非隔离型DCDC变换器-Cuk

1非隔离型DC/DC变换器——Cuk变换器12参考文献[1]SIOMNANG,ALEJANDROOLIVA.开关功率变换器——开关电源的原理、仿真和设计，机械工业出版社2.6Cuk变换器23Cuk变换器——工作原理基本结构VT：开关管VD：续流二极管L1,L2：储能电感C1：传递能量的耦合电容C2：滤波电容34Cuk变换器——工作原理模式1（0≤t≤ton）回路构成电容C1上的电压使二极管VD反向偏置而截止回路1:电源给电感L1充电，电感电流线性上升回路2：电容C1经VT,C2,RL,L2释放能量，并给C2,L2充电45Cuk变换器——工作原理模式1（0≤t≤ton）重要波形5IL21IL22△UC2iL2IL2=IovC2-UoioIoiC2UVTUC1iL1IL1IoiC1uVDUC1IL1=IiIL11IL12△IL16Cuk变换器——工作原理112111111LLLLLiionondiIIIuuLULLdttt模式1（0≤t≤ton）数量关系由于电源充电，输入电感L1电流线性增长11LoniItLU由于电容C1放电，输出电感L2电流线性增长22122212122LLCoLLLCoonondiuuuLdtIIIUULLtt221LonCoItLUU67Cuk变换器——工作原理7模式2（ton≤t≤T）回路构成电感L1上的电压极性反向以维持电流连续，二极管VD正偏导通回路1:电源电压与电感L1经过C1,VD向电容C1充电储能。回路2：电感L2经过VD向负载放电。8Cuk变换器——工作原理8UVTUC1iL1IL1IoiC1uVDUC1IL1=IiIL11IL12△IL1IL21IL22△UC2iL2IL2=IovC2-UoioIo模式2（ton≤t≤T）重要波形9Cuk变换器——工作原理91111LLiCoffIUUULt111LoffiCItLUU模式2（ton≤t≤T）数量关系由于输入电感L1放电，电感电流线性减小由于输出电感L2放电，电感电流也线性减小222LLooffIUULt22LoffoItLU10Cuk变换器——工作原理10电压传输比计算11iCUUD1ioDUUD稳态工作时，电感电流纹波峰-峰值在ton和toff内的值相同ton=DTtoff=(1-D)T输出电压Uo与输入电压Ui的极性相反1111()iCoffionLUUtUtILL2222()ooffCoonLUtUUtILLton=DTtoff=(1-D)T1oCUUD11Cuk变换器——工作原理11电流传输比计算根据能量守恒，电路输入能量等于输出能量()(1)ioiiooDUIUIUID1oiDIID1111111111()CLLLonoffiiCiCiLUILILITttfUUUUUU周期与各电量之间的关系12Cuk变换器——工作原理电感电流纹波分析12LLIii1111111()()(1)iiCoffiCionLUDfLUUtUUDLUtILLf12输入电感L1输出电感L22222222()()(1)CoonCoLooffoUUtUUDILfLUtUDLfL13Cuk变换器——工作原理13电容电压波动分析——C1上的电压ton阶段：电容释放储能，平均放电电流等于平均输出电流Io。toff阶段：电容充电储能，平均充电电流等于输入电流Ii。稳态下，能量传输电容的充电电流和放电电流分别与充、放电时间的乘积必然相等。iL1IL1IoiC1IL1=IiIL11IL12△IL114Cuk变换器——工作原理14110011111ononttoCCoDIUidtIdtCCCf电容电压波动分析——C1上的电压1100111(1)11()()offoffttiCCiDIUidtIdtCCCfton阶段toff阶段1oiDIID15Cuk变换器——工作原理15ton阶段：由C1充电储能因为电容电荷平衡，一个开关周期内，输出电容充放电相同，平均电容电流IC=0电容电压波动分析——C2上的电压toff阶段：配合电感L2为负载提供能量16Cuk变换器——工作原理16电容电压波动分析——C2上的电压222222222221()11()228offononoffonontttCCtttUidtCIIdtCCf△UC2vC2-UoioIoiC22222220LcocLcLoiiiIiiII17Cuk变换器——电路特点•输入和输出电流均连续，减轻了EMI问题。•输出纹波电压和电流比Buck－Boost变换器要小得多•容性储能效率比感性储能效率高，使得滤波电感和能量传输电容都很小，变换器体积和重量都减小很多。•当元件值和输出标准一致时，Cuk变换器比传统的Buck－Boost变换器效率高很多。1718Cuk变换器——器件的选择开关器件的选择18111VTCVTioiCioUUUUUUUUUD考虑到电路工作时的尖峰电流，浪涌电压等，开关器件的极限参数应满足VTmaxmaxVTmax(1.5~2)(2~3)(1.1)LioIIUUU12max1212()()/2VTLLVTLLLLiiiiIIii19Cuk变换器——器件的选择续流二极管的选择19max1max1212()()/2VDCioVDLLLLUUUUIIIii考虑到电路工作时的尖峰电流，浪涌电压等，开关器件的极限参数应满足VDmaxmaxVDmax(1.5~2)(2~3)(1.1)LioIIUUU20Cuk变换器——器件的选择输入储能电感L1的选择•流过电感L1的电流平均值等于输入电流平均值，即IL1=Ii2011(120%)2LLLIII为防止电感饱和，减小VT峰值电流、电压和损耗，选择电感满足以下条件112110.40.40.4()ionionLiiioiooonioUtUtIILLIULUfUUItTUU21Cuk变换器——器件的选择输入储能电感L2的选择•流过电感L2的电流平均值等于输出电流平均值，即IL2=Io2122(120%)2LLoIII为防止电感饱和，减小VT峰值电流、电压和损耗，选择电感满足以下条件22210.40.40.4()ooffooffLooioioooonioUtUtIILLIUULfUUIUtTTUU22Cuk变换器——器件的选择储能电容C1的选择•稳态时，toff期间流过储能电容C1中的电流为输入电流Ii，若要求电容两端电压纹波为△UC122111111(1)()()offoniiCCOOiiCiOOOCOiCitTtIIUUIUUTUUUUIUUfUUDCIfUiL1IL1IoiC1IL1=IiIL11IL12△IL11100111(1)11()()offoffttiCCiDIUidtIdtCCCf23Cuk变换器——器件的选择输出滤波电容C2的选择•稳态时，流过输出滤波电容C2中的电流为流过电感L2的电流与输出电流之差，即iC2=iL2-Io23△UC2vC2-UoioIoiC2222222222222221()1122280.48820offonontttCCooCCCUidtCIITCCfIIICUfUfUf24Cuk变换器——例题例Cuk变换器，输入电压48V，平均输出电压幅值为36V，负载电阻9Ω，能量传输电容的最大纹波电压0.5V，开关频率为64kHz。如果电感L1=10mH，L2=1mH，C2=100uF。求：（1）占空比；（2）能量传输电容C1的值；（3）L1中的电流纹波峰峰值；2425Cuk变换器——例题