近年來，新型太陽能發電系統對整機的體積、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裝置小型化的同時也增加了開關器件的損耗，并帶來產生電磁干擾（EMI）等問題。戶用光伏系統安裝在住宅區，過強的EMI直接影響了居民的正常生活。在光伏發電控制系統中引入軟開關技術是解決該問題的有效途徑。軟開關技術通過實現開關器件零電壓或零電流的開通或關斷來降低開關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，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。在光伏并網發電控制系統中，通常要求光伏電池板側與用電側無直接的電氣連接。隔離式Cuk電路在電源輸入、輸出端引入了隔離變壓器，實現了初、次級的電氣隔離。

　　在對帶零電壓開通軟開關的隔離式Cuk電路進行理論分析的基礎上，構建了硬件電路，同時結合光伏電池的工作特點，將其應用于光伏發電的最大功率追蹤（MPPT）系統，并給出了系統的實驗結果。

　　1、Cuk電路的拓撲結構及其工作原理

　　1.1、隔離式Cuk電路的拓樸結構

　　圖1示出隔離式Cuk電路的拓撲結構

　　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VS1導通或截

　　止時的等效電路。假設電路已進入穩態，圖中箭頭表示回路電流方向。在VS1導通期間，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，次級感應出的電流對負載供電并給電感L2儲能，此時C1和C2均處于放電狀態，續流二極管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感應到次級，對C2充電，負載電流從VD流過，L2將儲能量釋放給負載。

　　圖2

　　隔離式Cuk電路在開關導通或關斷時的等效電路

　　2.3、隔離式Cuk電路的基本關系式

　　設各元件的電壓、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VS1導通時：

　　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系式：

　　2、零電壓開通軟開關隔離式Cuk電路

　　在實際應用中，為了保護開關管，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致傳輸效率的下降。為了降低系統的開關損耗，在圖1的基礎上，引入軟開關諧振電路，其電路拓撲如圖3所示。

　　諧振軟開關由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Cr電壓諧振至零時，開通VS1，從而實現了主開關的零電壓開通。當VSr開通后，Cr通過Lr的初級放電，Lr次級感應的電壓使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開通的同時關斷，以結束諧振過程，VSr的關斷使得Lr的初級電流感應到次級，VDr導通。Lr次級繞組和VDr為VSr關斷后的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、實驗結果及分析

　　圖4a示出隔離式Cuk電路工作在硬開關方式下VS1柵極驅動脈沖和漏源電壓波形。可見，在開關

　　導通過程中，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波形交疊，因而存在

　　較大的開關損耗。另外，開關器件的感性關斷電壓尖峰值很大，當器件關斷時，電流突變導致電路中的感性元件感應出尖峰電壓，并且開關頻率越高，關斷越快，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，開關管兩端的尖峰電壓明顯變小，但仍存在較大的開關損耗。同時，因引入了RCD吸收電路，在其上消耗的能量會導致傳輸效率的進一步下降。

　　圖5示出零電壓開通軟開關隔離式Cuk電路的工作波形?？梢?，VSr開通后，諧振電路開始工作。經Tr/4時間后，uCr諧振至零，即udsVS1諧振至零，此時開通VS1，便實現了VS1的零電壓開通，使其導通損耗近似為零。另外，VS1漏源間的感性關斷電壓尖峰值較小，這是因為諧振電容能吸收VS1關斷時的過電壓，從而減小開關器件所承受的開關應力，延長開關器件的使用壽命。

　　圖5零電壓開通軟開關的隔離式Cuk電路波形

　　圖6示出VS1占空比為50%時，零電壓開通軟開關隔離式Cuk電路和RCD吸收隔離式Cuk電路在不同開關頻率和負載情況下的傳輸效率曲線圖。無論帶軟開關與否，傳輸效率均隨著開關頻率的增加和負載的加重而下降。在開關頻率為100kHz，負載為360Ω時，軟開關隔離式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

　　VS1的占空比為30%時，零電壓開通軟開關隔離式Cuk電路的傳輸效率比普通Cuk電路高約18%?？梢?，軟開關的應用能大大提高Cuk電路的傳輸效率。

　　圖6

　　不同開關頻率、不同負載情況下的傳輸效率曲線。

　　4、在光伏發電MPPT系統中的應用

　　圖7示出光伏發電MPPT系統的原理框圖，其中虛線框內為后級選接電路。系統中，MPPT采用自適應算法。光伏電池模塊采用STP010-12/Kb，將該模塊兩兩串聯后，再并聯成光伏陣列進行輸出。

　　圖8示出MPPT系統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。搜索結束后，馬上進行MPPT?？梢?，系統在極短的時間內便追蹤到光伏陣列的最大功率點，并穩定工作在其附近。

　　將軟開關的隔離式Cuk電路運用于光伏系統，不僅可以提高系統的能量傳輸效率，減小系統的體積和質量，同時由于引入了隔離變壓器，實現了原次級的電氣隔離，為后級的逆變并網帶來了極大方便。

　　5、結論

　　構建了軟開關隔離式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、開關頻率和負載條件下兩種電路的傳輸效率，并將前者運用于光伏發電的MPPT系統。實驗結果證明了軟開關在提高Cuk電路傳輸效率方面的作用及軟開關隔離式Cuk電路應用于光伏系統的巨大優勢。研究軟開關技術對于解決高頻化所產生的開關損耗和EMI等問題具有重要的意義。