Конвертер Ćuk - Википедия - Ćuk converter

Сравнение топологий неизолированных переключающих преобразователей постоянного тока в постоянный: Бак, Способствовать росту, Buck-Boost, Uk. Вход слева, выход с нагрузкой справа. Переключатель обычно МОП-транзистор, IGBT, или же BJT транзистор.

В Конвертер Ćuk (произносится задыхаться; иногда неправильно пишется Cuk, Чук или же Cúk) является разновидностью DC / DC преобразователь который имеет величину выходного напряжения, которая больше или меньше величины входного напряжения. По сути, это повышающий преобразователь за которым следует понижающий преобразователь с конденсатором для передачи энергии.

Подобно понижающий-повышающий преобразователь с инвертирующей топологией выходное напряжение неизолированного uk обычно также инвертирующее и может быть ниже или выше входного. Он использует конденсатор в качестве основного элемента накопления энергии, в отличие от большинства других типов преобразователей, в которых используется индуктор. Он назван в честь Слободан Жук из Калифорнийский технологический институт, который первым представил дизайн.^[1]

Неизолированный преобразователь Ćuk

Существуют разновидности базового конвертера Ćuk. Например, катушки могут использовать один магнитный сердечник, который снижает пульсации на выходе и повышает эффективность. Поскольку передача энергии непрерывно проходит через конденсатор, этот тип переключателя сводит к минимуму электромагнитное излучение. Преобразователь Жук позволяет энергии течь в двух направлениях с помощью диода и переключателя.

Принцип работы

Рис. 1: Схема неизолированного преобразователя Жук.

Рис. 2: Два рабочих состояния неизолированного преобразователя uk.

Рис. 3. Два рабочих состояния неизолированного преобразователя Ćuk. На этом рисунке диод и переключатель заменены либо коротким замыканием, когда они включены, либо разомкнутой цепью, когда они выключены. Видно, что в выключенном состоянии конденсатор C заряжается входным источником через катушку индуктивности L.₁. В открытом состоянии конденсатор C передает энергию выходному конденсатору через индуктивность L₂.

Неизолированный преобразователь Жук состоит из двух индукторы, два конденсаторы, переключатель (обычно транзистор ), а диод. Его схему можно увидеть на рисунке 1. Это инвертирующий преобразователь, поэтому выходное напряжение отрицательно по отношению к входному.

Конденсатор C используется для передачи энергии и подключается поочередно ко входу и выходу преобразователя. через коммутация транзистора и диода (см. рисунки 2 и 3).

Два индуктора L₁ и я₂ используются для преобразования соответственно источника входного напряжения (В_я) и источник выходного напряжения (C_о) в текущие источники. В краткосрочной перспективе индуктор можно рассматривать как источник тока, поскольку он поддерживает постоянный ток. Это преобразование необходимо, потому что, если бы конденсатор был подключен непосредственно к источнику напряжения, ток ограничивался бы только паразитным сопротивлением, что приводило бы к большим потерям энергии. Зарядка конденсатора с помощью источника тока (индуктора) предотвращает ограничение резистивного тока и связанные с ним потери энергии.

Как и в случае с другими конвертерами (понижающий преобразователь, повышающий преобразователь, понижающий-повышающий преобразователь ) преобразователь Жук может работать как в непрерывном, так и в прерывистом режиме. Однако, в отличие от этих преобразователей, он также может работать в режим прерывистого напряжения (напряжение на конденсаторе падает до нуля во время цикла коммутации).

Непрерывный режим

В установившемся режиме энергия, запасенная в катушках индуктивности, должна оставаться неизменной в начале и в конце цикла коммутации. Энергия в катушке индуктивности определяется по формуле:

${ displaystyle E = { frac {1} {2}} LI ^ {2}}$

Это означает, что ток через индукторы должен быть одинаковым в начале и в конце цикла коммутации. Поскольку эволюция тока через катушку индуктивности связана с напряжением на ней:

${ displaystyle V_ {L} = L { frac {dI} {dt}}}$

можно видеть, что среднее значение напряжений индуктора за период коммутации должно быть равно нулю для удовлетворения требований установившегося режима.

Если учесть, что конденсаторы C и C_о достаточно велики, чтобы пульсации напряжения на них были незначительными, напряжения на индукторе становятся:

• в выключенном состоянии индуктор L₁ соединен последовательно с V_я и C (см. рисунок 2). Следовательно ${ displaystyle V_ {L1} = V_ {i} -V_ {C}}$. Поскольку диод D смещен в прямом направлении (мы рассматриваем нулевое падение напряжения), L₂ напрямую подключен к выходному конденсатору. Следовательно ${ displaystyle V_ {L2} = V_ {o}}$
• во включенном состоянии индуктор L₁ напрямую подключен к источнику входного сигнала. Следовательно ${ displaystyle V_ {L1} = V_ {i}}$. Индуктор L₂ соединен последовательно с C и выходным конденсатором, поэтому ${ Displaystyle V_ {L2} = V_ {o} + V_ {C}}$

Преобразователь работает во включенном состоянии от t = 0 до t = D · T (D - рабочий цикл ), и в выключенном состоянии от D · T до T (то есть в течение периода, равного (1-D) · T). Средние значения V_L1 и V_L2 поэтому:

${ displaystyle { bar {V}} _ {L1} = D cdot V_ {i} + left (1-D right) cdot left (V_ {i} -V_ {C} right) = left (V_ {i} - (1-D) cdot V_ {C} right)}$

${ displaystyle { bar {V}} _ {L2} = D left (V_ {o} + V_ {C} right) + left (1-D right) cdot V_ {o} = left (V_ {o} + D cdot V_ {C} right)}$

Поскольку оба средних напряжения должны быть равны нулю, чтобы удовлетворять установившимся условиям, используя последнее уравнение, мы можем написать:

${ displaystyle V_ {C} = - { frac {V_ {o}} {D}}}$

Таким образом, среднее напряжение на L₁ становится:

${ displaystyle { bar {V}} _ {L1} = left (V_ {i} + (1-D) cdot { frac {V_ {o}} {D}} right) = 0}$

Что можно записать так:

${ displaystyle { frac {V_ {o}} {V_ {i}}} = { frac {-D} {1-D}}}$

Видно, что это соотношение такое же, как полученное для понижающий-повышающий преобразователь.

Прерывистый режим

Как и все преобразователи постоянного тока в постоянный ток, преобразователи uk полагаются на способность катушек индуктивности в цепи обеспечивать непрерывный ток, во многом так же, как конденсатор в фильтре выпрямителя обеспечивает постоянное напряжение. ", то наклон тока катушки индуктивности будет прерывистым, когда ток стремится к нулю. Это состояние работы обычно не изучается глубоко, поскольку обычно не используется, кроме демонстрации того, почему минимальная индуктивность имеет решающее значение, хотя это может произойти, когда поддержание напряжения в режиме ожидания при гораздо более низком токе, чем рассчитан преобразователь.

Минимальная индуктивность определяется как:

${ displaystyle L_ {1} min = { frac {(1-D) ^ {2} R} {2Df_ {s}}}}$

Где ${ displaystyle f_ {s}}$ частота переключения.

Изолированный преобразователь Ćuk

Изолированный преобразователь Жук с беззазорным трансформатором переменного тока посередине

Изолированный индуктор со связью uk преобразователь

Встроенный магнитный преобразователь uk

Преобразователь Лук может быть выполнен в изолированном виде. Необходимо добавить трансформатор переменного тока и дополнительный конденсатор.^[2]

Поскольку изолированный преобразователь uk изолирован, полярность выходного напряжения может выбираться произвольно.

Как неизолированный преобразователь Ćuk, изолированный преобразователь uk может иметь величину выходного напряжения, которая либо больше, либо меньше величины входного напряжения, даже с трансформатором переменного тока 1: 1. Тем не менее, соотношение витков можно регулировать, чтобы снизить нагрузку на устройство со стороны входа. Дополнительно паразитные элементы трансформатора, а именно индуктивность рассеяния и индуктивность намагничивания может использоваться настроенная для изменения схемы в резонансный преобразователь схема, которая имеет гораздо более высокий КПД.

Связанные структуры

Индукторная муфта

Вместо использования двух дискретных компонентов индуктора многие разработчики реализуют сопряженный индуктор converteruk преобразовательс использованием одного магнитного компонента, который включает в себя оба индуктора на одном сердечнике. Действие трансформатора между индукторами внутри этого компонента дает сопряженный индуктор converteruk преобразователь с более низкой выходной пульсацией, чем преобразователь Чук, использующий два независимых дискретных компонента индуктивности.^[3]

Конвертер Zeta

Дзета-преобразователь обеспечивает выходное напряжение, противоположное выходному напряжению преобразователя Лук.

Несимметричный преобразователь первичной индуктивности (SEPIC)

Преобразователь SEPIC может повышать или понижать напряжение.

Патенты

• Патент США 4257087,^[4] подано в 1979 г. "Импульсный преобразователь постоянного тока с нулевой пульсацией входного и выходного тока и встроенными магнитными цепями", изобретатель Слободан Жук.
• Патент США 4274133,^[5] подано в 1979 г. "Преобразователь постоянного тока в постоянный с уменьшенной пульсацией без необходимости регулировки", изобретатель Слободан Жук и Р. Д. Миддлбрук.
• Патент США 4184197,^[6] подано в 1977 г. "Преобразователь постоянного тока в постоянный", изобретатель Слободан Жук и Р. Д. Миддлбрук.

дальнейшее чтение

• Силовая электроника, Vol. 4: Усреднение в пространстве состояний и преобразователи Чука; Жук Слободан; 378 страниц; 2016; ISBN  978-1519520289.

Рекомендации

внешняя ссылка

• Фон топологии