如果將降壓(Buck)變換電路和升壓(Boost)變換電路的拓撲結構進行對偶變換,即Boost變換電路和Buck變換電路串聯在一起得到一種新的電路拓撲結構——丘克(CUK)變換電路,如圖1所示。
圖1 Cuk變換電路拓撲結構
前期講到,升降壓(Buck-Boost)變換電路中,輸入電流和輸出電壓都是脈動的。而Cuk變換電路的輸入和輸出均有電感,增加電感的值,可以使交流紋波電流的值任意小,但是在實際中可能比較難以實現。Cuk電路中的兩個電感之間沒有耦合,也可以有耦合,耦合電感可以進一步減小電流脈動量。,理論上可以實現“零紋波”。這就是DC/DC丘克(Cuk)變換電路的特點。
透過控制開關管T佔空比的大小,可以實現輸出電壓高於、等於或低於輸入電壓,這和升降壓(Buck-Boost)變換電路是一樣的。
丘克(Cuk)變換電路無論開關管T是否導通,都存在兩個環路,也都進行能量的儲存和傳遞,如圖2和圖3所示。
圖2 開關管T導通
在開關管T導通期間,輸入輸出環路如圖2所示,二極體D因承受反向電壓而截止,輸入環路電流i1給電感L1儲能,電容C1放電給電感L2儲能,並供給負載電阻R。開關管流過電流為之和為iT=i1+i2。
在開關管T截止期間,二極體D承受正向電壓導通,輸入輸出環路如圖3所示。電源和電感L1釋放能量給電容C1充電,同時電感L2釋放電流i2維持負載,此時電流流過二極體D的電流是輸入輸出電流之和,既iD=i1+i2。
圖3 開關管T截止
綜上分析,無論開關管是否導通,Cuk變換電路都從輸入端向輸出端傳遞功率。在T關斷期間,電容C1充電,在T導通期間,電容C1向負載放電,可見電容C1起到傳遞能量的作用。
Cuk變換電路同樣有三種工作狀態:連續導電狀態、不連續導電狀態以及臨界狀態。不連續導電可理解為流過二極體的電流斷續。在分析連續導電狀態時,所需假設與Buck電路,Boost電路一致,同時還需假設電容C1的容量很大。變換電路穩態工作時忽略電容C1上的電壓紋波,認為其電壓恆為Uc1,穩態時的電感L1和電感L2的電壓平均值為0,則在有Uc1=Us+Uo。下面對開關管導通和截止進行具體
開關管導通時,環路1中電感L1的增加量
環路2中電感L2的增加量
開關管截止時,環路1中電感L1的減少量
環路2中電感L2的減少量
因為電流穩態狀態時,電感電流波動的平均值為零,既
得到Cuk變換電路的電壓增益表示式為
分析:當佔空比D=0。5,輸出電壓Uo等於輸入電壓Us;
當佔空比D<0。5,輸出電壓Uo小於輸入電壓Us,實為降壓器;
當佔空比D>0。5,輸出電壓Uo大於輸入電壓Us,實為升壓器。
假定輸入功率和輸出功率是相等的,則有
計算電感值
當電路工作狀態處於臨界狀態時,有
聯立方程
得電感L1和電感L2的表示式為
注意:Cuk變換電路和Buck-Boost變換路相比,其有點是輸入輸出電流都是無紋波的,從而降低了對外部濾波器的要求,但也有缺點,則是需要有足夠大的儲能電容C1。
實驗模擬
技術指標:輸入電壓20V,輸出電壓在5伏到30V之間。
1)輸出電壓5V
圖4 電路引數計算
圖5 電路模擬模型
圖6 實驗結果
2)輸出電壓30V
圖7 電路模擬模型
圖8 電路引數計算
實驗結果
透過分析丘克(Cuk)變換電路的模擬實驗結果,可以看到丘克變換電路既可以實現降壓效果,也可以實現升壓效果,最重要的是產生的紋波電壓非常小。