應用DCVM模式工作的Cuk變換器于功率因數校正

1引言

隨著電力電子裝置的大量應用，使大量諧波電流注入了電網中，從而污染了電網。為了限制總的諧波含量（THD）以提高功率因數，制定了許多標準，如IEC100032。近年來，如何提高功率因數成為了電力電子領域研究的熱點。工作于不連續導電模式的Boost，BuckBoost，Cuk等變換器具有平均輸入電流自動跟蹤輸入電壓的特點[1][2][3]，由于它們的控制電路簡單，對小功率運用特別具有吸引力。然而，由于工作在電流不連續導電模式，這些變換器的電流應力很大，導致其損耗很大，效率變低，而且，其輸入電流含有大量開關紋波，需要進一步濾波。本文介紹的工作于DCVM（DiscontinuousCapacitorVoltageMode）的Cuk變換器具有很好的輸入電流波形自動跟蹤輸入電壓波形的能力，除此之外，它還具有下面的特征：

（1）主功率開關自動實現軟關斷這對于關斷時具有電流拖尾的器件如IGBT特別有用，因為這大大減小了開關的關斷損耗；

（2）低開關電流應力和輸入電流紋波由于其開關電流應力小，從而減小了開關的導通損耗；

（3）單位功率因數在很大的輸入電壓范圍內，

其輸入等效阻抗為純電阻，從而其功率因數接近于1；

（4）易于實現隔離對于用變壓器隔離的Cuk變

換器，與正激和反激變換器相比，其變壓器鐵芯的利用率高。在本文中，如沒有特別說明，表示變量x在一個開關周期TS內的平均值，大寫字母表示變量的穩態值，小寫字母表示變量的瞬時值。

2電路原理分析

下面先對工作于DCVM模式的CukDC/DC變換器進行分析，CukDC/DC變換器如圖1所示，在進行電路分析之前，先作如下假設：

(1)所有元器件均為理想元器件；

（2）電感L1、L2足夠大，從而確保電路工作于DCVM模式，在一個開關周期內，流過L1、L2的電流的紋波可以忽略，分別用和表示；

圖1Cuk變換器

圖2Cuk變換器的工作狀態

(a)工作狀態1(b)工作狀態2(c)工作狀態3

圖3VC的波形

圖4Cuk變換器中的開關網絡

（3）電容C足夠小，從而保證它在開關S的導通時間內放電完畢；電容CL足夠大，在一個開關周期TS內，輸出電壓VO保持不變。

經分析，工作于DCVM的Cuk變換器有三種工作狀態，各種工作狀態的等效電路如圖2（a）、（b）、（c）所示，圖中用粗線表示的支路為有電流流過的支路。C上的電壓vC的波形如圖3所示，圖中D1表示在一個開關周期內C放電所用時間與開關周期的比值，D表示開關的占空比。下面對電路各種工作狀態作具體的分析。工作狀態1（0工作狀態2（D1TS工作狀態3（DTS與工作于CCM模式的CukDC/DC變換器相比，工作于DCVM模式的CukDC/DC變換器多了工作狀態2，這時S和VD都導通，由于這個工作狀態的引入，從而改變了變換器的特征。從后面的分析可以看出，工作于DCVM模式的Cuk變換器的平均輸入電流波形自動地跟蹤了輸入電壓的波形，從而使變換器的功率因數大大提高，達到了功率因數校正的目的。（1）

式中：D1=（2）

3變換器的大信號模型及其穩態特性

下面先采用平均電路法[5]推導出變換器的大信號模型，根據其大信號模型，推導變換器的穩態特性。Cuk變換器的開關網絡如圖4所示，假設流過電感L1、L2的電流iL1、iL2在一個開關周期內的平均值分別為、，電容電壓vC在一個開關周期內的平均值為，二極管VD上承受的電壓vD在一個開關周期周期內的平均值為。

由圖3可以得到：=dt＋dt=(1－D)(1－D＋D1)（3）=dt=(1－D)D1=(1－D)2（4）

于是可得：=－=(1－D)2（5）由式（5）可以看出，輸入端口電壓與輸入端口電流成正比，也就是說：=（6）

式中等效電阻Re(D)為：Re(D)=（7）