Cuk 拓扑电源原理及工作过程解析

硬件笔记本

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。
, V0 i* I) z9 [; X+ m2 d

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* ^9 ?% z% F# w7 x7 G" m$ u9 TBoost-Buck电路演变成Cuk的过程
6 A% U3 k  R5 D) h3 @, c
' T% R- v/ L3 V0 s. i0 a+ Z/ W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。
2 t7 z; l5 C9 s) Y0 j2 s

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$ J% j0 [3 B" oCuk工作过程与原理

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. R( p7 C7 B* @5 A2 H4 y+ J% Z: w
等效电路图如下：
4 Q$ p; I: p, ~' k; ?( V

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( z* R, Q. m* x6 F! _6 A* g& g
4 M0 n$ L- d' L$ j9 p& g开关Q1导通时，S合向B点,；开关Q1关断时，S合向A点,。
' ]5 L$ I2 D9 g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：

pefdbomw1p164088664515.png

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；
9 n$ g. j/ I$ `6 Z9 J8 `# A) [上面的公式可以得到：

. p" y- I" b1 ?2 b- A# y

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+ a" h1 P; e6 d' G* \2 \从而可以得到：
- o- y7 }9 ~8 y+ t, U# D$ m

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5 {$ B0 e, P# K+ H' F

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7 f. _. a( b, y1 a6 l因此，B点的电动势平均值是：

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3 U" u8 r8 s: Y7 j(其中：Uc2为电容C2两端电压的平均值）。
8 ~; y+ I% ^+ ?4 J5 Q又因为电感L1的平均电压为0，所以：

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' o/ o- O4 n: V另一方面，A点的电势为：
2 {6 ?/ e( x' T6 |

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! Q4 U. F5 [! b+ {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
3 ]2 l8 b" I% l0 q$ g. v  b' Q' f

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4 C* j, u, O# s! k于是可得到输出电压与电源电压的关系为：
0 m. v+ p6 G/ B2 d

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% `) a, L& v+ r. n( c' e2 m/ f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。
3 z! {- c+ Z! f: G" a. |
输入，输出极性相反
: Q2 r1 G% Q' u1 ^: W2 \& M# t) p开关管接地，驱动容易
  m" K+ e! d* C可升降压
6 O$ c: P2 I! @) m* m: y输入输出均串联电感，纹波小
9 B* C; ?. H, S5 i% f# u
假设已经达到了平衡状态，工作情况如下：
) _4 S& \! ]+ F& a# `1 W9 g（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
- c1 f4 b/ F) d' c3 X' w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
# @0 A) I5 Y; \6 {6 G- `( F缺点：
3 p- f# V  s/ G' h1.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。
# l& S% c$ E6 A  h2.Cuk电路输出的是负电压。
8 `, G" R' X; P3.Cuk电路使用电容作为储能元件，提供的电流比较小。
' L5 G- j# ^3 Y3 p/ ]( C这些特点决定了它不会很常用。