20170516-基本Cuk变换器的演绎过程和工作原理

Buck降压式变换器基本结构及原理

Buck降压式变换器基本结构及原理一、Buck变换器：也称降压式变换器，是一种输出电压小丁输入电压的单管不隔离直流变换器。

图中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts ,则信号频率为f=1/Ts ，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton+Toff ，占空比Dy= Ton/Ts。

Buck变换器有两种基本工作方式：CCM(Continuous current mode) :电感电流连续模式，输出滤波电感Lf的电流总是大丁零DCM(Discontinuous current mode) :电感电流断续模式，在开关管关断期间有一段时间Lf的电流为零1.1 CCM时的基本关系：0.5 1-0 g 050 L0V tlt= corist V0 = const1.3.11.2 DCM 时的基本关系：% %输出电压与输人电反间的关系:曜== 七一 4劣十口其中：AD ＜（1 一心）为美断后电感电流下降到零的时问J =气;% 乙狄011 1，小，V 七输出平均曲克：二〒七+ T0二司土~ W 〔气*& £ 顷心 J在电勰喽时，%附不但与占空比Dy 有关』而且与或载电流卜大小有关，若1口=0，则％=甲血 DCM 可分为两种典型情况：输入电压Vin 不变，输出电压Vo 变化，常用作电动机速度控制或充电器对蓄电池的包流充电输入电压Vin 变化，输出电压Vo 包定，即普通开关稳压电源1.3 电感电流临界连续的边界：用f g 表示临界电流通彼阿的负更电疏】Q ，则：; 鱼w 吃眼w （D* 头h ' 头L 叫史输入电压包定不变时：Vin=const临界负载电流是大值在Dy=0 5时出现: 皿】如=4—球（1-巳）劣电添临界连续时前输出电压：争= ------------ \ --------顷一 - + 140； ^O （?HMX可画出Buck 变换器在Vin=const 时的外特性曲线:输出走压与情人电压间的关策：竺=一-—。

直流开关电源------CUK变换器

前言什么是电源？佷难用一句话概括。

但是，现代人谁能离得开电源？贪食住行离不开电源，文化娱乐、办工学习、科学研究、工农业生产、国防建设、教育、环境保护、医疗卫生、交通运输、照明、通讯、宇宙探索等等，哪一样能少得了电源？只要用电就离不了电源。

绝大部分的电是由发电厂生产发送的，称为市电。

白炽灯、电炉、交流电动机等只要接通市电就行；计算机、电视机、X光机等虽然也是打开开关就能工作，但是这些机器里面都已经做了电能变换处理，将正弦的交流市电转换成各自需要的直流电、高压电、脉冲电在无法提供市电的岛屿、车船上，可以用蓄电池经过电能变换获得跟市电一样的交流电，让计算机、仪器设备等工作起来；进入太空的的卫星、飞行器，把太阳能收集起来，再经过电能变换获是需要的各种电能来维持长期运行，电能是宝贵的资源，需要珍惜和节约。

近年来，电力电子技术发展迅猛，直流开关电源广泛应用于计算机、邮电通信、电力系统和航空航天领域。

如今，笨重型、低效的电源装置己经被轻小型，高效电源所取代。

为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量，必须实现开关管的软开关，为此先后有人提出了谐振变换器、准谐振变换器和多谐振变换器、零电流开关PWM 变器和零电流开关PWM变换器、零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器等等。

本次设计将设计直流开关电源CUK变换器让大家了解它的工作原理及其它性能。

第一部分概述一、开关电源的分类现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类,前者输出质量较高的直流电,后者输出质量较高的交流电。

开关电源的核心是电力电子变换器。

电力电子变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置，按转换电能的种类，可分为四种类型：直流-直流变换器，它是一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件；逆变器，是将直流电转换为交流电的电能变换器，是交流开关电源和不间断电源UPS的主要部件；整流器，是将交流电转换为直流电的电能变换器；交交变频器，是将一频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或可变频的交流电，或是将变频交流电直接转换为恒频交流电的电能变换器。

CUK双向变换器

《开关电源的原理与设计》实验报告基于CUK的双向DC-DC变换器的仿真与研究一、引言随着科技和生产的发展,对双向直流不间断电源系统、航空电源系统等应用场合增加,DC/DC变换器的需求逐渐增多。

为了减轻系统的体积重量,节约成本,在电池的充放电,电动汽车,UPS 系统,太阳能发电系统,航空电源系统等场合,双向DC-DC变换器(Bi-directional DC-DC Convener) 获得了越来越广泛的应用。

双向直流变换器双象限运行,它的输入、输出电流的方向可以改变,在功率传输上相当于两个单向DC-DC变换器,是典型的“一机两用”设备,尤其在需求双向能量流动的应用场合可以大幅减轻系统的体积重量和成本,有着重要的研究价值。

二、双向直流变换器的原理双向DC-DC变换器构成和单向直流变换器类似,可通过对单向直流变换器适当的改造来实现.许多单向直流变换器都可通过将其中无源开关替换为有源开关而成为双向DC-DC变换器,将单向基本变换单元替换成双向基本变换单元。

一般只要将单向开关电源中开关管反并联二极管；在二极管上反并联开关管，在输入和输出端分别并联电容即可。

与传统的采用两套单向DC-DC变换器来达到能量双向传输的方案相比,双向DC-DC变换器应用同一个变换器来控制能量的双向传输,使用的总体器件数目小,且可以更加快速地进行两个方向功率变换的切换。

再者,在低压大电流场合,一般双向DC-DC变换器更有可能在现成的电路上使用同步整流器工作方式,有利于降低通态损耗。

总之,双向DC-DC变换器具有高效率、体积小、动态性能好和低成本等优势。

(下图为基本的4种拓扑图)三、CUK双向直流变换器的工作原理DC L1R图1 电能双向流动的CUK转换器电路1、电路的工作方式电流正向流动时（从左向右）：分为两个工作模式（1）、V1导通、V2关断时，L1充电，C1放电，C2向负载供电，L2充电，D1、D2截止。

（2）、V1、V2都关断时，L1放电，C1、C2充电，L2通过负载放电，D1截止，D2导通。

Buck直流变换器的工作原理及动态建模

2 Buck 直流变换器的工作原理及动态建模DC/DC 变换器的概念7【】15【】19【】将一个固定的直流电压变换成可变的直流电压称之为DC/DC 变换，亦称为直流斩波。

用斩波器斩切直流的基本思想是：如果改变开关的动作频率，或者改变直流电流通和断的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流的平均值。

Buck 变换器又称降压变换器、串连开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。

基本的DC/DC 变换器按输入输出之间是否有电气隔离可分为两类：隔离型DC/DC 变换器和非隔离型DC/DC 变换器。

非隔离型DC/DC 变换器中存在四种基本的变换器拓扑，它们是降压式（Buck ）型,升压式(Boost)型,升降压式(Buck-boost)型,Cuk 型，此外还有Sepic 型和Zeta 型变换器。

二电平Buck 直流变换器的工作原理及主电路图2【】13【】25【】26【】1 主电路拓扑Buck 变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。

它的拓扑为电压源、串联开关和电流负载组合而成。

如图所示：图 Buck 电路主电路拓扑为了分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下假定。

(1) 开关晶体管、二极管均是理想元件。

也就是可以瞬间的导通和截至，而且导通时降压为零，截至时漏电流为零。

(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。

Buck 变换器的工作原理：当开关管S 导通时，电容开始充电，i U 通过向负载传递能量，此时，L i 增加，电感内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加，而续流二极管因反向偏置而截至；当S 关断时，由于电感电流L i 不能突变，故L i 通过二极管VD 续流，电感电流逐渐减小，由于二极管VD 的单向导电性，L i 不可能为负，即总有L 0i ,从而可在负载上获得单极性的输出电压。

20170517-基本Zeta变换器的演绎过程和工作原理

基本Zeta 变换器的演绎过程和工作原理普高（杭州）科技开发有限公司张兴柱博士将基本Cuk 变换器中的开关S 与输入电感互换位置，再考虑实际可工作的器件方向，所得(a) Cuk 变换器 (b) Zeta 变换器图1 Zeta 变换器与Cuk 变换器的拓扑变换的拓扑就是基本Zeta 变换器，如图1所示。

类似的，也可将基本Cuk 变换器看作是有基本Zeta 变换器演变得到的，但因为它们具有不同的拓扑特性（如输入端的电流特性，输出电压与输入电压的极性关系），所以仍把它们看作是不同的个体，按兄弟相称。

从电路图可知基本Zeta 变换器的工作原理为：当有源开关S 导通时，无源开关D 因反偏而截止，此时输入给滤波电感L1储能（或激磁），电容C1中的能量给滤波电感L2储能（或激磁），并给负载供电；当有源开关S 截止时，由于电感电流不能突变，故使无源开关D 正偏而导通，此时电感L1和电感L2的总电流经二极管续流，L2储存的能量向负载供电，L1储存的能量补充电容C1在前一间隔所损失的能量。

并由输出电压对电感L2进行去磁。

电容C1电压对电感L1进行去磁。

电容C1的作用有两个，一是在开关S 导通时给电感L2储能和给负载供电，另一是限制其上的开关频率纹波分量，使之远远小于其上的稳态电压。

输出滤波电容的作用是限制输出电压上的开关频率纹波分量，使之远远小于稳态的直流输出电压。

在忽略电容C1电压和输出电压的开关纹波时，我们可利用前面介绍的电感电压伏秒平衡定律，推得基本Zeta 变换器在理想情况下的稳态电压关系为（推导过程见方框内）：DDV V go −=1 其中：s onT T D =为驱动脉冲的稳态控制占空比，有10<≤D ，故基本Zeta 变换器的输出电压既可大于它的输入电压、又可小于它的输入电压，是一种升降压变换器，且输出与输入具有相同的电压极性。

电容电压：o c V V =1（可从电感开关周期平均电压为零获得）正向伏秒：s g DT V ×反向伏秒：s o T D V )1(−×所以：s o s g T D V DT V )1(−×=× 故有稳态电压关系：)1/(D DV V g o −=与基本Cuk变换器类似，基本Zeta变换器的小信号输出对控制的传递函数提高到了四阶，而且变得相当复杂，故由其构成的电源的动态设计与优化就非常困难，到目前为止，基本Zeta变换器也没有在大批量的开关电源产品中得到应用。

Buck电路工作原理详解

图二
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Buck电路原理分析
二、Buck电路工作原理
1、基本工作原理分析
当感开电关流管线Q性1减驱少动，为输低出电电平压时靠，输开出关滤管波关电断容，C储L1放能电电以感及L1减通小过的续电流感二电极流管维放持电，，等电
效电路如图三
N
图三
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L m in
Lmax
Io T
2
Buck电路原理分析
三、Buck电路的三种工作模式：CCM，BCM，DCM
2、BCM Mode：关键点原件波形见图五
图五
Buck电路原理分析
三、Buck电路的三种工作模式：CCM，BCM，DCM
2、BCM Mode：
参照图四与图五电感电流的波形，可以得知电感最小电流逐渐减小到零
80uH
(10 5) 0.5 20KHz 2I o
,
I
o
0.78 A
因此，电阻可定义为
R
Vo Io
5 0.78
6.41
通过上述参数定义以及计算，可以得到相关参数的理论值：
V o V in D 10 0.5 5V , I Lmax 2I o 0.78 2 1.56A, I Lmin 0A
T itdt
I AV 0 T
，即在一个周期内电流函数曲线与时间轴所围成的面积除以周期，
为电流的平均值。参照图四电感电流波形，一个周期内面积为
I I I I I I
S Lmin Lmax T D Lmin T Lmax 1 D Lmin T Lmax
2
2
2
所以，平均电流
I I S
图九
蓝色：电感电流红色：电感电压绿色：开关驱动棕色：输出电压

开关电源(1)之BUCK变换器工作原理及Multisim实例仿真

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Author: Jackie Long
纹波峰峰值为 2.25mV，还是比较低的（实际的电路很有可能没这么低，特别是接上开关之类负载之后）还有一个效率问题，与线性电源不同的是，BUCK 变换器的输入电流与输出电流是不一样的，因此，不能简单地用输出电压与输入电压的比值来表征，我们只有用最原始的方法了，就是计算输出功率与输入功率的比值，如下式：
0
Vo
原来来的纹波波峰峰值
平平均值
新的的纹波峰峰峰峰值
t
0
对于具体的的 BUCK 拓扑降降压芯片，厂厂家都会提供供典型的应用用电路及相关关的参数值，如下所示为 TI 公司司的集成降压压芯片 LM259 96 典型应用电路图：图所
我们也可以以通过提高开开关的频率来降低纹波，这这样，在同样样的电感量与与电容量条件件下，每次次充放电的时时间缩短了，这样纹波的峰峰值就下降降了，如下图图所示：
A
PR1
V
PR3
1
I: -1.55 A I(p-p): 15.9 A I(rms): 892 mA I(dc): 580 mA I(f req): 150 kHz
3
V: 5.71 V V(p-p): 29.3 mV V(rms): 5.73 V V(dc): 5.70 V V(f req): 22.3 kHz
同样是从输入电源 10V 中获取 5V 的输出电压，线性稳压电源的有效面积为 5×T，而对应在开关稳压电源的单个有效周期内，其有效面积为 10×T×50%（占空比）=5×T，这样只要在后面加一级滤波电路，两者的输出电压有效值（平均值）是相似的。下面我们来看看 BUCK 转换电路的工作原理（假设高电平开关闭合，低电平开关断开）。

CUK斩波电路的设计

直流斩波电路（Cuk变换器）研究一、实验目的1．掌握Cuk升降压开关电路的基本原理与电路构造特点。

2．熟悉电路各部份的工作波形，掌握它们的基本调试方法。

3．掌握电流控制型脉宽调制器IC UC3842的应用方法。

二、实验线路及原理实验线路如图3-29所示图3-29 Cuk实验线路图Cuk电路是一种可升降压的直流变换器电路，它基本可看成是升压电路和降压电路相结合产生的一种开关电路，其电原理图如图3-30所示图3-30 Cuk主电路图简述原理如下：当0≤t≤t1时其等效电路如图3-31所示。

图3-31 V T导通等效图图3-32V T关断等效图晶体管V T导通，二极管D截止，假设这期间U d不变，电路是稳态，C1足够大，则电感L1中的电感电流I L11线性上升到I L12而电感L2的电流也从I L21线性上升到I L22当t1≤t≤t2时晶体管V T截止，二极管D导通，等效电路如图3-32所示。

此时电感L1中的电流I L12线性下降到I L11此时电感L1中的电流I L12线性下降到I L11而电感L2中的电流I L22也线性下降到I L21则有：根据上述的分析，我们可推导出，具体推导略，同学们可参考教材，它的控制采用UC3842电流型脉宽调制器，具体功能和概述请参看Booct电路实验相关部分。

三、实验内容1．电流控制型脉宽调制器IC UC3842的功能研究（1）输出PWM控制信号测试（2）电压反馈环功能测试（3）电流反馈环功能测试（4）工作频率的测试2．开环控制Cuk电路研究（1）主电路电感电流处于连续导通状态，各相关工作点波形的测量研究；（2）主电路电感电流处于断续导通状态，各相关工作点波形的测量研究；（3）改变工作频率的高低对电路工作的影响研究；（4）改变负载电阻大小对电路工作的影响研究；（5）改变主电路电感L的大小对电路工作的影响研究；（6）缓冲电路的作用研究；（7）占空比K和输出电压U0的函数关系研究。

Buck变换器的发展与工作原理

从一个电压(高)得到自己想要的电压值(低)的最简单的方法是通过电阻分压实现，如图1.1 所示。

图1.1 电阻分压电路这种方式最方便快捷，现在普通的电压采样基本采用这种方式，但是如果功率稍微大一点，由于R1 和R2 是串联的，所以在R1 上的损耗不可忽视，如果所要的电压值远低于输入电压，那末该电路的效率就会极其低下。

对该电路尝试进行变形，将R2 更换为三极管，也就是现在的LDO 模型，如图1.2 所示。

图1.2 LDO 模型通过变型，那末原来在电阻R2 上的损耗转移至分析三极管Q1 的损耗，由于Q1 承受输入和输出的压差，导致该电路的效率也比较低下。

为了提升效率，之前三极管是工作在线性状态，若将其更改为开关状态，使三极管惟独开关损耗和导通损耗，大大的降低其总损耗。

更改后的电路如图1.3 所示。

图1.3 开关电路图1.4 占空比和电压比的关系由图 1.4 可知，该电路工作周期时间为Ts，导通时间为Ton，占空比为D=Ton/Ts，输出电压与开关状态高度关联，S1 导通时有输出电压，S1 关断时没有输出电压。

可以看出输出负载总是需要连续的能量供给，开关S1 的导通与关断在图1.3 所示的电路中产生的断续能量波动对于输出端负载是不可接受的。

因此需要需要进行解耦，在变换器一定位置引入储能元器件电容，使输入端在S1 断开的情况下，输出端电容也可以进行持续的能量输出，保证输出电压的稳定。

图1.5 初步解耦电路由图1.5 所示的电路，根据电容两端的电压不能突变的原理，当S1 闭合的时候，路线中会产生一个非常大的冲击电流，它不仅导致噪声和EMI 问题，也可能会损坏S1 。

所以需要对其采取限流措施。

图1.6 电阻R2 限流的解耦电路如图1.6 所示，加入R2 限流电阻后，在S1 闭合瞬间就没有那末大的冲击电流了，但是由于R2 是串联在主功率回路中，电阻就会消耗功率，那末在开关上减小的功耗最终可能又消耗在所加的电阻上。

斩波电路的原理和仿真

库克（CUK ）变换器的建模及应用仿真1.CUK 电路的工作原理CUK 斩波电路的原理图和等效图如下所示。

电路的基本工作原理是：当可控开关V 处于通态时（图b 中开关接B ），E —L 1—V 回路和负载R —L 2—C 2—V 回路分别流过电流。

当V 处于断态时（图b 中开关接A ），E —L 1—C 2—D 回路和负载R —L 2—D 回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反a) 电路图 b)等效图稳态时电容C 的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即012)(0)(0=-=+=⎰⎰⎰off on Tt off C t on C TC t i t i dt i dt i dt i onon（on t 为V 处于通态的时间， off t 为V 处于断态的时间）由此可得：αα-=-==112onononoff t t T t t i i假设电容C 很大使电容电压C u 的脉动足够小。

当开关S 合到B 点时，B 点电压B u =0，A 点电压C A u u -=；ERVDa)CVRb)CBASEL 1L 2u oi 1L 1L 2i 2u C u A u Bu o当S 合到A 点时，C B u u =，A u =0。

因此，B 点电压B u 的平均值为Conoff B U t t U =（C U 为电容电压C u 的平均值），又因电感1L 的电压平均值为零，所以Conoff B U t t U E ==。

另一方面，A 点的电压平均值为C on AU Tt U-=，且2L 的电压平均值为零，按上图（b ）中输出电压0U的极性，有C oN U Tt U =0。

于是可得出输出电压0U 与电源电压E 的关系为：EE t T t E t t U onon onoff αα-=-==102.CUK 斩波电路的仿真（1）MATLAB 仿真模型。

采用IGBT 的CUK 斩波器的仿真模型如下图。

Buck变换器工作原理介绍

Buck 变换器工作原理介绍Buck 变换器的基本工作原理Buck 变换器又称为降压变换器，串联稳压开关电源和三端开关型降压稳压电源。

其基本的原理结构图如图2.2所示。

GabcWMV Gd图2.2 Buck 变换器的基本原理图由上图可知，Buck 变换器主要包括：开关元件M1，二极管D1，电感L1，电容C1和反馈环路。

而一般的反馈环路由四部分组成：采样网络，误差放大器（Error Amplifier ，E/A ），脉宽调制器（Pulse Width Modulation ，PWM ）和驱动电路。

为了便于对Buck 变换器基本工作原理的分析，我们首先作以下几点合理的假设[1]：a 、开关元件M1和二极管D1都是理想元件。

它们可以快速的导通和关断，且导通时压降为零，关断时漏电流为零；b 、电容和电感同样是理想元件。

电感工作在线性区而未饱和时，寄生电阻等于零。

电容的等效串联电阻（Equivalent Series Resistance ，ESR ）和等效串联电感（Equivalent Series inductance ，ESL ）等于零；c 、输出电压中的纹波电压和输出电压相比非常小，可以忽略不计。

d 、采样网络R1和R2的阻抗很大，从而使得流经它们的电流可以忽略不计。

在以上假设的基础上，下面我们对Buck 变换器的基本原理进行分析。

如图2.2所示，当开关元件M1导通时，电压V1与输出电压Vdc 相等，晶体管D1处于反向截至状态，电流01=D I 。

电流11L M I I =流经电感L1，电流线性增加。

经过电容C1滤波后，产生输出电流O I 和输出电压O V 。

采样网络R1和R2对输出电压O V 进行采样得到电压信号S V ，并与参考电压ref V 比较放大得到信号。

如图2.2（a ）所示，信号ea V 和线性上升的三角波信号tr V 比较。

当ea tr V V >时，控制信号WM V 和G V 跳变为低，开关元件M1截至。

变换器的工作原理

变换器的工作原理
变压器是一种电器设备，它通过电磁感应的原理来改变交流电的电压，从而实现电能的传输和分配。

变压器主要由两个线圈、一个铁心和一个外壳组成。

其中一个线圈称为主线圈或原线圈，通常被接入电源供电；另一个线圈称为副线圈或次级线圈，通常被连接到负载上。

铁心则是将两个线圈密封在一起的核心，由铁磁材料制成。

变压器工作过程如下：
1. 在交流电的作用下，主线圈中会形成一个变化的磁场。

交流电的变化导致磁场的变化，所以主线圈中的磁场会随电流的变化而改变。

2. 由于副线圈与主线圈紧密相连且共享同一个铁心，主线圈中的磁场会通过铁心传导到副线圈中。

当主线圈中的磁场变化时，副线圈中也会产生相应的磁场变化。

3. 磁场的变化再次通过电磁感应的原理作用于副线圈，导致副线圈中的电压随之变化。

副线圈中电压的变化与主线圈中电压的变化成正比，这意味着变压器可以实现电压的升高或降低。

4.副线圈接入负载后，副线圈的电压将提供给负载使用。

由于
副线圈的电压可以进行变压，因此变压器可以根据负载的需求来提供不同电压等级的电能。

总之，变压器的工作原理基于电磁感应，通过将交流电通过线圈和铁心的相互作用，实现电能的转换、传输和分配。

直流开关电源------CUK变换器

前言什么是电源？佷难用一句话概括。

但是，现代人谁能离得开电源？贪食住行离不开电源，文化娱乐、办工学习、科学研究、工农业生产、国防建设、教育、环境保护、医疗卫生、交通运输、照明、通讯、宇宙探索等等，哪一样能少得了电源？只要用电就离不了电源。

绝大部分的电是由发电厂生产发送的，称为市电。

白炽灯、电炉、交流电动机等只要接通市电就行；计算机、电视机、X光机等虽然也是打开开关就能工作，但是这些机器里面都已经做了电能变换处理，将正弦的交流市电转换成各自需要的直流电、高压电、脉冲电在无法提供市电的岛屿、车船上，可以用蓄电池经过电能变换获得跟市电一样的交流电，让计算机、仪器设备等工作起来；进入太空的的卫星、飞行器，把太阳能收集起来，再经过电能变换获是需要的各种电能来维持长期运行，电能是宝贵的资源，需要珍惜和节约。

近年来，电力电子技术发展迅猛，直流开关电源广泛应用于计算机、邮电通信、电力系统和航空航天领域。

如今，笨重型、低效的电源装置己经被轻小型，高效电源所取代。

为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，减小体积和重量，必须实现开关管的软开关，为此先后有人提出了谐振变换器、准谐振变换器和多谐振变换器、零电流开关PWM 变器和零电流开关PWM变换器、零电压转换PWM变换器和零电流转换PWM变换器等等。

本次设计将设计直流开关电源CUK变换器让大家了解它的工作原理及其它性能。

第一部分概述一、开关电源的分类现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类,前者输出质量较高的直流电,后者输出质量较高的交流电。

开关电源的核心是电力电子变换器。

电力电子变换器是应用电力电子器件将一种电能转变为另一种或多种形式电能的装置，按转换电能的种类，可分为四种类型：直流-直流变换器，它是一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部件；逆变器，是将直流电转换为交流电的电能变换器，是交流开关电源和不间断电源UPS的主要部件；整流器，是将交流电转换为直流电的电能变换器；交交变频器，是将一频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或可变频的交流电，或是将变频交流电直接转换为恒频交流电的电能变换器。

CUK双向变换器

《开关电源的原理与设计》实验报告基于CUK的双向DC-DC变换器的仿真与研究一、引言随着科技和生产的发展,对双向直流不间断电源系统、航空电源系统等应用场合增加,DC/DC变换器的需求逐渐增多。

为了减轻系统的体积重量,节约成本,在电池的充放电,电动汽车,UPS 系统,太阳能发电系统,航空电源系统等场合,双向DC-DC变换器(Bi-directional DC-DC Convener) 获得了越来越广泛的应用。

双向直流变换器双象限运行,它的输入、输出电流的方向可以改变,在功率传输上相当于两个单向DC-DC变换器,是典型的“一机两用”设备,尤其在需求双向能量流动的应用场合可以大幅减轻系统的体积重量和成本,有着重要的研究价值。

二、双向直流变换器的原理双向DC-DC变换器构成和单向直流变换器类似,可通过对单向直流变换器适当的改造来实现.许多单向直流变换器都可通过将其中无源开关替换为有源开关而成为双向DC-DC变换器,将单向基本变换单元替换成双向基本变换单元。

一般只要将单向开关电源中开关管反并联二极管；在二极管上反并联开关管，在输入和输出端分别并联电容即可。

与传统的采用两套单向DC-DC变换器来达到能量双向传输的方案相比,双向DC-DC变换器应用同一个变换器来控制能量的双向传输,使用的总体器件数目小,且可以更加快速地进行两个方向功率变换的切换。

再者,在低压大电流场合,一般双向DC-DC变换器更有可能在现成的电路上使用同步整流器工作方式,有利于降低通态损耗。

总之,双向DC-DC变换器具有高效率、体积小、动态性能好和低成本等优势。

(下图为基本的4种拓扑图)三、CUK双向直流变换器的工作原理DC L1R图1 电能双向流动的CUK转换器电路1、电路的工作方式电流正向流动时（从左向右）：分为两个工作模式（1）、V1导通、V2关断时，L1充电，C1放电，C2向负载供电，L2充电，D1、D2截止。

（2）、V1、V2都关断时，L1放电，C1、C2充电，L2通过负载放电，D1截止，D2导通。

库克变换器

库克变换器（Cuk Convertert）*
二极管VD导通模式（t1 t t2=T） VT关断，VD导通，对于电感L1有：
对于电感L2有：
iC
iL2
io
iL2
Uo R
iVT 0
uVT UC1
库克变换器（Cuk Convertert）*
电感电流连续模式（CCM）工作参数分析
由于电感伏秒平衡，可以得到：
VD关断，iVT从零开始增长。 t1 t ts时段（VT关断）
电感续流，VD开通，在ts时刻iVD衰减到零。 ts t t2时段（VT、VD关断）
电感电流为零（ iL1 iL2 0 ），电感电压为零，电容放电供给负载
库克变换器（Cuk Convertert）*
电力电子技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电力电子技术
库克变换器（Cuk Convertert）*
Cuk电路基本结构及CCM状态下等效电路
库克变换器（Cuk Convertert）*
电路工作过程
1、VT开通，电感L1充电储能，电容C1向电容C充电并向负载放电、对L2充电，由于C1上的电压作用，二极管VD 关断。
2、VT关断，电感L1向电容C1转移能量，电容C1充电，电感 L2续流导致VD开通，L2向电容C充电并向负载放电。
库克变换器（Cuk Convertert）*
电感电流连续模式（CCM）工作参数分析
电感电流脉动：L1
L2
由于
，输出电压电流脉动很小，有：
在一个周期内电容充放电平衡，在T/2时间内有：
输出电容电压脉动峰峰值：
库克变换器（Cuk Convertert）*
电感电流断续模式（DCM）下工作波形分析

Cuk变换器建模

Cuk 变换器建模设Cuk 变换器的占空比为D ，开关周期为s T ，在不同的时间段内，可以得到以下两个不同的电路拓扑。

当0s t DT ≤≤时，电路的拓扑如下图一所示：图一当s s DT t T ≤≤时，电路的拓扑如下图二所示：图二（一）大信号模型推导（1）1L 模型推导将电感的电流做直线近似，推导关于电感电流的方程。

对于电感L1的电流，做线性近似后波形如下：由于在电感电流的上升段和电感电流的下降段g V 和1V 变化均不明显，故可用其状态变量平均值代替，则有当处在阶段1时，111()(0)(())sg T s s V i dT i d t T L =+（1）当处在阶段2时，1111()()('())ssgT T s s s V i T i dT d t T L -=+（2）联立（1）、（2），则有11111()(0)(())('())sssg gT T T s s s V V V i T i d t T d t T L L -=++（3）整理得1111()(0)()'()()ssss ggT T T si T i L d t V d t V V T -=+-（4）由欧拉公式，即111()'()ssssT ggT T T d i t L d V d V V dt=+-（5）（2）2L 模型推导对于电感L2的电流，做线性近似后波形如下：由于在电感电流的上升段和电感电流的下降段1V 和2V 变化均不明显，故可用其状态变量平均值代替，则有当处在阶段1时，12222()(0)(())ssT T s s V i dT i d t T L --=+（6）当处在阶段2时，2222()()('())sT s s s V i T i dT d t T L -=+（7）联立（6）、（7），则有1222222()(0)(())('())sssT T T s s s V V V i T i d t T d t T L L ---=++（8）整理得222122()(0)()()'()ssss T T T si T i L d t V V d t V T -=-+-（9）由欧拉公式，即22122()()()'()ssssT T T T d i t L d t V V d t V dt=-+-（10）（3）1C 模型推导对于电容C1的电流，做线性近似后波形如下：推导过程同电感，可以得到1121()()()'sssT T T d v t C i t d i t d dt=-+（11）（4）输入电流平均值方程Cuk 变换器的输入电流为：1()()g i t i t =,所以输入电流的开关周期平均值方程为：1()()ssg T T i t i t =（12）。

库克变化电路PPT优秀资料

5 库克变换电路
耦合电容
快速恢复续流二极管
滤波电容
1）库克(Cuk)变换电路属升降压型直流变换电路。
图（a）库克(Cuk) 变换电路原理图
2）电路的特点：输出电压极性与输入电压相反，出入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。
电力电子技术
3.5 库克变换电路
1） Cuk变换电路也有电流连续和断流两种工作情况，但这里不是指电感电流的断流，而是指流过二极管D的电流连续或断流。
图3.5.1 库克电路及其电流连续时工作波形
电力电子技术
3.5 库克变换电路
电流连续：在开关管T的关断时间内，二极管电
2➢➢➢）电电临工流流界作连断连流流期情续流续总在T况：：：的是一在在二开大段开开极通于时关关管时零间管管电刻。内TT流二为的的经极零关关t管。断断电时时后流间间，正内内在好，，下降二二个为极极开零管管关。电电周临临1临流图21图1临临21电临临图流图电图电1电1临1图图图电临电流12）））））））库库库库库界界界在（（界界流界界（总（流（流流界（（（流界流总电电库电CCC克克克克克连连连一aa连连连连连 a是 a断 a断断连 aaa断连连是uuu））））））））路路克路kkk电电电电电续续续段续续续续续大流流流续流续续大变变变库库库库库库库库的的(的C路路路路路：：：时：：：：：于：：：：：：于换换换u克克克克克克克克特特特k及及及及及二二二间二二在二二零在在在二在二在零电电电)((((((((点点点变CCCCCCCC其其其其其极极极内极极开极极。开开开极开极开。路路路uuuuuuuu：：：换kkkkkkkk电电电电电管管管为管管关管管关关关管关管关也也也))))))))输输输电流流流流流电电电零电电管电电管管管电管电管有有有出出出路连连连连连流流流。流流流流流流TTTTTT电电电的的的的的的电电电属续续续续续经经经经经经经经经流流流关关关关关关压压压升时时时时时ttttttttt连连连ooooooooo断断断断断断极极极降fffffffff工工工工工fffffffff续续续后后后后后后后后后时时时时时时性性性压作作作作作和和和，，，，，，，，，间间间间间间与与与型波波波波波断断断在在在在在在在在在内内内内内内输输输直形形形形形流流流下下下下下下下下下，，，，，，入入入流两两两个个个个个个个个个二二二二二二电电电变种种种开开开开开开开开开极极极极极极压压压换工工工关关关关关关关关关管管管管管管相相相电作作作周周周周周周周周周电电电电电电反反反路情情情，，，。况况况出出出，，，入入入S但但但端端端这这这电电电里里里流流流不不不纹纹纹是是是波波波指指指小小小电电电，，，感感感输输输电电电出出出流流流直直直的的的流流流断断断电电电流流流压压压，，，平平平而而而稳稳稳是是是，，，o指指指f降降降f流流流低低低过过过了了了二二二对对对极极极外外外管管管部部部DDD滤滤滤的的的波波波电电电器器器流流流的的的连连连要要要续续续求求求或或或。。。断断断流流流。。。