一种零电压关断零电流开通高增益Cuk变换器
阅读说明：本技术 一种零电压关断零电流开通高增益Cuk变换器 (Zero-voltage turn-off zero-current turn-on high-gain Cuk converter ) 是由 邾玢鑫 蓝海 赵宇辉 支树播 杨楠 李振华 王凯宏 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：一种零电压关断零电流开通高增益Cuk变换器,该变换器包括主电路、辅助电路；所述主电路包括Cuk变换器、至少一个外衣单元。Cuk变换器包含两个电感L1、L2,一个功率开关管S1,一个二极管D1和两个电容C1、C2。所述辅助电路包括零电流电感Lr、辅助电感Ls、零电压电容Cs、二极管D2、D3、D4。本发明变换器实现了功率开关管的零电压关断和零电流导通,消除了功率开关管S1上的开关损耗,实现了软开关无损的目的,可以提高变换器效率。(A zero-voltage cut-off zero-current turn-on high-gain Cuk converter comprises a main circuit and an auxiliary circuit; the main circuit comprises a Cuk transducer, at least one garment unit. The Cuk converter comprises two inductors L1, L2, a power switch S1, a diode D1 and two capacitors C1, C2. The auxiliary circuit comprises a zero current inductor Lr, an auxiliary inductor Ls, a zero voltage capacitor Cs, diodes D2, D3 and D4. The converter realizes zero voltage turn-off and zero current conduction of the power switch tube, eliminates the switching loss on the power switch tube S1, realizes the purpose of soft switching without loss, and can improve the efficiency of the converter.)
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器，具体涉及一种零电压关断零电流开通高增益Cuk变换器。
背景技术
在现有的开关电源技术中，Cuk外衣电路很好的实现了高电压增益，但在高增益DC/DC变换器中，为了降低变换器成本和提高变换器的功率密度，就需要提高变换器的开关管工作频率，然而目前实现变换器的高频工作仍然有困难。主要原因是随着变换器工作频率的提高，其开关管的开关损耗也会相应的增加，进而导致变换器的工作效率降低，发热量增加。另外，散热器体积和重量也随之增加。开关频率的升高主要产生以下两个问题：
(1)开关损耗问题：在功率开关管开关过程中，功率开关管的电压和电流均不为零，出现交叠面积，该面积就为功率开关管的开关损耗。开关损耗与开关频率之间成线性关系，开关频率的提高之后，开关损耗会有明显的增加。
(2)EMI(Electromagnetic Interference)电磁干扰效应：当变换器工作在高频率时，电压和电流变化较快，波形会出现明显的过冲，开关管会不得不产生较高的du/dt和di/dt，对电源自身和周边的电子设备会有影响，并且会有开关噪音，在开关频率的进一步提高之后，EMI问题会变得更加严峻。
针对现今的高增益DC/DC变换器存在的问题，采用软开关技术，理论上可以将开关损耗降至零，同时能减少EMI问题对电子器件的干扰。
发明内容
本发明提供一种零电压关断零电流开通高增益Cuk变换器，通过辅助电路使得功率开关管的开关损耗在功率开关管工况发生改变时，将能量转移回了主电路中，降低了电路中功率开关管上的开关损耗。
本发明采取的技术方案为：
一种零电压关断零电流开通高增益Cuk变换器，该变换器包括主电路、辅助电路；
所述主电路包括Cuk变换器、至少一个外衣单元；
所述Cuk变换器包含电感L1、功率开关管S1、电容C1、二极管D1、电感L2、电容C2；
电感L1一端连接输入电源正极，电感L1另一端分别连接功率开关管S1漏极、电容C1一端，功率开关管S1源极连接输入电源负极；电感L2另一端连接电容C2一端；电容C2另一端分别连接二极管D1阴极、功率开关管S1漏极、输入电源负极；
所述外衣单元包含电容Cn1、电容Cn2、电感Ln1、二极管Dn1，n为自然数，且n≥1，外衣单元包含五端口：端口①、端口②、端口③、端口④、端口⑤；
电容Cn1一端为端口①，电容Cn1另一端分别连接二极管Dn1阳极、电感Ln1一端，二极管Dn1阴极为端口②；电感Ln1另一端连接电容Cn2一端，电容Cn2另一端为端口③；二极管Dn1阳极为端口④，电感Ln1另一端为端口⑤；
端口①分别连接到Cuk变换器中电感L2一端、二极管D1阳极，端口②分别连接到Cuk变换器中电感L2另一端、电容C2一端，端口③连接到输入电源负极；
所述辅助电路包括零电流电感Lr、辅助电感Ls、零电压电容Cs、二极管D2、D3、D4；
零电流电感Lr一端连接二极管D4阳极、Cuk变换器中的电容C1另一端；
零电流电感Lr另一端分别连接第一外衣单元中的电容C11的一端、Cuk变换器中的电感L2一端、二极管D1阳极；
二极管D2阴极分别连接输入电源阳极、电感L1一端；
二极管D2阳极分别连接辅助电容Cs一端、二极管D3阴极；
二极管D3阳极连接辅助电感Ls一端；
辅助电感Ls另一端分别连接输入电源负极，功率开关管S1源极；
二极管D4阴极连接输入电源阴极；
零电压电容Cs另一端分别连接功率开关管S1源极、电容C1一端、主电感L1另一端。
n个外衣单元中，
第二外衣单元的端口①连接到第一外衣单元中的端口④，
第二外衣单元的端口②连接到第一时外衣单元中的端口⑤，
第二外衣单元的端口③连接到输入电源负极；
第三外衣单元的端口①连接到第二外衣单元中的端口④，
第三外衣单元的端口②连接到第二外衣单元中的端口⑤，
第三外衣单元的端口③连接到输入电源负极；
......以此类推；
第n外衣单元的端口①连接到第n-1外衣单元中的端口④，
第n外衣单元的端口②连接到第n-1外衣单元中的端口⑤，
第n外衣单元的端口③连接到输入电源负极。
所述功率开关管S1栅极连接控制器。
本发明一种零电压关断零电流开通高增益Cuk变换器，技术效果如下：
1)、在功率开关管S1导通时，由于零电流电感Lr的作用，使得功率开关管S1在零电流条件下导通，消除了功率开关管S1的开通损耗。
2)、在功率开关管S1关断时，由于零电压电容Cs的作用，使得功率开关管S1在零电压条件下关断，消除了功率开关管S1的关断损耗。
3)、本发明中采用了无源无损软开关技术为主电路中功率开关管S1实现软开关。在功率开关管S1的整个开关周期内，通过辅助电路的作用降低了电路中功率开关管S1上的开关损耗。
附图说明
图1是本发明变换器的原理总图。
图2是本发明含有两个外衣单元的变换器的原理图。
图3是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态一的原理图；
图4是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态二的原理图；
图5是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态三的原理图；
图6是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态四的原理图；
图7是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态五的原理图；
图8是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态六的原理图；
图9是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态七的原理图；
图10是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态八的原理图；
图11是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态九的原理图；
图12是本发明含有两个外衣单元的变换器电路模态十的原理图；
图13是本发明的外衣单元的结构图；
图14是本发明的n＝1时的外衣单元的原理图。
图15为功率开关管S1的驱动控制信号、输入电源Uin、输出电压Uo的仿真波形图。
图16(1)为功率开关管S1的驱动、开关管上的电流Is、开关管上的电压Us仿真波形图(零电流导通)；
图16(2)为功率开关管S1的驱动、开关管上的电流Is、开关管上的电压Us仿真波形图(零电压关断)。
具体实施方式
如图1所示，一种零电压关断零电流开通高增益Cuk变换器，该变换器包括主电路、辅助电路、至少一个外衣单元；
传统Cuk变换器：
所述Cuk变换器包含电感L1、功率开关管S1、电容C1、二极管D1、电感L2、电容C2；
电感L1一端连接输入电源正极，电感L1另一端分别连接功率开关管S1漏极、电容C1一端，功率开关管S1源极连接输入电源负极；电容C1另一端连接二极管D1阳极、电感L2一端，电感L2另一端连接电容C2一端；电容C2另一端分别连接二极管D1阴极、功率开关管S1漏极、输入电源负极；
外衣单元：
所述外衣单元包含电容Cn1、电容Cn2、电感Ln1、二极管Dn1，n为自然数，且n≥1，外衣单元包含五端口：端口①、端口②、端口③、端口④、端口⑤；
电容Cn1一端连接端口①，电容Cn1另一端分别连接二极管Dn1阳极、电感Ln1一端，二极管Dn1阴极连接端口②，电感Ln1另一端连接电容Cn2一端，电容Cn2另一端连接端口③；二极管Dn1阳极为端口④，电感Ln1另一端为端口⑤；
辅助电路：
所述辅助电路包括零电流电感Lr、辅助电感Ls、零电压电容Cs、二极管D2、D3、D4；
零电流电感Lr一端连接二极管D4阳极、Cuk变换器中的电容C1另一端；
零电流电感Lr另一端分别连接n＝1时的外衣单元中的电容C11的一端、Cuk变换器中的电感L2一端、二极管D1阳极；
二极管D2阴极分别连接输入电源阳极、电感L1一端；
二极管D2阳极分别连接辅助电容Cs一端、二极管D3阴极；
二极管D3阳极连接辅助电感Ls一端；
辅助电感Ls另一端分别连接输入电源负极，功率开关管S1源极；
二极管D4阴极连接输入电源阴极；
零电压电容Cs另一端分别连接功率开关管S1源极、电容C1一端、主电感L1另一端。
传统Cuk变换器与外衣单元之间关系：
端口①分别连接到Cuk变换器中电感L2一端、二极管D1阳极，端口②分别连接到Cuk变换器中电感L2另一端、电容C2一端，端口③连接到输入电源负极；
外衣单元之间连接关系：
n个外衣单元中，
n＝2时的外衣单元的端口①连接到n＝1时的外衣单元中的端口④，
n＝2时的外衣单元的端口②连接到n＝1时的外衣单元中的端口⑤，
n＝2时的外衣单元的端口③连接到输入电源负极；
n＝3时的外衣单元的端口①连接到n＝2时的外衣单元中的端口④，
n＝3时的外衣单元的端口②连接到n＝2时的外衣单元中的端口⑤，
n＝3时的外衣单元的端口③连接到输入电源负极；
传统Cuk变换器与辅助电路之间关系：
辅助电路中二极管D2分别连接Cuk变换器中的电感L1一端和输入电源正极，电容Cs分别连接Cuk变换器中的电容C1和功率开关管S1的漏极，辅助电路中的零电流电感Lr左端和二极管D4的阳极交点连接Cuk变换器中的电容C1右端，辅助电路中的零电流电感Lr右端连接电感L2左端，二极管D4的阴极分别与电容C2下端、电感Ls的下端和输入电源负极连接。
实施例：
如图2所示，以包含两个外衣单元为例：
一种零电压关断零电流开通高增益Cuk变换器，包含一个传统的Cuk变换器、两个外衣单元和一个辅助电路。其中，传统的Cuk变换器包含两个电感L1、L1，一个功率开关管S1，一个二极管D1和两个电容C1、C2。第一个外衣单元包含一个电感L11、两个电容C11、C12和一个二极管D11。第二个外衣单元包含一个电感L21、两个电容C21、C22和一个二极管D21。辅助电路部分包含一个零电流电感Lr、一个辅助电感Ls、一个零电压电容Cs以及三个二极管D2、D3、D4。其电路连接关系为：
传统的Boost变换器电感L1一端连接输入电源正极，电感L1另一端分别连接功率开关管S1漏极、电容C1一端，功率开关管S1源极连接输入电源负极，电容C1另一端连接二极管D1阳极、电感L2一端，电感L2另一端连接电容C2一端，电容C2另一端分别连接二极管D1阴极、功率开关管S1漏极、输入电源负极；
外衣单元如图14所示，是一个由两个电容C11和C12、一个电感L11、一个二极管D11组成的五端口的单元。电容C11的左端连接到端口①，右端与电感L11的一端以及二极管D11的阳极连接。电感L11的另一端连接到端口③。电感L11的另一端与第二个电容C12的上端连接。电容C12的下端连接到端口③。二极管D11的阴极为端口②，阳极为端口④。第一个外衣单元的端口①连接到Boost变换器中电感L2一端，端口②连接到电感L2另一端，端口③连接到输入电源的负极。第二个外衣单元的端口①连接到第一个外衣单元中二极管的阳极，端口②连接到第一个外衣单元中电感L11另一端，端口③连接到输入电源负极。第三个外衣单元的连接与第二个外衣单元的连接一致。
辅助电路部分中：零电流电感Lr一端分别连接n＝1时的外衣单元中的电容C11的一端、Cuk变换器中的电感L2一端、二极管D1阳极；零电流电感Lr另一端连接Cuk变换器中的电容C1另一端、二极管D4阳极；二极管D4阴极连接输入电源阴极；二极管D2阳极分别连接辅助电容Cs一端、二极管D3阴极；二极管D2阴极分别连接输入电源阳极、电感L1一端；二极管D3阳极连接辅助电感Ls一端；辅助电感Ls另一端分别连接输入电源负极，功率开关管S1源极；零电压电容Cs另一端分别连接功率开关管S1源极、电容C1一端、主电感L1另一端。
传统Cuk变换器与外衣单元之间关系：
端口①分别连接到Cuk变换器中电感L2一端、二极管D1阳极，端口②分别连接到Cuk变换器中电感L2另一端、电容C2一端，端口③连接到输入电源负极；
外衣单元之间连接关系：
n＝2时的外衣单元的端口①连接到n＝1时的外衣单元中的端口④，
n＝2时的外衣单元的端口②连接到n＝1时的外衣单元中的端口⑤，
n＝2时的外衣单元的端口③连接到输入电源负极；
传统Cuk变换器与辅助电路之间关系：
辅助电路中二极管D2分别连接Cuk变换器中的电感L1一端和输入电源正极，电容Cs分别连接Cuk变换器中的电容C1和功率开关管S1的漏极，辅助电路中的零电流电感Lr左端和二极管D4的阳极交点连接Cuk变换器中的电容C1右端，辅助电路中的零电流电感Lr右端连接电感L2左端，二极管D4的阴极分别与电容C2下端、电感Ls的下端和输入电源负极连接。
根据功率开关管S1以及二极管导通情况的不同，可以将电路的工作过程分为10个工作模态，具体情况如下：
模态一：
该模式开始时，由于零电流电感Lr、电感L1上的电流大小与方向不能够突变，在ZCS条件下主开关S1导通。在这种模式下，二极管D1、D3、D11、D21导通，电感L1、L11、L21放电，辅助电感Ls充电，电容C1、C11、C21充电，电容Cs、C2、C12、C22放电。当二极管D3导通，辅助电感Ls和零电压电容Cs之间开始谐振。因此，Cs电压呈正弦曲线下降，Ls电流呈正弦曲线上升。当零电流电感Lr线性减小到零时，该模态结束。
模态二：
在该模态下，二极管D1、D11、D21截止，主电路中电感L1、零电流电感Lr开始充电，电流线性增加。电容C1、C11、C21开始放电，电容C2、C12、C22充电，电感L11、Lr、L21电流线性增大。辅助电感Ls和零电压电容Cs之间继续谐振，当辅助电路中零电压电容Cs两端的电压达到负的输入电压-Vin时,二极管D2开始在ZVS条件下导通，Cs电压被钳位在这个水平，该模态结束。
模态三：
在模态三下，由于电感Ls在与零电压电容Cs谐振过程中，电感Ls上流过电流会有能量储存。当Cs上电压达到负的输入电压-Vin时，电感Ls会通过二极管D2续流将能量反馈到输入电源。主电路中元器件的工作状态和上一模态相同。当电感Ls电流降为零，二极管D2截止时，该模态结束。
模态四：
在该模态下，辅助电路停止动作。主电路中元器件的工作状态和上一模态相同，负载由C22继续供电。在功率开关管S1关断时，该模态结束。
模态五：
在模态五时，由于零电压Cs的存在，功率开关管S1在ZVS下被关断。在这种模式下，主电路中元器件的工作状态和上一模态相同，负载由C22继续供电。电感L1电流线性放电Cs，当VCs达到零时,电感L1电流线性充电Cs。当VCs达到Vc1-Vin时，二极管D4开始在ZVS条件下导通，Cs电压被钳位在这个水平，该模态结束。
模态六：
当二极管D21导通时，模态六开始，二极管D4开始在ZVS条件下导通，电感L1的电流通过C1、D4和uin。L2的电感电流流过Lr、D4和C2。L11的电感电流流过C11、Lr、D4和C12。L21的电感电流分成两路，首先流过C21、C11、Lr、D4和输出级(C22//RL)，然后流过D21、C12和输出级(C22//RL)。C1、C2、C12、C22充电，C11、C21放电，所有感应器电流均下降。当电容C21电流降低到零时，该模态结束。
模态七：
当电容C21电流降低到零时，模态七开始，在该模态下，电容C21电流反向增大，L11的电感电流流过C21、D21。L21的电感电流流过流过D21、C12和输出级(C22//RL)。其余电感电流状态与上一模态相同，C1、C2、C12、C21和C22充电，C11放电，所有感应器电流均下降。当电容C11电流降低到零时，该模态结束。
模态八：
当电容C11电流降低到零时，模态八开始，在该模态下，电容C11电流反向增大，L2的电感电流分成两路，首先流过C11、C21、D21、C12，然后流过Lr、D4和C2。其余电感电流状态与上一模态相同，C1、C1、C11、C12、C21和C22充电，C12放电，所有感应器电流均下降。当电感Lr电流降低到零时，该模态结束。
模态九：
当电感Lr电流降低到零时，模态九开始，在该模态下，电感Lr电流反向增大，L2的电感电流流过C11、C21、D21、C12。其余电感电流状态与上一模态相同，C1、C1、C12、C21和C22充电，C11放电，其余所有感应器电流均下降。电感Lr电流反向增大到输入电感电流时，D4零电流关断，该模态结束。
模态十：
当D4零电流关断，D1、D11导通时，模态十开始。L1的电感电流分三路；首先通过C1,D1和uin，然后通过C1,C11,D11,C2和uin，最后通过C1,C11,C21,D21,C12和uin。L2的电感电流流过D1和C2,L11的电感电流流过D11、C2和C12,L21的电感电流流过D21、C12和输出级(C22//RL)。C1、C11、C21充电，C2、C12、C22放电，所有感应器电流均下降。
仿真参数：
开关频率f为50k，输入电源Uin为48V，输出电压Uo为400V，功率开关管S1的占空比为0.735，额定功率Po为300W。
图15为功率开关管S1的驱动控制信号、输入电源Uin、输出电压Uo的仿真波形图。可以看到，上述电路实现了设计所需要的高增益要求。
图16(1)、图16(2)为功率开关管S1的驱动、开关管上的电流Is、功率开关管S1上的电压Us仿真波形图。从仿真波形中可以看出，辅助电路实现了功率开关管零电流导通和零电压关断的功能。
本发明实现了功率开关管的零电压关断和零电流导通，消除了功率开关管S1上的开关损耗，实现了软开关无损的目的。从而提高变换器的效率。