基于Cuk变换器的开关电源设计

基于Cuk变换器的开关电源设计

摘要：

DC—DC变换器模块电源在各种电子设备中被广泛应用，随着电子设备功能越来越复杂，集成度越来越高，对DC．DC变换器也提出了更高的要求，需要在提供更大功率的同时，要求更小的体积、功耗和更高的稳定性。本文是基于Cuk变换器的开关电源设计，首先对Cuk进行了详细的理论分析，对Cuk电路中的主要元件电压、电流波形进行计算，并由此推导出各个主要元器件的参数计算公式。 关键字：开关电源，Cuk电路.

1.Cuk电路理论分析

Cuk电路是1977年美国加州理工学院的Slobodan Cuk根据boost电路和buck电路的组合进行研究变换后得到的一个电路。该电路只有一个开关，控制简单，导通比可大于0．5，在输入和输出之间由一电容传送能量，有利于减小体积，提高功率密度。其输入输出电流均连续，开关电流被限制在变换器内部，因此产生的输出纹波和电磁干扰都比较小。Cuk电路在开通和截止的整个周期都能从输入向输出传输功率，所以效率比buck，boost等拓扑形式要高。

2. Cuk电路拓扑结构

基本Cuk电路的结构如图2.1所示。正常工作时，电容C是传递能量的主要元件。当主开关S1截止时，续流二极管D导通，C被充电存储能量，C的充电电流和负载的续流电流同时流过D；s1导通时,D承受反压，C放电，为负载供电，电源电压直接加L1上，L1被充电储能，L1的充电电流和负载电流要同时流过S1。当工作在连续的状态下，Cuk电路的输入电流和输出电流不是脉动的，而且增加电感Ll和L2的值．可以使交流纹波的值为任意的小。同时可以看出，该电路结构对半导体元件的要求是相当高的。电路的输入输出电压的关系如下：

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2.1 隔离式Cuk电路

上面只是Cuk电路的基本拓扑，实际中还要求电源的原方和副方电气隔离。所 以必须对基本电路作如下修改，插入一个隔离变压器。 1．将C分成两个串联电容Cl和C2。

2．在cl和C2的连接点与输入电源的地之间接一个电感，若这个电感足够大，

则从C1和C2的连接点流入电感的电流可以忽略。这样Cuk电路的工作点不会受到影响。 3．这个外接电感分成两个匝数相同的绕组并联，把他们各接向一边，从而变

成隔离变压器。如2．2所示。如果电路采用的是l：l的变压器，且取C1=C2=2C，则输入输出电路中的电压电流与非隔离电路完全相同。

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2.2 隔离式Cuk电路的工作原理

在开关管S1导通期间，图2．2等效电路如图2．3所示，图中箭头表示回路的电流方向。此时输入电压U。直接加在电感L1上对他充电，C1的电压则直接加在变压器Tl的原方，C1放电，付方感应出的电流对负载供电，这时C1和C2都是放电状态。副方的C2电流对负载供电并供电感L2储能，续流二极管因反偏而截止。开关管s1截止时，电路等效为图2．4所示的电路。电感Ll释放能量，电容C1充电储能，原方电流通过变压器T1感应到付方对c2充电，负载电流从续流二极管流过，电感L2将储能释放给负载供电。

该电路有如下特点：

1．元件少，只有一个开关，控制简单。

2．开通和截止的两个周期都能从输入向输出传输功率，所以效率高。 3．变压器原副方绕组中均无直流电流通过，其磁芯无需加气隙，因此无磁 芯饱和问题。

4．导通比可以大于0．5，不像双端变换那样存在直通问题。

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2.3 Cuk电路基本关系式：

假定电路在完全理想的情况下工作： 1．变压器是理想变压器。

2．当C1和C2足够大时，其充放电时的电压波动可忽略，两端的电压可

视为恒定值。’则隔离式Cuk电路可以用下面几个方程来表示(各元件端电压电流参考方向如图1所示)： 输入回路：

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2.4 Cuk电路分析

上面是在理想的条件下推导了Cuk电路的基本关系式，下面我们要考虑到实际情况来分析该电路中主要元件的电压和电流。首先高频变压器不再是理想变压嚣，要考虑他的励磁电流，但暂不考虑其漏感，因为漏感的主要影响表现在开关瞬间过程中，而我们主要。分析的是稳态工作时的电压和电流。其次电容的电压并非恒定的，必须考虑他的电压波动。“。

2.4.1 主开关导通时的电路

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2.4.2主开关截止时的电路

主开关截止时电路等效为图2.6所示的形式，这里主要分析左边回路．采用与上一小节同样的假设，然后把电容c2等效到原方来分析。先列写原方回路方程如下：

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2.4.3 Cuk电路小结

上面分别分析了电路在开关导通和截止时的情况。上面分析中得到的(2，11)式和(2．15)式可以综合如下

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上面就是隔离式Cuk电路中主要元件的电压与电流的理论分析结果。

2.5 参数计算

课程要求：输入直流9V-12V,输出5V、20W，开关振荡频率40KHz，列出所用元件明细表，计算产品价格，列出元件参数和明细表，下图为元件参数表：。

图2.7元件参数表

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2.5.1电感

如前面所描述，若将电流的变化过程近似地看作线性的，如图(2．5)所示，可以将输出电流表示为：

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2.5.2 输出电容

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全文总结

课程设计给我很多专业知识以及专业技能上的提升，使我更加清楚地知道在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，课程设计不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。Cuk电路自提出以来，在实际应用中并不是很广泛，采用隔离式Cuk电路的电源更是不多。但是它自身固有的优点确实是其它拓扑所无法比拟的，因此针对Cuk电路设计出比较实用的电路方案具有很大的实际意义。本文首先细致分析了隔离式Cuk电路的运行状态，对其主电路参数总结出了一套完整的计算步骤。对其中变压器的设计也给出了各种制约条件，在实际设计中需要根据这些制约条件寻求一组最佳参数。

参考文献：

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[6]贾正春、许强．开关电源(讲义)．武汉：华中理工大学电力工程系电机教研室，2000

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