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基于Cuk变换器的开关电源设计

2013-8-26 16:40:06 3062

0 基于Cuk变换器的开关电源设计摘要： DC—DC变换器模块电源在各种电子设备中被广泛应用，随着电子设备功能越来越复杂，集成度越来越高，对DC．DC变换器也提出了更高的要求，需要在提供更大功率的同时，要求更小的体积、功耗和更高的稳定性。本文是基于Cuk变换器的开关电源设计，首先对Cuk进行了详细的理论分析，对Cuk电路中的主要元件电压、电流波形进行计算，并由此推导出各个主要元器件的参数计算公式。关键字：开关电源，Cuk电路. 1.Cuk电路理论分析 Cuk电路是1977年美国加州理工学院的Slobodan Cuk根据boost电路和buck电路的组合进行研究变换后得到的一个电路。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电容传送能量，有利于减小体积，提高功率密度。其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电路在开通和截止的整个周期都能从输入向输出传输功率，所以效率比buck，boost等拓扑形式要高。 2. Cuk电路拓扑结构基本Cuk电路的结构如图2.1所示。正常工作时，电容C是传递能量的主要元件。当主开关S1截止时，续流二极管D导通，C被充电存储能量，C的充电电流和负载的续流电流同时流过D；s1导通时,D承受反压，C放电，为负载供电，电源电压直接加L1上，L1被充电储能，L1的充电电流和负载电流要同时流过S1。当工作在连续的状态下，Cuk电路的输入电流和输出电流不是脉动的，而且增加电感Ll和L2的值．可以使交流纹波的值为任意的小。同时可以看出，该电路结构对半导体元件的要求是相当高的。电路的输入输出电压的关系如下： 2.1 隔离式Cuk电路上面只是Cuk电路的基本拓扑，实际中还要求电源的原方和副方电气隔离。所以必须对基本电路作如下修改，插入一个隔离变压器。 1．将C分成两个串联电容Cl和C2。 2．在cl和C2的连接点与输入电源的地之间接一个电感，若这个电感足够大，则从C1和C2的连接点流入电感的电流可以忽略。这样Cuk电路的工作点不会受到影响。 3．这个外接电感分成两个匝数相同的绕组并联，把他们各接向一边，从而变成隔离变压器。如2．2所示。如果电路采用的是l：l的变压器，且取C1=C2=2C，则输入输出电路中的电压电流与非隔离电路完全相同。 2.2 隔离式Cuk电路的工作原理在开关管S1导通期间，图2．2等效电路如图2．3所示，图中箭头表示回路的电流方向。此时输入电压U。直接加在电感L1上对他充电，C1的电压则直接加在变压器Tl的原方，C1放电，付方感应出的电流对负载供电，这时C1和C2都是放电状态。副方的C2电流对负载供电并供电感L2储能，续流二极管因反偏而截止。开关管s1截止时，电路等效为图2．4所示的电路。电感Ll释放能量，电容C1充电储能，原方电流通过变压器T1感应到付方对c2充电，负载电流从续流二极管流过，电感L2将储能释放给负载供电。该电路有如下特点： 1．元件少，只有一个开关，控制简单。 2．开通和截止的两个周期都能从输入向输出传输功率，所以效率高。 3．变压器原副方绕组中均无直流电流通过，其磁芯无需加气隙，因此无磁芯饱和问题。 4．导通比可以大于0．5，不像双端变换那样存在直通问题。 2.3 Cuk电路基本关系式：假定电路在完全理想的情况下工作： 1．变压器是理想变压器。 2．当C1和C2足够大时，其充放电时的电压波动可忽略，两端的电压可视为恒定值。’则隔离式Cuk电路可以用下面几个方程来表示(各元件端电压电流参考方向如图1所示)：输入回路： 2.4 Cuk电路分析上面是在理想的条件下推导了Cuk电路的基本关系式，下面我们要考虑到实际情况来分析该电路中主要元件的电压和电流。首先高频变压器不再是理想变压嚣，要考虑他的励磁电流，但暂不考虑其漏感，因为漏感的主要影响表现在开关瞬间过程中，而我们主要。分析的是稳态工作时的电压和电流。其次电容的电压并非恒定的，必须考虑他的电压波动。“。 2.4.1 主开关导通时的电路 2.4.2主开关截止时的电路主开关截止时电路等效为图2.6所示的形式，这里主要分析左边回路．采用与上一小节同样的假设，然后把电容c2等效到原方来分析。先列写原方回路方程如下： 2.4.3 Cuk电路小结上面分别分析了电路在开关导通和截止时的情况。上面分析中得到的(2，11)式和(2．15)式可以综合如下上面就是隔离式Cuk电路中主要元件的电压与电流的理论分析结果。 2.5 参数计算课程要求：输入直流9V-12V,输出5V、20W，开关振荡频率40KHz，列出所用元件明细表，计算产品价格，列出元件参数和明细表，下图为元件参数表：。图2.7元件参数表 2.5.1电感如前面所描述，若将电流的变化过程近似地看作线性的，如图(2．5)所示，可以将输出电流表示为： 2.5.2 输出电容全文总结课程设计给我很多专业知识以及专业技能上的提升，使我更加清楚地知道在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，课程设计不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。Cuk电路自提出以来，在实际应用中并不是很广泛，采用隔离式Cuk电路的电源更是不多。但是它自身固有的优点确实是其它拓扑所无法比拟的，因此针对Cuk电路设计出比较实用的电路方案具有很大的实际意义。本文首先细致分析了隔离式Cuk电路的运行状态，对其主电路参数总结出了一套完整的计算步骤。对其中变压器的设计也给出了各种制约条件，在实际设计中需要根据这些制约条件寻求一组最佳参数。参考文献： [1]何希才．新型开关电源的设计与维修．北京：国防工业出版社，2001．P148 [2]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．2003 [3]沙占友等．新型单片开关电源的设计与应用．北京：电子工业出版社，2001． [4]张占松、蔡宣三．开关电源的原理与设计．北京：机械工业出版社，1999 [5]贾正春、马志源．电力电子学．北京：中国电力出版社，2001 [6]贾正春、许强．开关电源(讲义)．武汉：华中理工大学电力工程系电机教研室，2000 1
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