【Ćuk转换器】Ćuk转换器将输入的直流电压转换为输出的直流电压，同时输出电压的极性相反附Simulink仿真

原创于 2025-12-19 21:14:57 发布 · 450 阅读

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🔥 内容介绍

Ćuk转换器是一种典型的非隔离型直流-直流（DC-DC）变换器，其核心功能是将输入的直流电压转换为输出直流电压，且输出电压极性与输入电压相反，同时具备升压和降压的双向调节能力。该转换器由美国加州理工学院的Slobodan Ćuk博士于1976年提出，其独特的拓扑结构通过电容作为主要能量传输媒介，相较于传统Buck-Boost转换器，具有输入输出电流连续、纹波小、电磁干扰（EMI）低等显著优势。

一、基本电路组成

Ćuk转换器的典型拓扑结构由6个核心元件构成，各部件协同实现能量的存储与高效传输，具体组成如下：

输入电感（L₁）：连接于输入电源与开关器件之间，主要作用是存储输入能量，平滑输入电流，减少输入侧电流脉动；
中间耦合电容（C₁）：核心能量传输元件，通过充放电过程在输入回路与输出回路之间传递能量，实现输入与输出的间接耦合；
输出电感（L₂）：与输出电容配合组成滤波回路，平滑输出电流，降低输出电压纹波，保障输出稳定性；
开关器件（Q）：通常采用MOSFET、IGBT或BJT晶体管，通过脉冲宽度调制（PWM）信号控制导通与截止，进而调节能量传输效率；
续流二极管（D）：在开关器件截止期间提供续流路径，确保电感能量顺利释放，同时防止电容电压反向击穿开关器件；
输出滤波电容（C₂）：滤除输出电压中的高频纹波，使输出直流电压更加平稳，满足负载对电源质量的要求。

二、核心工作原理

Ćuk转换器的工作过程以开关器件的导通与截止为周期，分为两个核心阶段，整个周期内能量通过中间电容持续传输，实现输入到输出的电压转换与极性反转，具体工作过程如下（基于理想元件假设）：

1. 开关导通阶段（0 ≤ t ≤ Tₒₙ）

当开关器件Q导通时，输入电源通过L₁与Q形成回路，L₁开始储能，其电流以恒定速率线性上升；此时中间电容C₁两端的电压使续流二极管D反偏截止，C₁通过Q、L₂与负载形成放电回路，释放此前存储的能量。在此阶段，L₂同时进行储能，负载则通过C₁的放电获得反向极性的电压，输出电容C₂辅助稳定输出电压。

2. 开关截止阶段（Tₒₙ ≤ t ≤ T）

当开关器件Q截止时，输入侧电感L₁因电流无法突变产生反向电动势，与输入电源叠加后通过续流二极管D对中间电容C₁充电，完成能量的补充存储；同时输出侧电感L₂也因电流突变产生反向电动势，通过D向负载释放能量，保障负载供电的连续性。在此阶段，C₁完成充电储能，为下一个导通周期的能量传输做准备。

通过调节开关器件的占空比（D = Tₒₙ/T，其中T为开关周期），可灵活控制输出电压的幅值：当占空比D > 0.5时，输出电压幅值高于输入电压，实现升压功能；当D < 0.5时，输出电压幅值低于输入电压，实现降压功能；其理想状态下的输出电压与输入电压关系为Vₒ = - (D/(1-D))Vᵢₙ，公式中的负号明确体现了输出电压与输入电压的极性相反特性。