开关电源学习笔记8 --- Cuk变换器

本文介绍了Cuk变换器的工作原理及特点,包括其输入输出极性相反、可升降压等特性,并详细分析了开关管闭合与断开时各元件的能量转换过程。还提到了集成电感的应用以及对耦合电容的要求。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

Cuk变换器


原理电路如下
在这里插入图片描述

  • 输入,输出极性相反
  • 开关管接地,驱动容易
  • 可升降压
  • 输入输出均串联电感,纹波小

假设已经达到了平衡状态,工作情况如下:
(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)

SW闭合后
在这里插入图片描述
由于开关SW对右侧短路,输入电压经过电感L1L_1L1,过开关SW到地,电感充能
而右侧由于电容C负极端点位低于正极端(正极通过SW接地),所以二极管VdV_dVd反偏(相当于断路),又因左侧决定的开关管的电流流向由上到下,所以右侧电流流向如图

SW断开后
在这里插入图片描述
二极管VDV_DVD对右侧短路,输入电压经过电感L1L_1L1,过点从C,到二极管再到地,电感放能(因为闭合时充能),电源和电感的放能给电容充能,代表了闭合时电容C是放能的
SW闭合时右侧回路的电容C放能,证明电感L2L_2L2充能,所以SW断开时,电感L2L_2L2放能


综上

  • 在SW闭合时,电感L1L_1L1L2L_2L2同时充能,电容C放能;在SW闭合时,电感L1L_1L1L2L_2L2同时放能,电容C放能
  • 两电感的电流变化趋势相同,可绕于同一个集成电感上
  • 由于耦合电容C的电流方向周期性变化,所以对其参数要求较高,必须能承受高频大纹波电流,且等效电阻ESR要尽可能小
  • 流过输出电容CoC_oCo的电流方向始终没有变化,即输出电容只进行滤波作用

使用与buck变换器相同的计算方法可算出(忽略Usw,UdU_{sw},U_dUswUd
Uo=D1−D×Uin U_o = \frac{D}{1 - D} × U_{in} Uo=1DD×Uin

<think>嗯,用户现在问的是拓扑结构的基础知识和实际应用。之前他问过关于电源工程师需要掌握的技能,其中提到拓扑结构是电力电子的核心技术之一。可能他现在想更深入地了解这方面的内容,为从事电源工程师做准备。 首先,我需要回顾拓扑结构的基础知识。拓扑结构在电力电子中指的是不同的电路配置,用来转换和控制电能。常见的包括Buck、Boost、Flyback、LLC等等。这些结构各有优缺点,应用场景也不同。比如Buck用于降压,Boost升压,Flyback常见于隔离电源,而LLC用于高效能的转换。 接下来,用户可能想知道这些拓扑的实际应用。比如在哪些产品中会用到不同的拓扑,为什么选择这种而不是那种。这时候需要结合具体例子,比如手机充电器常用Flyback,服务器电源用LLC,电动汽车充电用双向DCDC等等。 还要考虑用户的基础。他是本科毕业生,可能对理论有所了解,但实际应用经验不足。所以需要把理论讲得清晰,同时结合实际案例,帮助他理解不同拓扑的选择依据和应用场景。 另外,用户之前提到的快速上手项目里涉及了LLC、双向DCDC和PFC,所以在实际应用部分可以结合这些项目,说明拓扑结构在这些项目中的具体应用。比如在300W LLC谐振电源设计中,LLC拓扑如何实现高效能,参数计算的关键点是什么。 还要注意区分基础拓扑和衍生拓扑。比如正激和反激的区别,半桥和全桥的应用差异。可能用户需要了解如何根据需求选择合适的拓扑,这时候需要给出选择标准,比如输入输出电压范围、功率等级、隔离需求、效率要求等。 另外,实际应用中可能会遇到的问题,比如EMI、热管理、环路稳定性等,不同拓扑在这些方面的表现不同。例如,LLC在轻载时可能效率下降,而Buck在高压差时损耗大。这些实际设计中的考虑点也需要提到。 可能用户还有疑问,比如拓扑结构的发展趋势,比如宽禁带器件(GaN、SiC)如何影响拓扑的选择,数字控制技术对传统拓扑的改进等。这些可以作为进阶内容简要提及,帮助用户了解行业动态。 最后,要确保语言通俗易懂,避免过多公式,但关键公式如占空比计算、电压转换关系需要给出,并解释其物理意义。同时,结合之前推荐的项目,说明学习路径,比如通过仿真软件搭建不同拓扑,观察波形,调整参数,加深理解。</think>以下是关于电力电子拓扑结构的基础知识与实际应用的系统解析: --- ### **一、拓扑结构核心概念** #### 1. **基本定义** - **电力电子拓扑**:指通过半导体开关器件(如MOSFET、IGBT)的周期性通断,实现电能形态变换(AC/DC、DC/DC、DC/AC)的电路结构 - **核心参数**: - 电压转换比:$V_{out}/V_{in}=D$(Buck电路)或$V_{out}/V_{in}=1/(1-D)$(Boost电路) - 功率等级:小功率(<100W)、中功率(100W-1kW)、大功率(>1kW) #### 2. **基础拓扑分类** | 类型 | 典型结构 | 转换方向 | 隔离特性 | |------------|-------------------|------------|----------| | Buck | 降压 | DC→DC | 非隔离 | | Boost | 升压 | DC→DC | 非隔离 | | Flyback | 反激式 | DC→DC | 隔离 | | Forward | 正激式 | DC→DC | 隔离 | | Half-Bridge| 半桥 | DC→AC/AC→DC| 可选隔离 | | LLC | 谐振式 | DC→DC | 隔离 | --- ### **二、关键拓扑深度解析** #### 1. **Buck电路(降压)** - **数学关系**:$V_{out}=DV_{in}$(D为占空比) - **核心问题**: - 电感电流连续模式(CCM)与断续模式(DCM)边界计算: $$L_{crit}=\frac{(1-D)V_{out}}{2f_{sw}I_{out}}$$ - 同步整流技术:用MOSFET替代续流二极管降低导通损耗 - **典型应用**:笔记本电脑电源(19V→5V)、LED驱动 #### 2. **Flyback电路(反激)** - **工作原理**: - 开关管导通时变压器储能,关断时通过副边释放能量 - 电压关系:$\frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{N_s}{N_p}\frac{D}{1-D}$ - **设计要点**: - 变压器气隙设计防止磁饱和 - RCD吸收电路抑制漏感尖峰 - **典型应用**:手机充电器(90-264VAC→5VDC) #### 3. **LLC谐振拓扑** - **三大谐振元件**:谐振电感$L_r$、谐振电容$C_r$、励磁电感$L_m$ - **增益特性**: $$M=\frac{f_n^2}{\sqrt{(f_n^2-1)^2 + (f_nQ_e)^2}}$$ 其中$f_n=f_{sw}/f_r$,$Q_e$为品质因数 - **优势**:零电压开关(ZVS)实现98%+效率 - **典型应用**:服务器电源(800W金牌认证)、电动汽车车载充电机(OBC) --- ### **三、拓扑选择方法论** #### 1. **选型决策树** ```mermaid graph TD A[是否需要隔离?] -->|是| B[功率等级] A -->|否| C[升压/降压?] B -->|<150W| D[Flyback] B -->|150W-500W| E[Forward] B -->|>500W| F[LLC] C -->|降压| G[Buck] C -->|升压| H[Boost] ``` #### 2. **参数对比表** | 拓扑 | 效率 | 成本 | EMI特性 | 适用功率范围 | |---------|-------|-------|---------|--------------| | Buck | 92-96%| 低 | 较好 | 10W-500W | | Flyback | 85-90%| 低 | 差 | 5W-150W | | LLC | 95-98%| 高 | 优秀 | 200W-3kW | | PFC Boost| 97% | 中 | 需滤波 | 75W-5kW | --- ### **四、典型行业应用案例** #### 1. **新能源领域** - **光伏逆变器**:采用H5/H6拓扑的DC/AC转换,配合MPPT算法 - **储能系统**:双向Cuk拓扑实现电池充放电(如特斯拉Powerwall) #### 2. **工业电源** - **焊机电源**:双管正激拓扑实现快速动态响应(200A/30V输出) - **电机驱动**:三相逆变桥拓扑(IGBT模块)驱动伺服电机 #### 3. **消费电子** - **USB PD快充**:Buck-Boost拓扑实现3.3-20V宽范围输出(如氮化镓充电器) - **无线充电**:E类放大器拓扑实现85kHz谐振传输 --- ### **五、前沿技术演进** 1. **宽禁带器件驱动**: - GaN器件使MHz级开关频率成为可能(如Navitas NV6125) - 新型拓扑:Totem-Pole PFC拓扑效率突破99% 2. **数字化控制**: - 数字控制LLC(如TI UCD3138)实现自适应谐振频率跟踪 - 基于STM32G4的移相全桥数字控制 3. **集成化设计**: - Vicor的FPA(分比式电源架构)拓扑 - 磁集成技术将变压器与电感合为一体 --- ### **六、学习建议** 1. **仿真入门**: - 使用LTspice搭建Buck电路,观察电感电流纹波随占空比变化 - 在PSIM中仿真LLC增益曲线,理解谐振点特性 2. **动手实验**: - 用IR2110驱动芯片搭建半桥电路 - 基于UC3845的反激电源调试(重点观测Vds尖峰) 3. **经典文献**: - 《Fundamentals of Power Electronics》(Robert W. Erickson) - IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS期刊论文 掌握拓扑结构需要理论→仿真→实验的三段式学习,建议从反激电源入手逐步深入。实际设计中需特别注意寄生参数(如PCB走线电感)对拓扑性能的影响。
评论 2
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值