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)對整機的體積、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現(xiàn)裝置小型化的同時也增加了開關(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。該電路只有一個開關(guān)，控制簡單，在輸入和輸出之間由一個電容傳送能量，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，實現(xiàn)了初、次級的電氣隔離。

　　在對帶零電壓開通軟開關(guān)的隔離式Cuk電路進行理論分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了硬件電路，同時結(jié)合光伏電池的工作特點，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)的實驗結(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

　　止時的等效電路。假設(shè)電路已進入穩(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對電感L1充電，電容C1的電壓直接加在變壓器T初級。

　　C1放電，次級感應(yīng)出的電流對負(fù)載供電并給電感L2儲能，此時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充電儲能，初級電流通過T感應(yīng)到次級，對C2充電，負(fù)載電流從VD流過，L2將儲能量釋放給負(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。

　　對于輸入回路，當(dāng)VS1導(dǎo)通時：

　　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

　　在實際應(yīng)用中，為了保護開關(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，開通VS1，從而實現(xiàn)了主開關(guān)的零電壓開通。當(dāng)VSr開通后，Cr通過Lr的初級放電，Lr次級感應(yīng)的電壓使VDr反偏截止，因此Lr次級無電流，此時Lr作為諧振電感工作。VSr必須在VS1開通的同時關(guān)斷，以結(jié)束諧振過程，VSr的關(guān)斷使得Lr的初級電流感應(yīng)到次級，VDr導(dǎo)通。Lr次級繞組和VDr為VSr關(guān)斷后的Lr的初級電流提供一個通路，使該電流回到主電路中，避免能量損失。

　　3、實驗結(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，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)動脈沖和漏源電壓波形。該電路中R=51kΩ，C=103pF。

　　VD采用P6KE440。對比圖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，因引入了RCD吸收電路，在其上消耗的能量會導(dǎo)致傳輸效率的進一步下降。

　　圖5示出零電壓開通軟開關(guān)隔離式Cuk電路的工作波形?？梢姡琕Sr開通后，諧振電路開始工作。經(jīng)Tr/4時間后，uCr諧振至零，即udsVS1諧振至零，此時開通VS1，便實現(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，這是因為諧振電容能吸收VS1關(guān)斷時的過電壓，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，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，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，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)成光伏陣列進行輸出。

　　圖8示出MPPT系統(tǒng)的功率時間實驗曲線。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如功率時間曲線前半部分的極大值點所示。搜索結(jié)束后，馬上進行MPPT?？梢姡到y(tǒng)在極短的時間內(nèi)便追蹤到光伏陣列的最大功率點，并穩(wěn)定工作在其附近。

　　將軟開關(guān)的隔離式Cuk電路運用于光伏系統(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，同時由于引入了隔離變壓器，實現(xiàn)了原次級的電氣隔離，為后級的逆變并網(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，并將前者運用于光伏發(fā)電的MPPT系統(tǒng)。實驗結(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。研究軟開關(guān)技術(shù)對于解決高頻化所產(chǎn)生的開關(guān)損耗和EMI等問題具有重要的意義。