新型Cuk电路及其在光伏系统中的应用

　　近年来，新型太阳能发电系统对整机的体积、重量及效率提出了更高的要求。电力电子控制装置的高频化在实现装置小型化的同时也增加了开关器件的损耗，并带来产生电磁干扰（EMI）等问题。户用光伏系统安装在住宅区，过强的EMI直接影响了居民的正常生活。在光伏发电控制系统中引入软开关技术是解决该问题的有效途径。软开关技术通过实现开关器件零电压或零电流的开通或关断来降低开关损耗和减小电压电流的变化率，进而减少EMI。

　　Cuk电路是通过Boost和Buck电路的组合变换得到的。该电路只有一个开关，控制简单，在输入和输出之间由一个电容传送能量，有利于减小体积，提高功率密度。在光伏并网发电控制系统中，通常要求光伏电池板侧与用电侧无直接的电气连接。隔离式Cuk电路在电源输入、输出端引入了隔离变压器，实现了初、次级的电气隔离。

　　在对带零电压开通软开关的隔离式Cuk电路进行理论分析的基础上，构建了硬件电路，同时结合光伏电池的工作特点，将其应用于光伏发电的最大功率追踪（MPPT）系统，并给出了系统的实验结果。

　　1、Cuk电路的拓扑结构及其工作原理

　　1.1、隔离式Cuk电路的拓朴结构

　　图1示出隔离式Cuk电路的拓扑结构

　　

　　1.2、隔离式Cuk电路的工作原理

　　图2示出隔离式Cuk电路在开关VS1导通或截

　　止时的等效电路。假设电路已进入稳态，图中箭头表示回路电流方向。在VS1导通期间，输入电压Ui对电感L1充电，电容C1的电压直接加在变压器T初级。

　　C1放电，次级感应出的电流对负载供电并给电感L2储能，此时C1和C2均处于放电状态，续流二极管VD因反偏而截止；在VS1截止期间，L1释放能量，C1充电储能，初级电流通过T感应到次级，对C2充电，负载电流从VD流过，L2将储能量释放给负载。

　　

　　图2

　　隔离式Cuk电路在开关导通或关断时的等效电路

　　2.3、隔离式Cuk电路的基本关系式

　　设各元件的电压、电流参考方向如图2所示，T为理想变压器，C1，C2足够大，视其两端电压为恒定。

　　对于输入回路，当VS1导通时：

　　

　　

　　将式（11）代入式（9）可得隔离式Cuk变换器最基本的输入输出电压关系式：

　　

　　2、零电压开通软开关隔离式Cuk电路

　　在实际应用中，为了保护开关管，通常在其两端加入RCD吸收电路。但引入RCD吸收电路后，在其上消耗的能量必然会导致传输效率的下降。为了降低系统的开关损耗，在图1的基础上，引入软开关谐振电路，其电路拓扑如图3所示。

　　

　　谐振软开关由Cr，Lr，VSr和VDr组成。VSr比VS1提前一小段时间开通。VSr开通后谐振电路开始工作。当Cr电压谐振至零时，开通VS1，从而实现了主开关的零电压开通。当VSr开通后，Cr通过Lr的初级放电，Lr次级感应的电压使VDr反偏截止，因此Lr次级无电流，此时Lr作为谐振电感工作。VSr必须在VS1开通的同时关断，以结束谐振过程，VSr的关断使得Lr的初级电流感应到次级，VDr导通。Lr次级绕组和VDr为VSr关断后的Lr的初级电流提供一个通路，使该电流回到主电路中，避免能量损失。

　　

　　3、实验结果及分析

　　

　　图4a示出隔离式Cuk电路工作在硬开关方式下VS1栅极驱动脉冲和漏源电压波形。可见，在开关

　　导通过程中，漏源极间承受着较高的电压，电流、电压在上升、下降的过程中会出现波形交叠，因而存在

　　较大的开关损耗。另外，开关器件的感性关断电压尖峰值很大，当器件关断时，电流突变导致电路中的感性元件感应出尖峰电压，并且开关频率越高，关断越快，尖峰电压值越高，很容易将器件击穿。图4b示出带RCD吸收电路的隔离式Cuk电路VS1栅极驱动脉冲和漏源电压波形。该电路中R=51kΩ，C=103pF。

　　VD采用P6KE440。对比图4a，b可知，加入RCD吸收电路后，开关管两端的尖峰电压明显变小，但仍存在较大的开关损耗。同时，因引入了RCD吸收电路，在其上消耗的能量会导致传输效率的进一步下降。

　　

　　图5示出零电压开通软开关隔离式Cuk电路的工作波形。可见，VSr开通后，谐振电路开始工作。经Tr/4时间后，uCr谐振至零，即udsVS1谐振至零，此时开通VS1，便实现了VS1的零电压开通，使其导通损耗近似为零。另外，VS1漏源间的感性关断电压尖峰值较小，这是因为谐振电容能吸收VS1关断时的过电压，从而减小开关器件所承受的开关应力，延长开关器件的使用寿命。

　　

　　图5零电压开通软开关的隔离式Cuk电路波形

　　图6示出VS1占空比为50%时，零电压开通软开关隔离式Cuk电路和RCD吸收隔离式Cuk电路在不同开关频率和负载情况下的传输效率曲线图。无论带软开关与否，传输效率均随着开关频率的增加和负载的加重而下降。在开关频率为100kHz，负载为360Ω时，软开关隔离式Cuk电路的传输效率约为90%，而普通Cuk电路的传输效率约为68%，当

　　VS1的占空比为30%时，零电压开通软开关隔离式Cuk电路的传输效率比普通Cuk电路高约18%。可见，软开关的应用能大大提高Cuk电路的传输效率。

　　

　　图6

　　不同开关频率、不同负载情况下的传输效率曲线。

　　4、在光伏发电MPPT系统中的应用

　　图7示出光伏发电MPPT系统的原理框图，其中虚线框内为后级选接电路。系统中，MPPT采用自适应算法。光伏电池模块采用STP010-12/Kb，将该模块两两串联后，再并联成光伏阵列进行输出。

　　

　　图8示出MPPT系统的功率时间实验曲线。为了便于比较，让VS1的占空比从0~80%变化，得到光伏阵列的最大功率点如功率时间曲线前半部分的极大值点所示。搜索结束后，马上进行MPPT。可见，系统在极短的时间内便追踪到光伏阵列的最大功率点，并稳定工作在其附近。

　　

　　将软开关的隔离式Cuk电路运用于光伏系统，不仅可以提高系统的能量传输效率，减小系统的体积和质量，同时由于引入了隔离变压器，实现了原次级的电气隔离，为后级的逆变并网带来了极大方便。

　　5、结论

　　构建了软开关隔离式Cuk电路和普通Cuk电路的硬件电路，对比分析了其工作波形。研究了电路在不同占空比、开关频率和负载条件下两种电路的传输效率，并将前者运用于光伏发电的MPPT系统。实验结果证明了软开关在提高Cuk电路传输效率方面的作用及软开关隔离式Cuk电路应用于光伏系统的巨大优势。研究软开关技术对于解决高频化所产生的开关损耗和EMI等问题具有重要的意义。