基于脈沖寬度調制的Cuk轉換器電磁干擾減低研究

【關鍵詞】Cuk電路；Type3補償；頻率擴展技術

引言

近年來，開關電源向著高頻化、集成化、高速化方向不斷發展，開關噪聲的任何波動都會在很寬的頻率范圍內強烈傳播[1]。為了減少開關電源產生的電磁噪聲，一般需要引入濾波元件以及屏蔽結構，但這會導致系統體積和成本的增加，系統電路也會變得復雜性，不利于集成[2]。傳統的固定頻率PWM控制技術在應對負載劇烈變化的時候存在性能方面的瓶頸[3]，存在輕載效率與重載響應速度的問題，難以實現動態性能的全局優化[4]。

通過對脈沖寬度調制技術的創新應用，能夠有效抑制電磁干擾，提升電源系統的穩定性和可靠性，為高頻開關電源的電磁兼容性與可靠性提升提供理論支撐與實踐參考[5]。本研究提出基于脈沖編碼控制技術的創新Cuk轉換器方案，該方案運用一種擴展頻譜時鐘技術的方法，將電壓控制模式與壓控振蕩器動態調頻技術相結合，引入Type3電壓補償網絡，從控制策略以及環路補償這兩個方面優化開關電源性能，利用擴展頻譜時鐘技術降低高頻諧波能量密度。該方案可使時鐘頻率的EMI峰值降低，該技術為高頻電源設計提供了新的參考，為電力電子技術智能化升級奠定了理論基礎[6]。

一、Cuk變換器原理

Cuk變換器是一種常見的直流直流轉換器，可實現升降壓功能，且輸出電壓為負電壓。Cuk變換器的結構如圖1所示，由一個直流電源E、兩個電感L1和L2、一個電源開關S1、兩個電容C1和C2、一個二極管D1和一個電阻負載R1組成。

假設所有元器件為理想元器件，根據二極管的單向導電性，當S1處于閉合狀態時，E為L1充電，C1為L2、C2和R1充電。當S1處于斷開狀態時，E和L1共同為C1充電，L2和C2為R1充電。

根據上述描述可知，基于能量存儲元件（電感和電容）的周期性充放電，通過調節開關的占空比D來調節輸出電壓。當開關處于不同的狀態時，電感和電容的充放電方式會發生變化，從而實現電壓變換功能。

基于能量存儲元件穩態時的周期性充放電，在一個周期T內，通過電容C1的電流iC的平均值應為0，也就是iC對時間周期的積分為0，即公式（1）所示：

∫T0iCdt=0（1）

由于開關導通時通過iC的電流和開關關斷時反向，所以開關導通時電容電流IL2和時間ton的乘積等于開關關斷時電容電流IL1和時間toff的乘積，即公式（2）（3）所示：

IL2ton=IL1toff（2）

IL2IL1=toffton=T－tonton=1－DD（3）

當電容C1的值很大使電容電壓UC的脈動足夠小時，輸出電壓Uo與輸入電壓E的關系可用以下方法求出：當開關閉合時，A點電壓uA，B點電壓uB=-uA；相反，當開關斷開時，uA和uC相等，uB的值為0。又因電感L1的電壓平均值為零，因此，在一個周期內，A點電壓的平均值如公式（4）所示：

E=uA=toffTUC（4）

其中，UC為uC的平均值。

B點的電壓平均值計算公式如式（5）所示：

UB=－tonTUC（5）

電感L2的電壓平均值為零，根據圖2中的電流流向，可知輸出電壓如式（6）所示：

Uo=tonTUC（6）

根據式（5）、式（6）可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關系，如公式（7）所示：

Uo=tontoffE=ton1－tonE=D1－DE（7）

與BuckBoost電路、Sepic電路、Zeta電路相比，由于Cuk變換器輸入輸出同時串接了電感，所以其輸入電源電流和輸出負載電流都具有很好的連續性，沒有明顯的階躍變化。

二、基本Cuk型開關轉換器

基于PWM控制的基本Cuk轉換器是運用脈沖寬度調制方式的基本Cuk型開關轉換器，該轉換器由電源部分和控制部分組成。電源部分包含主功率開關SW、電感L、續流二極管D和輸出電容C。控制部分由放大器AMP、比較器Comp、鋸齒波發生器和時鐘信號發生器等器件組成。

主功率開關SW由比較器輸出的PWM信號控制。當PWM脈沖為高電平時，SW導通；當PWM脈沖為低電平時，SW關斷。輸出電壓Vo與參考電壓Vr在運算放大器中進行比較和放大，得到誤差放大信號ΔV。ΔV信號與鋸齒波發生器產生的鋸齒波信號SAW在比較器中進行比較，生成控制開關SW通斷的PWM脈沖。

三、脈沖寬度調制Cuk轉換器的設計與噪聲減低

基于PWM電壓控制模式與壓控振蕩器（Voltagecontrolled oscillator，VCO）協同動態頻率調整策略，電壓模式Type3補償Cuk電路的噪聲抑制設計驗證了高頻噪聲抑制與系統穩定性的協同優化效果。電壓模式Type3補償Cuk電路如圖2所示，Cuk變換器的輸出電壓被引入控制部分，經type3補償及放大處理后，輸送至比較器的同相輸入端。與此同時，時鐘信號發生器所生成的時鐘信號，經壓控振蕩器的調頻作用后，進入鋸齒波發生器，致使鋸齒波信號的峰值持續變動。這種具有混沌特性的鋸齒波信號接入比較器的反向輸入端，與比較器正向輸入端的電壓展開比較后輸出的電平生成了混沌的PWM信號，該信號實現了對Cuk變換器EMI降低。

Type3補償借助對積分-微分參數加以調節，切實減弱了敏感頻段的殘余噪聲，與動態頻率調制構成互補關系。在時鐘頻段，噪聲幅值同步降低這一情況呈現出補償網絡對低頻諧波有抑制能力，而動態頻率調整是依靠周期性改變開關頻率，削減了高頻諧振峰值的能量密度。

時鐘信號發生器由調制信號、控制電壓、壓控振蕩器組成，調制信號是頻率f為500 kHz、幅值Vm為±0.5 V的三角波，控制電壓Vb為2 V，控制電壓與三角波信號經過壓控振蕩器，輸出頻率可變信號Fck，如式（8）所示：

Fck=K（Vb+Vm）（8）

其中，K為壓控振蕩器靈敏度。

借助PWM電壓控制以及壓控振蕩器協同配合，再結合Type3補償，可有效降低Cuk轉換器產生的電磁噪聲。

四、仿真結果與頻譜分析

Cuk轉換器的各器件參數如表1所示。

圖3所示為穩定輸出波形，在PWM控制信號、電感電流及輸出電壓的波形分析的基礎上驗證了電壓模式Type3補償Cuk電路在動態響應與噪聲抑制方面的相互協同性。

實驗中運用的是500 kHz開關頻率的PWM控制信號，在D動態范圍處于35%～65%時，系統呈現出很好的穩壓性能。Type3補償網絡有實時調節功能，環路增益以及相位裕度得以精確控制，輸出電壓一直穩定在7.96～8.04 V之間，峰值波動被限制在80 mV以內，這充分證實了該補償網絡在抑制高頻傳導干擾方面有效。

Type3補償和動態調頻技術在降低噪聲以及穩定電壓方面呈現出了良好的協同效應，實驗結果和理論分析一致，補償網絡借助合理設置零極點的位置，提高了系統在低頻段的穩定性。動態頻率調制則有效地將高頻段的電磁干擾能量進行了分散，這兩者形成了互補，為開關電源的噪聲抑制以及動態調節提供了系統性的解決辦法。

圖4呈現了擴頻技術應用前后的噪聲頻譜變化狀況。在傳統固定頻率模式下，500 kHz處存在十分突出的干擾峰值，引入動態調頻之后，該頻點的噪聲降低至－44.988 dB，降幅超過13 dB。頻譜中的能量分布趨向于均衡，呈現出較為突出的擴散特性，周期性變化的開關頻率可避免能量集中在特定頻點，提升系統的電磁兼容性能。

結語

通過電壓模式Type3補償與動態頻率調整策略的協同優化，實現了Cuk轉換器的高頻噪聲抑制與系統穩定性的提升，降低了開關轉換器在高頻運行時產生的電磁干擾，500 kHz處噪聲峰值從－31.988 dB降到了－44.988 dB，降幅超過13 dB，并將輸出電壓紋波峰峰值控制在80 mV以內。但是，動態頻率擴展可能引入次諧波振蕩風險，需進一步優化補償網絡或增強瞬態魯棒性，這將是未來進一步的研究方向。

參考文獻：

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[3] 白宇寧.四開關升降壓變換器的控制與傳導電磁干擾抑制策略研究[D].杭州：浙江大學，2023.

[4] Kumar A，Sadhu P，Singh J，et al.Enhancing power transfer efficiency of wind energy to the grid using a threephase matrix converter with optimizationbased delta PWM control[J].Electrical Engineering，2025：121.

[5] 時益龍，梁京章，陳延明，等.基于混沌PWM與無損吸收的開關電源EMI抑制研究[J].電源學報，22（S1）：246253.

[6] 何杰，劉鈺山，畢大強，等.開關變換器傳導干擾抑制策略綜述[J].電工技術學報，2022，37（06）：14551472.