应用DCVM模式工作的Cuk变换器于功率因数校正

1引言

随着电力电子装置的大量应用，使大量谐波电流注入了电网中，从而污染了电网。为了限制总的谐波含量（THD）以提高功率因数，制定了许多标准，如IEC100032。近年来，如何提高功率因数成为了电力电子领域研究的热点。工作于不连续导电模式的Boost，BuckBoost，Cuk等变换器具有平均输入电流自动跟踪输入电压的特点[1][2][3]，由于它们的控制电路简单，对小功率运用特别具有吸引力。然而，由于工作在电流不连续导电模式，这些变换器的电流应力很大，导致其损耗很大，效率变低，而且，其输入电流含有大量开关纹波，需要进一步滤波。本文介绍的工作于DCVM（DiscontinuousCapacitorVoltageMode）的Cuk变换器具有很好的输入电流波形自动跟踪输入电压波形的能力，除此之外，它还具有下面的特征：

（1）主功率开关自动实现软关断这对于关断时具有电流拖尾的器件如IGBT特别有用，因为这大大减小了开关的关断损耗；

（2）低开关电流应力和输入电流纹波由于其开关电流应力小，从而减小了开关的导通损耗；

（3）单位功率因数在很大的输入电压范围内，

其输入等效阻抗为纯电阻，从而其功率因数接近于1；

（4）易于实现隔离对于用变压器隔离的Cuk变

换器，与正激和反激变换器相比，其变压器铁芯的利用率高。在本文中，如没有特别说明，表示变量x在一个开关周期TS内的平均值，大写字母表示变量的稳态值，小写字母表示变量的瞬时值。

2电路原理分析

下面先对工作于DCVM模式的CukDC/DC变换器进行分析，CukDC/DC变换器如图1所示，在进行电路分析之前，先作如下假设：

(1)所有元器件均为理想元器件；

（2）电感L1、L2足够大，从而确保电路工作于DCVM模式，在一个开关周期内，流过L1、L2的电流的纹波可以忽略，分别用和表示；

图1Cuk变换器

图2Cuk变换器的工作状态

(a)工作状态1(b)工作状态2(c)工作状态3

图3VC的波形

图4Cuk变换器中的开关网络

（3）电容C足够小，从而保证它在开关S的导通时间内放电完毕；电容CL足够大，在一个开关周期TS内，输出电压VO保持不变。

经分析，工作于DCVM的Cuk变换器有三种工作状态，各种工作状态的等效电路如图2（a）、（b）、（c）所示，图中用粗线表示的支路为有电流流过的支路。C上的电压vC的波形如图3所示，图中D1表示在一个开关周期内C放电所用时间与开关周期的比值，D表示开关的占空比。下面对电路各种工作状态作具体的分析。工作状态1（0工作状态2（D1TS工作状态3（DTS与工作于CCM模式的CukDC/DC变换器相比，工作于DCVM模式的CukDC/DC变换器多了工作状态2，这时S和VD都导通，由于这个工作状态的引入，从而改变了变换器的特征。从后面的分析可以看出，工作于DCVM模式的Cuk变换器的平均输入电流波形自动地跟踪了输入电压的波形，从而使变换器的功率因数大大提高，达到了功率因数校正的目的。（1）

式中：D1=（2）

3变换器的大信号模型及其稳态特性

下面先采用平均电路法[5]推导出变换器的大信号模型，根据其大信号模型，推导变换器的稳态特性。Cuk变换器的开关网络如图4所示，假设流过电感L1、L2的电流iL1、iL2在一个开关周期内的平均值分别为、，电容电压vC在一个开关周期内的平均值为，二极管VD上承受的电压vD在一个开关周期周期内的平均值为。

由图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，输入端口电压与输入端口电流成正比，也就是说：=（6）

式中等效电阻Re(D)为：Re(D)=（7）