【开关电源四】电源拓扑之Cuk、Sepic、Zeta
目录
1 Cuk变换器
1.1 Cuk电路工作原理
1.2 Cuk电路输入输出关系推导
2 Sepic变换器
2.1 Sepic电路工作原理
2.2 Sepic电路输入输出关系推导
3 Zeta变换器
3.1 Zeta电路工作原理
3.2 zeta电路输入输出关系推导
开关电源系列第一篇分享了buck、boost、buck-boost三种非隔离DCDC拓扑的工作原理,今天再分享另外三款非隔离DCDC拓扑:Cuk、Sepic、Zeta,这三种结构比前面三种略微复杂,应用不是特别广泛。
1 Cuk变换器
Cuk变换器是由美国加州理工学院SlobodanCuk提出的对Buck/Boost进行改进的单管非隔离直流变换器,在输入输出段均有电感,可以显著减小输入和输出电流的纹波,输出电压的极性和输入电压相反,输出电压既可以低于也可以高于输入电压。Cuk变换器可看做是Boost变换器和Buck变换器串联而成,合并了开关管。基本拓扑如下图所示:
电路中主要元器件包括耦合电容C1、开关管S、boost电感L,buck电感L1、续流二极管VD、滤波电容C1。
1.1 Cuk电路工作原理
在开关导通阶段,输入电压经过电感L、开关S到地,电感L充能。而右侧由于电容C1在上一周期开关关断时充了能,在本周期开关导通时将能量释放,此时二极管VD截止,这时相当于是电容充当电源放能,给电感L1充能,右侧的电流路径为电感L1→电容C1→开关S→负载。如下图左所示。
在开关断开阶段,在左侧,电源Ui和电感L的感应电动势之和给电容C1充能,电流方向为电源→电感L→电容C1→二极管VD。在右侧,电感L1放能,电流经二极管VD续流,电流方向为电感L1→二极管VD→负载。如下图右所示。
1.2 Cuk电路输入输出关系推导
从以上原理分析可知,Cuk电路在开关导通时,电感L、L1充能,C1放能;在开关关断时,电感L、L1放能,C1充能,电容C1起到能量耦合传递的作用。可以知道,两个电感在开关导通和开关关断阶段的电流变化量是相等的,于是,针对左侧电感L而言:
即:
针对右侧电感L1而言:
即:
联立这两个等式,消去Vc1,可得:
此输入输出关系和我们前面分析的升降压电路一样。但此电路结构比buck-boost更复杂,相对来说应用较少。
2 Sepic变换器
SEPIC(single ended primary inductor converter) 是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DCDC变换器。输出电压由主控开关(三极管或MOS管)的占空比控制。
这种电路最大的好处是输入输出同极性。尤其适合于电池供电的应用场合,允许电池电压高于或者小于所需要的输入电压。比如一块锂电池的电压为3V~4.2V,如果负载需要3.3V,那么SEPIC电路可以实现这种转换。
基本拓扑如下图所示,可以看做是左侧的升压电路经电容C1耦合到右侧的升降压电路然后输出。
2.1 Sepic电路工作原理
如下图左,当开关管导通的时候,输入的电压对电感充电L,形成的回路是:电源正极→电感L→电源负极。电容C1在上一周期开关关闭时充了能,在本周期开关导通时要将这部分能量释放,C1将给电感L1充能,此时二极管VD截止,输出电压由电容C维持;
如下图右,当开关管关断时,输入的能量和电感能量一起向输出提供能量,形成的回路是:输入Vi→电感L→电容C1→二极管D→负载R,电感L1也形成感应电动势,通过二极管VD续流,形成的回路是:电感L1→二极管D→负载R。
2.2 Sepic电路输入输出关系推导
从以上原理分析可知,Sepic电路在开关导通时,电感L、L1充能,C1放能;在开关关断时,电感L、L1放能,C1充能,电容C1起到能量耦合传递的作用。可以知道,两个电感在开关导通和开关关断阶段的电流变化量是相等的,于是,针对左侧电感L而言:
即:
针对右侧电感L1而言:
即:
联立这两个等式,消去Vc1,可得:
3 Zeta变换器
Zeta变换器可看做是buck-boost电路和buck电路级联而成。基本拓扑如下图所示:
3.1 Zeta电路工作原理
如下图左,当开关管导通时,输入的电压对电感L充电,同时电容C1要释放上周期开关截止时充的能量,给电感L1充电,这时由于二极管上方电位较高,二极管截止,形成了两条回路:输入Vi→开关管S→电感L,输入Vi→开关管S→电容C1→电感L1→负载;
如下图右,当开关管关断时,电感L生成下正上负的感应电动势,经过续流二极管VD给电容C1充能,电流回路为:电感L→二极管VD→电容C1。另外,电感L1也生成感应电动势给负载供电,电流回路为:电感L1→负载R→二极管VD。
3.2 zeta电路输入输出关系推导
从以上原理分析可知,zeta电路在开关导通时,电感L、L1充能,C1放能;在开关关断时,电感L、L1放能,C1充能,电容C1起到能量耦合传递的作用。可以知道,两个电感在开关导通和开关关断阶段的电流变化量是相等的,于是,针对左侧电感L而言:
即:
针对右侧电感L1而言:
即:
联立这两个等式,消去Vc1,可得:
可以看出Zeta电路的输入输出关系与Sepic电路完全一样。从这三种电路的输出表达是来看,三种电路均应避免占空比接近1,且这三种电路均不应输出空载,否则会产生很高的电压损坏器件。
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