DC/DC丘克(Cuk)变换电路的理论设计与实验仿真分析

如果将降压(Buck)变换电路和升压(Boost)变换电路的拓扑结构进行对偶变换,即Boost变换电路和Buck变换电路串联在一起得到一种新的电路拓扑结构——丘克(CUK)变换电路,如图1所示。

前期讲到,升降压(Buck-Boost)变换电路中,输入电流和输出电压都是脉动的。而Cuk变换电路的输入和输出均有电感,增加电感的值,可以使交流纹波电流的值任意小,但是在实际中可能比较难以实现。Cuk电路中的两个电感之间没有耦合,也可以有耦合,耦合电感可以进一步减小电流脉动量。,理论上可以实现“零纹波”。这就是DC/DC丘克(Cuk)变换电路的特点。

通过控制开关管T占空比的大小,可以实现输出电压高于、等于或低于输入电压,这和升降压(Buck-Boost)变换电路是一样的。

丘克(Cuk)变换电路无论开关管T是否导通,都存在两个环路,也都进行能量的储存和传递,如图2和图3所示。

在开关管T导通期间,输入输出环路如图2所示,二极管D因承受反向电压而截止,输入环路电流i1给电感L1储能,电容C1放电给电感L2储能,并供给负载电阻R。开关管流过电流为之和为iT=i1+i2。

在开关管T截止期间,二极管D承受正向电压导通,输入输出环路如图3所示。电源和电感L1释放能量给电容C1充电,同时电感L2释放电流i2维持负载,此时电流流过二极管D的电流是输入输出电流之和,既iD=i1+i2。

综上分析,无论开关管是否导通,Cuk变换电路都从输入端向输出端传递功率。在T关断期间,电容C1充电,在T导通期间,电容C1向负载放电,可见电容C1起到传递能量的作用。

Cuk变换电路同样有三种工作状态:连续导电状态、不连续导电状态以及临界状态。不连续导电可理解为流过二极管的电流断续。在分析连续导电状态时,所需假设与Buck电路,Boost电路一致,同时还需假设电容C1的容量很大。变换电路稳态工作时忽略电容C1上的电压纹波,认为其电压恒为Uc1,稳态时的电感L1和电感L2的电压平均值为0,则在有Uc1=Us+Uo。下面对开关管导通和截止进行具体

开关管导通时,环路1中电感L1的增加量

 

 环路2中电感L2的增加量

开关管截止时,环路1中电感L1的减少量

环路2中电感L2的减少量

因为电流稳态状态时,电感电流波动的平均值为零,既

得到Cuk变换电路的电压增益表达式为

 

分析:当占空比D=0.5,输出电压Uo等于输入电压Us;

当占空比D<0.5,输出电压Uo小于输入电压Us,实为降压器;

当占空比D>0.5,输出电压Uo大于输入电压Us,实为升压器。

假定输入功率和输出功率是相等的,则有

计算电感值

当电路工作状态处于临界状态时,有

联立方程

得电感L1和电感L2的表达式为

注意:Cuk变换电路和Buck-Boost变换路相比,其有点是输入输出电流都是无纹波的,从而降低了对外部滤波器的要求,但也有缺点,则是需要有足够大的储能电容C1。

实验仿真

技术指标:输入电压20V,输出电压在5伏到30V之间。

1)输出电压5V

2)输出电压30V 

 

 通过分析丘克(Cuk)变换电路的仿真实验结果,可以看到丘克变换电路既可以实现降压效果,也可以实现升压效果,最重要的是产生的纹波电压非常小。

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