改变当前阻抗情况，调整太阳能电池组件的工作点，使其始终工作在最大功率点的附近，这一过程就称为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT），相应技术称为最大功率点跟踪技术[3]。在充电控制部分加入最大功率点跟踪技术，能更有效地利用太阳能电池组件转换的能量，极大地提高转换效率。

通常，为使负载获得最大功率，通常要进行负载合理匹配，即使负载电阻等于供电系统的内阻。但在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻会受到光照强度、环境温度等多种因素的影响，是变化的[4]。因此，上述方法难以实现最大输出功率点的跟踪。

一般是在太阳能电池板和负载之间增加一个DC/DC变换器，实现太阳能电池负载的阻抗变换，通过改变DC/DC变换器中功率开关管的导通率调整、控制太阳能电池阵列工作在最大功率点，从而实现最大功率点跟踪控制[5]。常见的拓扑结构有：Buck、Boost、Buck-Boost、Cúk型，笔者采用Cúk变换器，它同时具有升压和降压功能，Cúk变换器应用于太阳能路灯控制器中，可以在较大范围内实现最大功率点跟踪，大大提高系统效率。

3.Cúk电路拓扑

3.1Cúk电路特点

Cúk型电路拓扑与前面三种电路拓扑相比，具有以下突出优点。

3.1.1输入、输出电流连续，基本均为平稳的直流，脉动很小，不需要加滤波器就可实现；

3.1.2同一电路可实现升压和降压，电压变比理论上可实现0～∞间的调节。占空比在0～0.5之间时，电路实现降压斩波；占空比在0.5～1之间时，电路实现升压斩波。

3.1.3开关管一端接地简化了驱动电路的设计。

因此，在一些文献中，Cúk电路又被称为最优化的、应用价值极高的拓扑电路。

3.2Cúk型电路拓扑基本原理

3.2.1电路基本拓扑结构

Cúk型拓扑又称为Boost-Buck电路，是由前级的Boost电路和后级的Buck电路串联构成。经变换后，实际电路由开关管负载R上的电压仿真波形。图5（b）的波形为占空比D=0.44时，负载R上的电压仿真波形。由图可知，不同输入电压情况下，调节占空比可实现升压或降压，以此稳定输出端的电压，此种情况模拟的实际光伏系统充电的情况。仿真结果与理论计算数值相吻合，验证了设计的正确性。

4.结语

笔者通过对Cúk电路的工作原理分析和理论推导，说明电路功能和基本特性。又通过具体工程案例对电路参数进行了计算和建模仿真，得出了理论和实践相一致的结论，为Cuk PWM DC/DC变换器的实际应用打下了实践基础，该分析方法可推广到其他类型电路拓扑的分析和实践中，具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]赵争鸣，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.

[2]黄永安，等.Matlab7.0/Simulink建模仿真开发与高级工程应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]房伟.大功率LED照明系统的瓶颈与解决方案研究[D].广州：华南理工大学，2011，5.

[4]王宇.智能型太阳能路灯控制的应用研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2010，12.

[5]刘宏达，等.Cúk拓扑的Simulink仿真模型[J].应用科技，2004（4）.

[6]林辉，等.Cúk斩波电路在MATLAB中的建模与仿真[J].电子技术，2015（2）.