1、CUK电路理论分析辽宁石化职业技术学院王华龙1、引言CUK变换器是一种兼有研究与应用价值的咖变换器。CUK变换器的电路拓扑结构由美国加州理工学院Slobodan Cuk博士于1976年在其博士论文中提出，该电路只有一个开关，控制简单，导通比可大于05，在输入和输出之间由一个电容传送能量，有利于减小体积，提高功率密度在输入和输出端均有电感，从而有效地减小了输入和输出电流的脉动，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十扰都比较小。cUK变换器又称Boost-Buck串联变换器。其基本思想是：电路的第一级是Buck，第二级是Boost，Buck的输出为Boost的输
2、入2、CUK变换器的电路拓扑结构基本的CUK变换器结构如图1所示，在升压变换器后串联一个降压变换器。其中，L1、L2为储能电感，Q为功率开关管，D为续流二极管，C为传输能量的耦合电容，co为滤波电容。CUK变换器能够提供一个反极性、不隔离的输出电压，输出电压可高于或低于输入电压，而且其输入电流和输出电流都是连续的、非脉动的。在tdr期间，Q截止，等效电路如图3所示。D导通，电容C被充电，LI通过c和D向c充电储能，同时L2向负载释放能量。无论在t。期问还是在t。期间都能从输入向输出传输能量，只要电感Ll、L2和电容c足够大，输入输出电流基本是平滑的在tm期间C充电，在t。期间c向负载放电，可见
3、C起着传递能量的作用图3 Q关断状态的等效电路在t。期间，LI释放能量，Ll上的压降为V矿yc，Ll中的电流以(v矿”L。的速率线性下降，L。的电流减量为；i“-)=挚t。(23)lI其中，V。为电容C上的平均电压值。能量的储存和传递是同时在两个开关期问(即t。和t。)和两个环路中进行的如图24所示。设开关周期为T，导通期为t嘶-D，T，截止期为t。=： 图1 00K变换器电路图当工作在连续状态下时，CUK变换器输入电流和输出电流不是脉动的，而且增加电感L和k的值，可使交流纹波电流的值为任意的小。CUK变换器像降压一升压变换器一样，可以提供某一输出电压值，其大小k要决定于图21中的开关Q I与
4、空比Dl。在CUK变换器中的开关、：极管和电容的电流与工作在相同电压增益及输入电压的降压一升压变换器相对应的电路相比是相当的，但如果输入和输出抗电磁干扰滤波器加到降压一升压变换器时，CUK变换器结构显得简单得多。21电路工作原理1为分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下几点假定：(1)开关晶体管、二极管均是理想元件，也就是可以快速的“导通秽截止”，而且导通时压降为零，截止时漏电流为零。(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2工作过程图2 Q导通状态的等效电路Q导通(OttJ在t。期问
5、，Q导通，等效电路如图2所示。Ll储能，电容c上的电压使D反偏，通过负载R和L2他输能罱，负载获得反极性电压，k、co储能。Q管和_二极管D同步工作，Q导通，D截止；Q截止，D导通。在t。期问，LI中的电流以VLl的速率线性上升，LI的电流增量为：， VAiLl”=丑tm-DJT(21)Ll LI在t。期间，C供电，L2储能，若C的值足够大，可忽略C上的压降，则哩上的电压为VcV。，k中的电流以(V，Vo)k的速率线性上升，在t。期间，k的电流增量为：Aiuo，=毕tm-毕Dl丁(22)心 心Q关断(t。tT)250 2011年5月图4 CUK变换器中电流分配(a)Q导通 (b)Q关断(1)在
6、t。期间，如图4(a)所示。此时Q导通，把输入输出环路闭合。D反偏而截止，这时输入电流i。使L储能：c的放电电流i。使L。储能，并供给负载。(2)存t。剃M，如图4(b)所示。Q截止，D正偏而导通，将输入输出环路闭合。这时电源输入和Ll的释能电流i。向C充电，同时k的释能电流i。以维持负载。由此可见，这个电路无论在t。及t。期间，都从输入向输出传递功率。只要输入输出电感L。、L。及耦合电容C足够大，则Ll及L2中的电流基本上是恒定的。在t。期间，输入电流i。使c充电储能；在t。期间，C向负载放电释能。因此，C是个能量的传递元件。22电路各点的波形图5 CUK变换器工作波形(a)电感电流连续 (
7、b)电感电流不连续电路进入稳态后，图5(a)所示为电感电流连续工作模式；图5(b)所示为电感电流不连续工作模式。分析时，除以前相似假定外，并设电容C上的电压yc的纹波与其平均值之比很小，这样vc可认为是恒定电压。3、CUK变换器变形演化原理”嘲匿图6 CUK变换器变形演化过程(a) CUK变换器的等效变换(b)变形演化后的CUK变换器万方数据初中数学课堂教学的情境创设河南省安阳市外国语学校 刁晓慧学生的学习积极性顺利完成学习任务的心理前提，而学习积极性又是学习动机伴随学习兴趣形成的，第斯多惠说：“教学的艺术不在于传授的本领，而在于激励、唤醒、鼓舞。”教学实践证明，精心创设各种教学情境，能够激发
8、学生的学习动机和各种好奇心，培养学生的求知欲望，调动学生思维活动的积极性和自觉性，促使学生为问题的解决形成一个合适的思维意向。以下是我在数学课堂教学中的尝试。一、用故事创设情境这可以集中学生注意力，活跃课堂气氛，使学生看到数学也是一门有趣的学科。例如：在讲“平面直角坐标”之前，讲一个笛卡儿发明直角坐标系的故事：数学家笛卡儿潜心研究能否用代数中的计算来代替几何中的证明时，有一天，在梦境中他用钥匙打开了数学宫殿的大门，遍地的珠之光彩夺日。他看见窗框角上有一只蜘蛛正忙着织网，顺着吐出的丝在空中飘动。一个念头闪过脑际：眼前这一条条的经线和纬线不正是全力研究的直线和曲线吗?惊醒后，灵感的阶段终于来了，那
9、只蜘蛛的位置不是可以由它到窗框两边的距离来确定吗?蜘蛛在爬行过程中结下的网不正是说明直线和曲线可以由点的运动而产生吗?由此，笛卡儿发明了直角坐标系，解析几何诞生了。二、用新颖而又有趣的事例，生动而又富有感情的讲述创设情境。教师一上课，不直接板书课题，而以充沛而丰富的思想感情，用有趣而富有思考的问题，用精湛而富有魅力的谈话，吸引学生的注意，激发学生的兴趣，以产生直接的内驱力。在讲幂的运算之前，讲芝麻与太阳的质量：一粒芝麻的质量不到克，它与太阳的质量简直是不能相比的但是，如果把一粒芝麻作为第一代播种下去，收获的芝麻作为第二代，把第二代再播种下去，如果播种下的芝麻全部能发芽，成长，这样一直到第十三代
10、，芝麻的质量是太阳质量的5倍!这是一个惊人的增长，学生求知的欲望这时就可以顺势导入幂的运算三、用数字实验创设情境根据抽象与具体相结合，可把抽象的理论直观化，不仅能丰富学生的感性认识，加深对理论的理解，且能使学生在观察、分析的过程中茅塞顿开，情绪倍增，从而达到培养学生创造性思维能力的目的在讲授“证明咐，拿出一条长长的纸带，把一头反面刷上浆糊与另一头的正面粘合在一起，变成一个大圈圈，问学生：把这个纸圈沿着纸带中心线剪开，会得到什麽结果?学生说会变成两个纸圈。教师拿起剪刀沿中心线剪开，学生个个睁大眼睛：并没有得到两个纸圈。这说明在数学上单凭想当然是靠不住的，从而引出推理和下结论须步步有据。四、联系旧
11、知识，刨设情境。教师在复习与新课有关旧知识的过程中，以旧引新，激发学生对新知识的探求。在讲“三角形巾位线定理”时，先让学生画任意的凸四边形，把各边中点依次连结起来，当学生发现这些图形都是平形四边形时，会感到惊讶和疑问，从而引出课题五、利用生产和生活中的实际问题创设情境。对于实际问题，学生看得见，摸得着，有的亲身经历过。所以当老师提出这些问题时，他们跃跃欲试，想学以致用。这能起到调动学习积极性的作用在讲“正多边形和园”时，指出正多边形有无数种，那些正多边形可以用来设计铺地的美术瓷砖?因为周角等于3600，所以用正多边形既无空隙又不重叠地铺满地面的条件是：围绕每一公共顶点P的各角之和等于3600，
12、通过计算得出：用一种规格的瓷砖铺地，只能使用正三角形，正方形和正六边形三种创设课堂教学情境的方法是多种多样的，教师应根据具体情况和条件，刨造出适合学生思想实际，内容健康有益，紧紧围绕教学中心而又富有感染力的教学情境；同时，要使学生在情景交融之中愉快地探索，深刻地理解，牢固地掌握所学的数学知识虽然CUE变换器有很多优点，但是CUK变换器都没有得到广泛的应用。最主要的原因是对于开关管、二极管的电压要求与单管正反激式开关电源的要求相同，在大占空比条件下开关管承受的应力比较大，需要两个电感，使电路变得复杂，体积增大，需要耦合电容器，而耦合电容器将流过高幅值的纹波电流，普通电容器不能满足要求，由于是两级
13、变换器，效率有所下降。针对CUK变换器的问题可以通过演化，避开缺点，发挥优点CUK变换器变形演化过程如图6所示。基本CUK变换器的输入输出关系为睁吾uIl (31)假设输出电压uo恒定不变，而且电感LI=L2。将基本CUK变换器等效变换成图6(b)，输出电压的参考方向改变，输入输出关系变为睁茜r U1 (32)将变换器的输入端由原来接开关管改为接输出负端，如图6(b)所示，这时的变换器的实际输入电压为：u。=U，Uo (33)变形后CtJK变换器的输入输出关系为v-告r(Ui_哪 (34)开关管与二极管的电压峰值为th=uh (35)舻U。 (36)与Buck变换器的输入输出关系相同。Buck
14、交换器在开关管导通期间，输入向输出提供电能，并将多于输出的电能存储在电感中开关管关断期间，由于开关管的关断，输入与输出间的通路消失，输入不能向输出提供电能，而由电感释放储能的方式向输出提供电能参考文献：1Slobodan Cuk Ik D MiddlebrookA New Opdmum SwitchingDCtODC ConverterPower Electrionia Specialists Conference，1977。PESC77 tLecord：160-1792SpanglerJP加cSixth Annual Applied Power Electronics Conf,199110
15、-153周志敏，周纪海开关电源实用技术设计与应用北京：人民邮电出版融20074王增福，魏永明软开关电源原理与应用北京：电子工业出版社2006 5林渭勋现代电力电子技术|匕京：机械工业出版社。20056阳鸿钧电源集成电路必备宝典北京：机械工业出版社2007金色年华 251万方数据CUK电路理论分析作者： 王华龙作者单位： 辽宁石化职业技术学院刊名： 金色年华(下)英文刊名： GOLDEN TIMES年，卷(期)： 2011(5)参考文献(6条)1.Slobodan Cuk;R D Middlebrook A New Optimum Switching DC-to-DC Converter 197
16、72.Spangler.J 查看详情 19913.周志敏;周纪海 开关电源实用技术设计与应用 20074.王增福;魏永明 软开关电源原理与应用 20065.林渭勋 现代电力电子技术 20056.阳鸿钧 电源集成电路必备宝典 2007本文读者也读过(10条)1. 杨文.莫金海.YANG Wen.MO Jin-hai PWM-CUK型电子束焊机电源系统分析与设计期刊论文-计算机仿真2010,27(10)2. 董汇泽.李惠山 WYT-5V直流稳压电源的研制期刊论文-青海大学学报(自然科学版)2001,19(1)3. 赵余成 基于CUK变换器的APFC电路研究与设计学位论文20094. 蔡志开.李晓帆
17、.高奇峰.龙飞 一种非线性控制的PFC Cuk AC/DC变换器期刊论文-通信电源技术2004,21(1)5. 桂丽 基于MC33260的Cuk型有源功率因数校正的研究与设计学位论文20106. 刘宏达.刘建.罗耀华 Cuk拓扑的Simulink仿真模型期刊论文-应用科技2004,31(4)7. 刘树林 一种改进的CUK变换器在劝率因数校正（PFC）中的应用会议论文-19988. 张海文.陈宗祥.潘俊民.ZHANG Hai-wen.CHEN Zong-xiang.PAN Jun-min 一种新型带Z源的Cuk电路期刊论文-电力电子技术2007,41(7)9. 张玄.刘克富 一种基于库克变换器的LED照明系统的电路设计期刊论文-光源与照明2008(1)10. 刘健.程红丽.王兆安.Liu Jian.Cheng Hongli.Wang Zhaoan 采用变结构控制改善DC-DC变换器的性能期刊论文-西安交通大学学报2000,34(8)引用本文格式：王华龙 CUK电路理论分析期刊论文-金色年华(下) 2011(5)
