Cuk电路详解

文章来源于硬件十万个为什么，作者硬十

Cuk电源也称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，由于其它几种具有降压功能的变换器输入或输出电流是断续的。 Cuk 变换器，它的输入与输出均有电感，即输入输出电流均连续，因此，Cuk 变换器不仅是一种具有学术研究价值的 DC/DC 变换器，在特定领域中，Cuk 变换器也是一个很具创意、应用价值很高的变换器拓扑。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。在某些特殊场合中， 对输入输出电流噪声要求非常严格，这就必须使输入输出电流在上升和下降的过程中不 会中断，大多数拓扑（正激变换器、反激变换器、Buck变换器、推挽变换器和桥式变换器等）通过在输入和输出端加上滤波器达到这样的效果的，需要增加很多的成本和额外的器件体积。

1. 1. Boost变换器和Buck变换器串联演变成Cuk的过程

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，如图8.1所示。

图 8.1 两开关Boost-Buck电路演变成Cuk的过程

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。

图 8.2 开关管导通时及关闭时，电流的流向

1. 2. Cuk电源工作原理

Cuk 变换器也是具有升降压型功能的变换器，原理图如图8.1所示，波形图如图8.2所示。Cuk变换器由开关管Q、二极管 D 、储能电容器C1 、电感 L1 , L2 和输出滤波电容 器Cout 构成。

图 8.3 Cuk变换器原理图

在Cuk 变换器中，当开关管Q处于导通状态时，输入电源Vin 经开关管Q给 L1充电，同时C1 经开关管向输出提供电能，并向 L2充电。当开关管Q 处于截止状态时，输入电源Vin 和 L1既向耦合电容器C1充电，同时 L2经过 D 向负载传递能量。Cuk 电路的输入输出关系为：

Cuk 变换器可以看作为升压变换器和降压变换器的组合，它保持了 Boost 变换器输 入电流连续和 Buck 变换器输出电流连续的优点，因此兼具输出电压纹波小和对输入端电压。影响小的优点。

图 8.4 Cuk变换器各点波形

如果把开关和二极管等效于一个单刀双掷开关，其等效电路图如图8.5所示。

图 8.5 Cuk变换器等效电路

开关Q1导通时，S合向B点，二极管截止，MOSFET导通；开关Q1关断时，S合向A点，MOSFET断开，二极管续流。

（1）Cuk的电流连续模式 CCM（Continuous current mode）

开关管导通阶段：Q导通期间，从0~Ton这个时间段 ，如图 8.6 所示，MOSFET等效于短路，二极管等效于短路。

图 8.5 Cuk变换器MOSFET导通时等效电路

在t = 0 时，开关管Q导通，Cuk 变换器以开关管Q为界分为两个回路。左边回路中， 输入电压Vin 向电感 L1充电，电感 L1的电流 iL1升高。同时右边回路中，耦合电容C1通过电感 L2 向输出传递电能，即电容器C1 放电，并将多于输出的电能储存在电感 L2 中，电感 L2 的电流 i L2升高。二极管 D 在输出电容的电压VCout 作用下反偏，二极管D反向截止。电感 L1和 L2 的电流全部流经开关管Q。输入输出回路的电压平衡方程式分别为：

当 t = Ton时刻，电感 L1和 L2上的电流分别达到最大值 IL1max与IL2max，其增长量D i L1(+)和D i L2(+)分别为：

开关管关闭阶段：开关管MOSFET即Q 截止，从Ton ~Ts 这个时间段，如图 所示

图 8.5 Cuk变换器MOSFET截止时等效电路

在 t = Ton时，开关管Q 关断，二极管 D 续流，Cuk 变换器以二极管 D 为界分为两个回路。左边回路中，输入电压Vin 与电感 L1共同向电容器C2充电，其中电感L1提供输入不足的部分，即电感 L1放电，电感 L1的电流iL1下降。同时右边回路中，电感 L2 经二极 管 D 向输出传递电能。电感 L1和 L2的电流全部流经二极管 D 。输入输出回路的电压平衡方程式分别为

当t = Ts 时刻，电感 L1和 L2上的电流分别达到最小值 IL1min与IL2min。在开关管Q 截 止期间，其减小量D i L1(-)和Di L2(-)分别为：

在t = Ts时，开关管Q 又导通，变换器开始下一个开关周期。 Cuk 变换器稳态工作状态，开关管Q处于导通状态期间，L1和 L2 上的电流iL1和iL2 的增长量 DiL1(+)和 DiL2(+)与在开关管Q 处于截止状态期间的电流减小量 DiL1(-)和 DiL2(-)相 等。

开关管Q 和二极管 D 在截止时所承受的电压应力为：

（2）Cuk的电流连续模式 DCM（Discontinuous current mode）

当减小输出电流Iout时，由于不计损耗，输入电流I in 也减小。当输出电流 Iout小到某 一值时，电感 L1的电流最小值 I L1min = 0 ，但此时电感 L2 的电流最小值I L2min > 0 ，因此二极管电流仍大于零，变换器还处于电流连续工作状态；继续减小输出电流 Iout 时，某一时刻电感 L1的电流小于零（电感 L1电流出现负值表示 电流反向流动，这是由于耦合电容器的储能导致的），当电感 L1电流负值的最大值的绝对值与电感 L2 电流的最小值正好相等，即二极管电流为零，且此时恰好 t = Ts ，变换器 工作在电流临界连续工作状态；进一步减小输出电流 Iout时，当t = Ts ¢ 时二极管电流刚刚为零，之后从 Ts t=Tts ' 期间， 电感 L1 的电流维持不变，为I L1min ；电感 L2 的电流也维持不变，为 I L2min。

1. 3. Cuk的优缺点

Cuk 变换器在此方面拥有其他类型电路拓扑无法比拟的优势：

（1）Cuk 变换器的输入电流与输出电流是连续的，非脉动的。并且当增大两电感 的感量或者提高变换器频率时，能够使得变换器的交流纹波任意小。

（2）Cuk 变换器的占空比理论上能够在 0~∞间变化，即能升压，也能降压，可以 拓宽变换器的使用范围。

（3）开关周期的整个期间，Cuk 变换器都能够从输入向输出传递功率，效率高。而其它变换器传递功率仅能在开关管开通或关断的一个时期。

（4）Cuk 变换器开关管导通期间，开关管使输入端进入的干扰短路；在开关管关 断期间，二极管使其输入干扰短路。因此，电网端进入的干扰对 Cuk 变换器的输出电压影响非常小，小到可以忽略的程度。

缺点：

1.Cuk电路需要两个电感和一个电容（不包括滤波电容）。

2.Cuk电路输出的是负电压。

3.Cuk电路使用电容作为储能元件，提供的电流比较小。

这些特点决定了它不会很常用。