Cuk拓扑电源原理及工作过程解析

应用电子电路

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描述

从Boost-Buck演进到Cuk

Cuk斩波电路也称Cuk变换器。1980年左右,美国加州理工学院Slobodan Cuk提出的对Buck/Boost改进的单管不隔离直流变换器,在输入输出段均有电感,可以显著减小输入和输出电流的脉动,输出电压的极性和输入电压相反,输出电压既可以低于也可以高于输入电压。Cuk变换器可看做是Boost变换器和Buck变换器串联而成,合并了开关管。

Boost

Boost-Buck电路演变成Cuk的过程

在a)中,S1和S2是同步的,并且具有相同的占空比D。可以看成S1和S2是同步的开关,则变成了b)。

通过允许输出电压是反极性的,则单刀双掷,演变成了c),两种开开关状态,c)和b)是一样的。

实际电路,把理想开关换成实际的开关管及二极管。

Boost

Boost

Cuk工作过程与原理

Boost

等效电路图如下:

Boost

开关Q1导通时,S合向B点,;开关Q1关断时,S合向A点,。

在该电路中,稳态时电容C2的电流在一个周期内的平均值应为0,也就是其对时间的积分为0,即:

Boost

当开关导通时,电容电流和时间的乘积为;当开关断开时,电容电流和时间的乘积为;

上面的公式可以得到:

Boost

从而可以得到:

Boost

Boost

因此,B点的电动势平均值是:

Boost

(其中:Uc2为电容C2两端电压的平均值)。

又因为电感L1的平均电压为0,所以:

Boost

另一方面,A点的电势为:

Boost

且L2的电压平均值为0,所以根据基尔霍夫电压定律,可以得到输出电压

Boost

于是可得到输出电压与电源电压的关系为:

Boost

该电路与升降压斩波电路相比,Cuk斩波电路有一个明显的优点,即其输入电源电流和输出负载电流都是连续的,且脉动很小,有利于对输入、输出进行滤波。

开关管Q为PWM控制方式。Cuk变换器有CCM和DCM两种工作方式,但不是指电感电流,而是指流过二极管的电流连续或断续。在一个开关周期中开关管Q的截止时间(1-Dy)Ts内,若二极管电流总是大于零,则为电流连续;若二极管电流在一段时间内为零,则电流断续工作;若二极管电流在t=Ts时刚降为零,则为临界连续工作方式。

Cuk变换器中有两个电感,这两个电感之间可以没有耦合,也可以有耦合,耦合电感可进一步减少电流脉动量。

输入,输出极性相反

开关管接地,驱动容易

可升降压

输入输出均串联电感,纹波小

假设已经达到了平衡状态,工作情况如下:
(由于处于平衡状态,所以任何储能元件,在开关断开和闭合的两个过程,必然是一个充能,一个放能)

Cuk的优缺点

优点

1、输入电源电流和输出负载电流都是连续的

2、脉动很小,有利于对输入,输出进行滤波

缺点:

1.Cuk电路需要两个电感和一个电容(不包括滤波电容),而buck和boost只需要一个电感。

2.Cuk电路输出的是负电压。

3.Cuk电路使用电容作为储能元件,提供的电流比较小。

这些特点决定了它不会很常用。

  审核编辑:汤梓红

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