CUK电路理论分析

1、引言

CUK变换器是一种兼有研究与应用价值的DC/DC变换器。CUK变换器的电路拓扑结构由美国加州理工学院Slobodan Cuk博士于1976年在其博士论文中提出，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个电容传送能量，有利于减小体积，提高功率密度。在输入和输出端均有电感，从而有效地减小了输入和输出电流的脉动，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变换器又称Boost-Buck串联变换器。其基本思想是：电路的第一级是Buck，第二级是Boost，Buck的输出为Boost的输入。

2、CUK变换器的电路拓扑结构

基本的CUK变换器结构如图1所示，在升压变换器后串联一个降压变换器。其中，L1、L2为储能电感，Q为功率开关管，D为续流二极管，C为传输能量的耦合电容，Co为滤波电容。CUK变换器能够提供一个反极性、不隔离的输出电压，输出电压可高于或低于输入电压，而且其输入电流和输出电流都是连续的、非脉动的。

当工作在连续状态下时，CUK变换器输入电流和输出电流不是脉动的，而且增加电感L1和L2的值，可使交流纹波电流的值为任意的小。

CUK变换器像降压-升压变换器一样，可以提供某一输出电压值，其大小主要决定于图2.1中的开关Q占空比D1。在CUK变换器中的开关、二极管和电容的电流与工作在相同电压增益及输入电压的降压-升压变换器相对应的电路相比是相当的，但如果输入和输出抗电磁干扰滤波器加到降压-升压变换器时，CUK变换器结构显得简单得多。

2.1 电路工作原理

1.为分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下几点假定：

(1)开关晶体管、二极管均是理想元件，也就是可以快速的“导通”和“截止”，而且导通时压降为零，截止时漏电流为零。

(2)电感、电容是理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。

(3)输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。

2.工作过程

(1)在ton期间，如图4(a)所示。此时Q导通，把输入输出环路闭合。D反偏而截止，这时输入电流i1使L1储能；C的放电电流i2使L2储能，并供给负载。

（2)在toff期间，如图4(b)所示。Q截止，D正偏而导通，将输入输出环路闭合。这时电源输入和L1的释能电流i1向C充电，同时L2的释能电流i2以维持负载。由此可见，这个电路无论在ton及toff期间，都从输入向输出传递功率。只要输入输出电感L1、L2及耦合电容C足够大，则L1及L2中的电流基本上是恒定的。在toff期间，输入电流i1使C充电储能；在ton期间，C向负载放电释能。因此，C是个能量的传递元件。

2.2电路各点的波形

电路进入稳态后，图5(a)所示为电感电流连续工作模式；图5(b)所示为电感电流不连续工作模式。分析时，除以前相似假定外，并设电容C上的电压VC的纹波与其平均值之比很小，这样VC可认为是恒定电压。

3、CUK变换器变形演化原理

虽然CUK变换器有很多优点,但是CUK变换器都没有得到广泛的应用。最主要的原因是对于开关管、二极管的电压要求与单管正/反激式开关电源的要求相同，在大占空比条件下开关管承受的应力比较大，需要两个电感，使电路变得复杂，体积增大，需要耦合电容器，而耦合电容器将流过高幅值的纹波电流，普通电容器不能满足要求，由于是两级变换器，效率有所下降。针对CUK变换器的问题可以通过演化，避开缺点，发挥优点。

CUK变换器变形演化过程如图6所示。

基本CUK变换器的输入输出关系为

与Buck变换器的输入输出关系相同。Buck变换器在开关管导通期间，输入向输出提供电能，并将多于输出的电能存储在电感中。开关管关断期间，由于开关管的关断，输入与输出间的通路消失，输入不能向输出提供电能，而由电感释放储能的方式向输出提供电能。

参考文献：

1.Slobodan Cuk R D Middlebrook．A New Optimum Switching DC-to-DC Converter．Power Electrionics Specialists Conference，1977，PESC 77 Record：160-179

2. Spangler. J. Proc. Sixth Annual Applied Power Electronics Conf，1991.10-15

3.周志敏，周纪海．开关电源实用技术设计与应用．北京：人民邮电出版社，2007

4.王增福，魏永明．软开关电源原理与应用.北京：电子工业出版社，2006

5.林渭勋．现代电力电子技术.北京：机械工业出版社，2005

6. 阳鸿钧．电源集成电路必备宝典．北京：机械工业出版社，2007

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