新型Cuk電路及其在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　近年來，新型太陽能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)整機(jī)的體積、重量及效率提出了更高的要求。電力電子控制裝置的高頻化在實(shí)現(xiàn)裝置小型化的同時(shí)也增加了開關(guān)器件的損耗，并帶來產(chǎn)生電磁干擾（EMI）等問題。戶用光伏系統(tǒng)安裝在住宅區(qū)，過強(qiáng)的EMI直接影響了居民的正常生活。在光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中引入軟開關(guān)技術(shù)是解決該問題的有效途徑。軟開關(guān)技術(shù)通過實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件零電壓或零電流的開通或關(guān)斷來降低開關(guān)損耗和減小電壓電流的變化率，進(jìn)而減少EMI。

　　Cuk電路是通過Boost和Buck電路的組合變換得到的。該電路只有一個(gè)開關(guān)，控制簡單，在輸入和輸出之間由一個(gè)電容傳送能量，有利于減小體積，提高功率密度。在光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)中，通常要求光伏電池板側(cè)與用電側(cè)無直接的電氣連接。隔離式Cuk電路在電源輸入、輸出端引入了隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)了初、次級(jí)的電氣隔離。

　　在對(duì)帶零電壓開通軟開關(guān)的隔離式Cuk電路進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了硬件電路，同時(shí)結(jié)合光伏電池的工作特點(diǎn)，將其應(yīng)用于光伏發(fā)電的最大功率追蹤（MPPT）系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　1、Cuk電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理

　　1.1、隔離式Cuk電路的拓樸結(jié)構(gòu)

　　圖1示出隔離式Cuk電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　1.2、隔離式Cuk電路的工作原理

　　圖2示出隔離式Cuk電路在開關(guān)VS1導(dǎo)通或截

　　止時(shí)的等效電路。假設(shè)電路已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，圖中箭頭表示回路電流方向。在VS1導(dǎo)通期間，輸入電壓Ui對(duì)電感L1充電，電容C1的電壓直接加在變壓器T初級(jí)。

　　C1放電，次級(jí)感應(yīng)出的電流對(duì)負(fù)載供電并給電感L2儲(chǔ)能，此時(shí)C1和C2均處于放電狀態(tài)，續(xù)流二極管VD因反偏而截止；在VS1截止期間，L1釋放能量，C1充電儲(chǔ)能，初級(jí)電流通過T感應(yīng)到次級(jí)，對(duì)C2充電，負(fù)載電流從VD流過，L2將儲(chǔ)能量釋放給負(fù)載。

　　圖2

　　隔離式Cuk電路在開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)的等效電路

　　2.3、隔離式Cuk電路的基本關(guān)系式

　　設(shè)各元件的電壓、電流參考方向如圖2所示，T為理想變壓器，C1，C2足夠大，視其兩端電壓為恒定。

　　對(duì)于輸入回路，當(dāng)VS1導(dǎo)通時(shí)：

　　將式（11）代入式（9）可得隔離式Cuk變換器最基本的輸入輸出電壓關(guān)系式：

　　2、零電壓開通軟開關(guān)隔離式Cuk電路

　　在實(shí)際應(yīng)用中，為了保護(hù)開關(guān)管，通常在其兩端加入RCD吸收電路。但引入RCD吸收電路后，在其上消耗的能量必然會(huì)導(dǎo)致傳輸效率的下降。為了降低系統(tǒng)的開關(guān)損耗，在圖1的基礎(chǔ)上，引入軟開關(guān)諧振電路，其電路拓?fù)淙鐖D3所示。

　　諧振軟開關(guān)由Cr，Lr，VSr和VDr組成。VSr比VS1提前一小段時(shí)間開通。VSr開通后諧振電路開始工作。當(dāng)Cr電壓諧振至零時(shí)，開通VS1，從而實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)的零電壓開通。當(dāng)VSr開通后，Cr通過Lr的初級(jí)放電，Lr次級(jí)感應(yīng)的電壓使VDr反偏截止，因此Lr次級(jí)無電流，此時(shí)Lr作為諧振電感工作。VSr必須在VS1開通的同時(shí)關(guān)斷，以結(jié)束諧振過程，VSr的關(guān)斷使得Lr的初級(jí)電流感應(yīng)到次級(jí)，VDr導(dǎo)通。Lr次級(jí)繞組和VDr為VSr關(guān)斷后的Lr的初級(jí)電流提供一個(gè)通路，使該電流回到主電路中，避免能量損失。

　　3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　圖4a示出隔離式Cuk電路工作在硬開關(guān)方式下VS1柵極驅(qū)動(dòng)脈沖和漏源電壓波形?？梢?，在開關(guān)

　　導(dǎo)通過程中，漏源極間承受著較高的電壓，電流、電壓在上升、下降的過程中會(huì)出現(xiàn)波形交疊，因而存在

　　較大的開關(guān)損耗。另外，開關(guān)器件的感性關(guān)斷電壓尖峰值很大，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，電流突變導(dǎo)致電路中的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓，并且開關(guān)頻率越高，關(guān)斷越快，尖峰電壓值越高，很容易將器件擊穿。圖4b示出帶RCD吸收電路的隔離式Cuk電路VS1柵極驅(qū)動(dòng)脈沖和漏源電壓波形。該電路中R=51kΩ，C=103pF。

　　VD采用P6KE440。對(duì)比圖4a，b可知，加入RCD吸收電路后，開關(guān)管兩端的尖峰電壓明顯變小，但仍存在較大的開關(guān)損耗。同時(shí)，因引入了RCD吸收電路，在其上消耗的能量會(huì)導(dǎo)致傳輸效率的進(jìn)一步下降。

　　圖5示出零電壓開通軟開關(guān)隔離式Cuk電路的工作波形。可見，VSr開通后，諧振電路開始工作。經(jīng)Tr/4時(shí)間后，uCr諧振至零，即udsVS1諧振至零，此時(shí)開通VS1，便實(shí)現(xiàn)了VS1的零電壓開通，使其導(dǎo)通損耗近似為零。另外，VS1漏源間的感性關(guān)斷電壓尖峰值較小，這是因?yàn)橹C振電容能吸收VS1關(guān)斷時(shí)的過電壓，從而減小開關(guān)器件所承受的開關(guān)應(yīng)力，延長開關(guān)器件的使用壽命。

　　圖5零電壓開通軟開關(guān)的隔離式Cuk電路波形

　　圖6示出VS1占空比為50%時(shí)，零電壓開通軟開關(guān)隔離式Cuk電路和RCD吸收隔離式Cuk電路在不同開關(guān)頻率和負(fù)載情況下的傳輸效率曲線圖。無論帶軟開關(guān)與否，傳輸效率均隨著開關(guān)頻率的增加和負(fù)載的加重而下降。在開關(guān)頻率為100kHz，負(fù)載為360Ω時(shí)，軟開關(guān)隔離式Cuk電路的傳輸效率約為90%，而普通Cuk電路的傳輸效率約為68%，當(dāng)

　　VS1的占空比為30%時(shí)，零電壓開通軟開關(guān)隔離式Cuk電路的傳輸效率比普通Cuk電路高約18%?？梢?，軟開關(guān)的應(yīng)用能大大提高Cuk電路的傳輸效率。

　　圖6

　　不同開關(guān)頻率、不同負(fù)載情況下的傳輸效率曲線。

　　4、在光伏發(fā)電MPPT系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　圖7示出光伏發(fā)電MPPT系統(tǒng)的原理框圖，其中虛線框內(nèi)為后級(jí)選接電路。系統(tǒng)中，MPPT采用自適應(yīng)算法。光伏電池模塊采用STP010-12/Kb，將該模塊兩兩串聯(lián)后，再并聯(lián)成光伏陣列進(jìn)行輸出。

　　圖8示出MPPT系統(tǒng)的功率時(shí)間實(shí)驗(yàn)曲線。為了便于比較，讓VS1的占空比從0~80%變化，得到光伏陣列的最大功率點(diǎn)如功率時(shí)間曲線前半部分的極大值點(diǎn)所示。搜索結(jié)束后，馬上進(jìn)行MPPT。可見，系統(tǒng)在極短的時(shí)間內(nèi)便追蹤到光伏陣列的最大功率點(diǎn)，并穩(wěn)定工作在其附近。

　　將軟開關(guān)的隔離式Cuk電路運(yùn)用于光伏系統(tǒng)，不僅可以提高系統(tǒng)的能量傳輸效率，減小系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，同時(shí)由于引入了隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)了原次級(jí)的電氣隔離，為后級(jí)的逆變并網(wǎng)帶來了極大方便。

　　5、結(jié)論

　　構(gòu)建了軟開關(guān)隔離式Cuk電路和普通Cuk電路的硬件電路，對(duì)比分析了其工作波形。研究了電路在不同占空比、開關(guān)頻率和負(fù)載條件下兩種電路的傳輸效率，并將前者運(yùn)用于光伏發(fā)電的MPPT系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了軟開關(guān)在提高Cuk電路傳輸效率方面的作用及軟開關(guān)隔離式Cuk電路應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢(shì)。研究軟開關(guān)技術(shù)對(duì)于解決高頻化所產(chǎn)生的開關(guān)損耗和EMI等問題具有重要的意義。