带零电压转换软开关的新型单相单级隔离式Cuk开关电源

苏小丽 佃松宜 郑万里



带零电压转换软开关的新型单相单级隔离式Cuk开关电源

苏小丽 佃松宜 郑万里

（四川大学电气信息学院 成都 610065）

针对Cuk变换器在硬开关工作模式下开关损耗大、传输效率低、d/d和d/d较大以及电磁干扰严重等不足，研究了一种基于零电压转换（ZVT）软开关技术的隔离式Cuk变换器系统。详细分析了隔离式Cuk变换器的软开关工作过程，计算了变换器和ZVT软开关电路的参数，研制了一台额定输出功率为500W的带ZVT软开关的新型单相单级隔离式Cuk高频开关电源样机。实验结果表明：变换器中的开关管均工作于软开关模式，与硬开关工作模式相比，有效减少了开关损耗，减小了d/d和d/d，降低了电磁干扰，提高了开关变换器的效率，从而验证了本文提出的方法和参数设计的合理性。

开关电源 隔离式Cuk变换器 零电压转换软开关 单级变换器

0 引言

目前开关电源多采用技术相对成熟的两级式结构，其能量变换次数多，难以实现高效率传输，使用的开关器件多且成本高[1]。单级AC-DC变换器结构简单、效率高以及成本低，因而受到越来越多的关注，被广泛运用于功率因数校正、LED、新能源等领域[2,3]。与其他单级变换器相比，隔离式Cuk变换器因具有输入和输出电流平滑、可实现升降压、能量传递效率高及输入和输出电气隔离等特点，近年来已成为研究单级变换器较为热门的电路拓扑之一[4]。

开关电源正朝着高频化、小型化方向发展，但在硬开关工作模式下开关损耗大，传输效率低，电磁干扰严重[5]，因此软开关技术成为减少开关损耗、提高转换效率的重要手段之一[6]。许多文献对Buck变换器和Boost变换器的软开关技术做了研究[7-10]，但针对Cuk变换器的软开关技术研究较少，尤其在隔离式Cuk拓扑上设计软开关电路的研究鲜有报道。相较于无源软开关，有源软开关能真正实现开关管的零电流开通和零电压关断[11,12]。有源软开关中的零电压转换软开关技术不增加主开关管的电流、电压应力，通态损耗也较小[13,14]。本文将零电压转换（Zero Voltage Transition，ZVT）软开关技术应用于隔离式Cuk变换器拓扑中，设计电路结构，分析软开关工作过程，在此基础上根据项目需求进行电路参数计算，并研制单相单级高频开关电源样机进行实验验证。

1 开关电源总体设计方案

本文所研究的开关电源由主电路和控制电路组成，其原理框图如图1所示。主电路包括输入电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）滤波电路、整流桥电路、带ZVT软开关的隔离式Cuk变换器和输出滤波电路。控制电路包括DSP处理器、输入电流、输出电流、电压检测电路及保护电路等[15]。

图1 开关电源的原理框图

开关电源的工作过程：220V交流输入经整流桥变为直流，再由带ZVT软开关的隔离式Cuk变换器将电压变换成240V，最后经滤波电路处理为纹波符合要求的直流输出。控制电路以DSP处理器为核心，对开关电源输入和输出电流、电压进行实时采样，然后采用文献[16]中的数字双环控制算法进行运算后，输出驱动波形，使输出稳压在直流240V，并实现输入电流的功率因数校正。另外，控制电路中还有各种检测保护功能，以确保开关电源安全可靠地运行[17]。

2 电路结构和软开关过程分析

新型开关电源的主电路由整流桥电路、隔离式Cuk变换器和ZVT软开关电路组成，如图2所示。其中，ZVT软开关电路由谐振电感r、谐振电容r1和r2以及辅助开关管S2组成。r1与主开关管S1并联，r2与r串联，该支路的通断由辅助开关管S2控制。主开关管S1和辅助开关管S2的体续流二极管（VD1、VD2）亦参与了谐振过程。该ZVT软开关电路具有如下优点：①主、辅开关管均工作在软开关模式；②开关管电路间不需要进行隔离处理。

图2 新型开关电源的主电路

基于上述结构的变换器工作过程主要波形如图3所示。分析软开关工作过程之前，假设：①所有元器件均是理想元器件；②输入电压s为半波，且有效值恒定；③考虑输出电容较大，将其等效为电压源；④输入电感1和输出电感2远大于谐振电感r；⑤电容1和2远大于谐振电容r1和r2。

图3 ZVT软开关电路的主要波形

在一个开关周期内变换器可分为8个工作模态，如图4所示。

（a）模态1       （b）模态2

（c）模态3       （d）模态4

（e）模态5       （f）模态6

（g）模态7       （h）模态8

图4 一个开关周期内变换器工作模态的等效电路

Fig.4 Equivalent circuits during one switching cycle

1）工作模态1[0～1]：0时刻前，主开关管S1和辅助开关管S2均关断，主续流二极管VD导通，S1的电压为s+o。假设谐振电容r2的初始电压为，则S2的电压为。0时刻，开通S2，由于存在谐振电感r，S2的电流缓慢上升，VD的电流缓慢下降，实现了S2的零电流开通。1时刻，S2的电流增至，VD的电流减小为0，该工作模态的等效电路模型如图4a所示，且有

（2）

S2的电流表达式为

该模态的持续时间为

（4）

2）工作模态2[1～2]：1时刻，VD关断，此时VD的电流为0，VD的电压为。由于存在谐振电容r1，VD的电压开始缓慢上升，实现了VD的零电流和零电压关断。r与r1、r2通过S2串联谐振，r1、r2放电，r充电。设r的最大电流为，该工作模态的等效电路模型如图4b所示，且有

（6）

（7）

式中，Vr1、Vr2分别为当前时刻r1、r2的电压。

2时刻，r1的电压下降至0，r2的电压为

式中，12为该模态的持续时间，则

（9）

3）工作模态3[2～3]：当r1的电压，即S1的电压下降至0时，S1的体续流二极管VD1导通，并将S1的电压钳位到0。因此r1中断谐振，而r与r2通过S2和VD1继续谐振，r2放电，r充电。当r2的电压下降至0时，r的电流达到最大值，即

r的电流达到最大值后，r开始放电，r2反向充电。当r的电流减小到时，VD1的电流减小为0，并关断VD1。S1在此模态中打开，其电压已下降为0，电流为负值，S1可实现零电压和零电流开通。该工作模态的等效电路模型如图4c所示，持续时间为

4）工作模态4[3～4]：3时刻，S1和S2均导通，r与r2通过S1和S2继续谐振，r放电，r2继续反向充电。S1的电流增大，S2的电流减小。4时刻，S2的电流减小为0，r2的电压反向增加至最大。该工作模态的等效电路模型如图4d所示，持续时间为

5）工作模态5[4～5]：当S2的电流减小为0时，S2的体续流二极管VD2导通。r与r2通过S1和VD2继续谐振，r2放电，r反向充电。S1的电流先增加到最大值，然后减小，有

（13）

5时刻，r2的电压恢复至初始状态，r的电流减小为0。S2在此模态中关断，由于S2的电流为负值，实现了S2的零电流关断，且关断后S2的电压为。该工作模态的等效电路模型如图4e所示，持续时间为

6）工作模态6[5～6]：5时刻，VD2的电流减小为0，并关断S2。由于S2已关断，r与r2谐振结束，r2的电压保持恒定。此模态与普通隔离式Cuk变换器的开通状态一致，S1的电流为。等效电路模型如图4f所示。

7）工作模态7[6～7]：6时刻，S1关断。电流和为r1充电，r1的电压缓慢上升，VD的电压缓慢下降，实现了S1的零电压关断。该工作模态的等效电路模型如图4g所示，持续时间为

8）工作模态8[7～8=0]：7时刻，r1的电压上升至s+o，VD的电压下降至0后开始导通，实现了VD的零电压开通。此模态与普通隔离式Cuk变换器的关断状态一致。在下一个开关周期的0时刻，开通S2，电路工作状态又回到了模态1。

3 主电路及ZVT软开关参数计算

3.1 主电路参数计算

若将输入电感1和输出电感2的电流变化过程近似看作是线性的[18]。临界连续，1电感为

式中， 为占空比；s为开关周期，本文分别取s= 0.65ms, 20ms。由此求得1的临界值1th=531mH。

式中，o、o分别为变换器输出的电压和电流。

求得2的临界值2th=576mH。为保证输入、输出电感的电流连续，1=2=1mH。

输出电容0的取值与输出电压纹波有关，其表达式为

高频隔离变压器一次侧、二次侧电压比为1∶1，故能量传输电容12。且电感1、2与电容1、2的串联谐振频率s要远大于市电频率（50Hz）。取s=2kHz，电容1、2的计算公式为

求得12=6.3mF，则选取容值为6.8mF的高频薄膜电容。

3.2 ZVT软开关电路参数计算

谐振电感r：谐振电感r的取值决定了主续流二极管VD的关断时间。一般的估算为：r的取值要使VD的关断时间大于其电流反向恢复时间rr的3倍[19]。此外，主开关管S1的最小占空比min也限制了r的取值，有

谐振电容r1：谐振电容r1用于减小S1的尖峰电压，降低电路的d/d，减少S1和VD的开关损耗。r1取值由S1的最大占空比max决定，即

（21）

谐振电容r2：谐振电容r2的取值要满足其与r、r1谐振时，r1的电压先下降至0，且尽量减小r2的初始电压。此外，min也限制了r2的取值。

根据理论计算和多次实验验证，r、r1、r2取值分别为24mH、15nF、47nF。

4 实验

在上述分析基础上搭建的新型开关电源样机实物如图5所示。实验参数为：单相交流输入220V/ 50Hz，直流输出240V，开关频率50kHz，额定输出功率500W，功率因数0.99，输入电流总谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD）小于5%，输出电压纹波低于±1%，输出额定功率时效率达到90%。主辅开关管选用型号为IKW25N120H3的IGBT，续流二极管VD选用型号为DSEP30—12CR的超快恢复二极管。

图5 开关电源样机实物

开关电源样机的关键波形如图6所示。其中图6a为主开关管S1和辅助开关管S2的PWM驱动波形。PWM驱动电压高电平为15V，低电平为0，且S2相位超前于S1，表明驱动电路工作正常。S1在开通时，电压已降为0，电流为负值，实现了S1的零电压和零电流开通；S1关断时，电压开始缓慢上升，实现了S1的零电压关断。S2在开通时，电流开始缓慢上升，实现了零电流开通；S2在关断时，电流为负值，实现了零电流关断。由图6可知，实验波形与理论分析一致，表明电路工作正常。

（a）开关管的驱动波形 （b）S1的电流、电压波形

（c）S2的电流、电压波形 （d）谐振单元r和r2的波形

图6 带ZVT软开关的隔离式Cuk变换器关键波形

Fig.6 Waveforms of isolated Cuk converter under ZVT soft-switching operations

硬开关工作模式下变换器开关管的电流、电压波形如图7所示，与图6b的波形对比可知，增加ZVT软开关电路之后，开关管的电流、电压交集明显减小，可得开关损耗减少为硬开关工作模式下的37.5%。同时，S1的d/d和d/d减小为硬开关工作模式下的5%和23%，从而降低了电路的EMI。

（a）开关管电流、电压波形   （b）开关管波形放大

测得输入电流的功率因数为0.99，THD为4.7%，满足设计要求。变换器输出电压o和输出电流o波形如图8a所示，输出电压为240±2V，输出电流为2.08±0.01A，输出功率o为499.2±10W。 从图8b看出，输出电压纹波约为±0.8%，满足设计要求。

（a）输出电压、电流波形 （b）输出电压、电流纹波波形

分别进行硬开关模式下和ZVT软开关模式下的隔离式Cuk高频开关电源的效率测试，得到如图9所示的效率曲线。随着输出功率的增加，两种开关电源的效率均逐渐升高。当输出功率为500W时，本文所研制的新型开关电源效率为90.3%，比同等条件下硬开关工作模式的开关电源效率提高了约2%，从而满足了设计指标要求。与硬开关电路相比，ZVT软开关电路虽然增加了辅助开关管，但谐振电感r和谐振电容r1在S2开通和S1关断时存储的能量可通过谐振部分回馈到主电路输入端，从而减少了主电路整体的损耗。

图9 有/无ZVT软开关时高频开关电源的效率比较

5 结论

本文将ZVT软开关技术应用到隔离式Cuk变换器中，研制了一台额定功率500W的新型单相单级高频开关电源样机。电路运行时，实现了主开关管的零电压和零电流开通与零电压关断，辅助开关管的零电流开通和关断。在详细分析了隔离式Cuk变换器的软开关工作过程后，给出了主电路和软开关电路的参数计算方法。主要实验结果如下：功率因数为0.99，THD为4.7%，输出电压纹波约为±0.8%，输出额定功率时效率为90.3%。实验结果验证了本文提出的方法和参数设计的合理性，所研制的开关电源样机满足各项设计指标。

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A Novel Single-Phase Single-Stage Isolated Cuk Switching Power Supply with Zero Voltage Transition Soft-Switching

（School of Electrical Engineering and Information Sichuan University Chengdu 610065 China）

Abstract of the Cuk converter has some disadvantages under hard-switching operations, such as high switch losses, low efficiency of conversion, and large electromagnetic interference (EMI), and so on. A new ZVT isolated Cuk converter system is proposed in this paper. The operation modes and parameters design procedure are given as well. A prototype of 500W is built and tested. The experimental results show that all switches can operate in soft-switching mode. Compared with the converter under hard-switching operations, the peak current and peak voltage decrease obviously, while the efficiency of the proposed Cuk converter is improved significantly, which validate that the proposed methods and parameters calculation are reasonable.

Switching power supply, isolated Cuk converter, zero voltage transition soft-switching, single-stage converter

TM46

2014-10-05 改稿日期 2015-01-01

四川省高校院所应用成果转化项目计划资助（12DXYB171JH-002）。

苏小丽 女，1990年生，硕士，研究方向为电力电子硬件设计及控制。E-mail: sxl1245@live.com（通信作者）

佃松宜 男，1972年生，副教授，研究方向为电力电子与电气传动控制。E-mail: scudiansy@scu.edu.cn