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基于Cuk拓扑结构的双向DC/DC变换器的研究

摘要：针对双向DC/DC变换器在能量双向传输时存在电压电流波动的情况，

采用基于Cuk拓扑结构的双向DC/DC变换器。通过PI控制器加入电流反馈环来抑

制在能量传输时所产生的电压电流波动。在LTspice软件和Matlab/Simulink仿真

软件中对系统的输出电压及电流进行了稳定性分析。从而实现基于Cuk拓扑结构的

双向DC/DC变换器的电路设计，PI控制器设计、以及系统的开闭环仿真。

关键：Cuk电路双向DC/DC转换器蓄电池充电PI控制

人们对自然资源的需求增长迅速，迫切希望寻找环保、高效和可持续的新能源,

以替代传统的化石能源，优化能源结构，以满足社会生产生活的需求［1］。在新能

源的实际应用中，各类能源会受到不同条件的影响，通常需要将多种变换器组合成

系统来满足实际需求。双向DC-DC变换器作为变换器关键的能量转换组件，能够有

效地传递能量并进行电压调节，其在新能源发电、车辆到电网、电池储能、不停电

系统等领域中被广泛应用［2］。在储能系统中同样发挥着重要作用［3］,在传统的

BES单元，仅仅是将能量直接储存入锂电池中，无法发挥锂电池的性能在充放电方

面的优势，能量会由锂电池两侧的并联电容等元件消耗掉，这样会导致电能的大量

流失，因此在新型储能系统中，广泛使用了双向DC/DC变换器，大大提高了系统能

量的利用效率［4］。在光伏发电系统应用中双向DC/DC变换器充当一个缓冲机制来

调理发电量和负载之间供需问题的矛盾［5］。

新能源汽车一般会选择锂电池和超级电容组成的复合电源系统［6］。锂电池与

超级电容这两个供能装置之间是通过双向DC/DC变换器来连接，从而实现能量的双

向流动。

非隔离双向DC/DC变换器的结构有很多，例如双向Buck/Boost双向半桥、

双向SEPIC以及双向Cuk电路变换器等。其中Cuk结构的双向DC/DC变换器相比于

其他变换器而言具有输出功率大、输出电流连续、功率开关管所承受的电压、电流

较小等诸多优点。（图1）

2Cuk拓扑双向DC/DC变换器

双向DC/DC变换器的两个端口中，每一个端口都既可以是输入端也可以是输出

端，所以能量能够实现双向传输。能量的流动方向如下图所示，可以根据电流II、

12的方向来判断，但是能量的传输方向是由开关管的工作状态决定的。

基于Cuk拓扑结构的双向DC/DC变换器的结构是由两个单向Cuk变换器反向串

联形成的。结构中的两个开关管不同时工作，一个工作时另一个就关断。当开关管

S1正常工作、S2不工作时，能量从左向右传输。当开关管S2正常工作、S1不工

作时，能量从右向左传输。本文研究的是不带电气隔离的拓扑结构。结构图如下所

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当开关管S1正常工作、S2不工作，能量从左向右传输时，整个电路的状态分

为两种。即在一个PWM信号周期内S1的导通以及关断状态。

当S1导通时：S1的体二极管D1反向截止，输入端的电流流向为Ul—LI—S1,

输出端的电流流向为Cl—SI—U2—L2。此时的电源U1给电感L1充电，电容C1给

电池U2以及电感L2充电。

当S1关断时：S1的体二极管D1反向截止，S2的体二极管D2正向导通，输入

端的电流流向为Ul—LI—Cl—D2,输出端的电流流向为Ul—LI—Cl—D2。此时U1

电源与电感L1同时向电容C1充电，电感L2给电池U2充电。

当S1导通、S2关断时有：

当S1关断、S2关断时有：

在一个周期内的AB两点的电压为:

上式中的T为一个开关周期，ton为一个周期内的导通时间，toff为一个周期

内的关断时间。

整个开关周期中，由电感L1和电感L2的伏秒平衡可知：

则由上式可得U1和U2的关系如下：

当S2正常工作、S1不工作能量从右向左传输时，整个结构的电路分析和上述

过程一样，最终可以得到

上式中是开关管一个周期内的导通占比称为导通占空比。通过选取占空比的大

小可以控制变换器的工作模式是在升压或是降压模式。

3控制器设计

虽然Cuk电路的输出电流是连续的但是会存在波动，因此需要设计一个控制器

来进行控制，使变换器能够平稳输出，提高系统安全性的同时还能够延长电池的使

用寿命。

闭环系统以输出侧的电感电流为反馈信号，然后与设定值作比较得到系统差值

经