CUK双向变换器.doc

《开关电源的原理与设计》 实验报告 基于CUK的双向DC-DC变换器的仿真与研究 一、引言 随着科技和生产的发展,对双向直流不间断电源系统、航空电源系统等应用场合增加,DC/DC变换器的需求逐渐增多。为了减轻系统的体积重量,节约成本,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-directional DC-DC Convener) 获得了越来越广泛的应用。双向直流变换器双象限运行,它的输入、输出电流的方向可以改变,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”设备,尤其在需求双向能量流动的应用场合可以大幅减轻系统的体积重量和成本,有着重要的研究价值。 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类似,可通过对单向直流变换器适当的改造来实现.许多单向直流变换器都可通过将其中无源开关替换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换成双向基本变换单元。一般只要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。 与传统的采用两套单向DC-DC变换器来达到能量双向传输的方案相比,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,使用的总体器件数目小,且可以更加快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,有利于降低通态损耗。总之,双向DC-DC变换器具有高效率、体积小、动态性能好和低成本等优势。(下图为基本的4种拓扑图) 三、CUK双向直流变换器的工作原理 图1 电能双向流动的CUK转换器电路 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通过负载放电，D1截止，D2导通。 电流反向流动时，其工作方式与正向时相似，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： V1导通时： （1） V1关断时： （2） 输出回路： V1导通时： （3） V1关断时： （4） 由（1）、（2）、（3）、（4），得基本关系式： （5） （6） 四、双向CUK变换器的仿真实现 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Vpp200mV； （5）. 变换效率大于80%； 本次仿真是基于Saber 2007软件实现的。 1、开环仿真 如图所示，V1和V2互补导通，通过反相器实现V2的触发信号；输入直流24V，输出接30A的电流源，开关频率为33.33KHZ；负载电阻为0.6欧姆。 由(1)(2)(3)(4)(5)(6)四式，取。 仿真结果如下： （1）输出电压波形 由图可知，输出电压平均值为12.096V。 （2）输出电压纹波 输出电压纹波为0.08223V。 （3）、输出电流波形 输出电流平均值为20.16A。 （4）、开关波形与电感电流波形 从图中可以看出，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 本实验选用的PWM芯片是UC3842，芯片内部结构图如下： 引脚介绍： 1脚：误差放大器输出，可用于补偿。 2脚：误差放大器的反相输入，通常通过一个电阻分压器连接开关电源输出。 3脚：电流采样输入。 4脚：设置振荡频率，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：参考输出，通过Rt向Ct提供充电电流。 （1）、UC3842外围电路的实现 （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。 输入输出接电流感应器，可直接得到输入输出电流的平均值。 输出电压波形：（平均值1