斩波电路(七) —— Cuk, Speic, Zeta斩波电路

我们接下来讲剩下的三种斩波电路

Cuk、Speic 和 Zeta 斩波电路

那么首先肯定大家有疑问

我们为什么还要学习其它斩波电路

那么我们已经学了降压、升压

特别是还有升降压

我们看升降压斩波电路

比起 Buck 和 Boost 没有增加任何元件

但它可以升压也可以降压

已经很完美了

我们为什么还要学习其它斩波电路呢

主要涉及这么一个问题

输入输出电流连续问题

那么输入端串联电感

比如说 Boost 电路

输入端电源这里有个电感

那么对于 V1 这个电源来说它的电流就是连续的

这样可以提高它的功率因数

如果输出端串联电感

比如说 Buck 电路

在负载这端有电感

它可以明显地减小输出的纹波

比如说输入电流连续和输出电流连续都是有好处的

其中呢Buck 电路和 Boost 电路各占一个好处

但是呢Buck 电路

输入是不连续的

这个电流被开关断开了它的输出是不连续的

我们再看 Buck-Boost 电路

它的输入断开

输出也是断开的

D1 这个二极管肯定不会永远导通

永远导通就是导线了,它会有导通和不导通的时候

所以对于 Buck-Boost 来说输入输出均不连续

那么有一种斩波电路

可以同时做到输入、输出电流均连续

那么它就是传说中的Cuk电路

Cuk 电路比较复杂

如果我直接就把 Cuk 电路的拓扑画给你看的话

你们永远记不住

所以我们来试图还原

Cuk 电路的设计过程是怎么样的

那么如何让输入电流连续呢

我们可以从 Boost 电路中取得灵感

因为 Boost 电路它的输入是连续的

那么就是在输入电压端

直接串联电感没有支路

因为电感是保持电路连续的

所以这样一来电感电流就可以连续

我们把 Boost 电路的输入部分提取出来

作为一个输入单元

这是输入连续的输入单元

那么怎么让输出电流连续呢

我们可以从 Buck 电路取得灵感

那么当负载 Co 和 RL整个称为负载

它直接串联有电感

而没有其它支路的时候它的输出连续

那么根据续流电流的方向

顺时针的话

我们得到的是正压输出

当然我们也有可能电流连续

但是是负压输出的情况

也就是二极管方向朝下

电感电流这么流，下正

这是负压输出

但两种都由于直接串联电感

它们的电流是连续的

我们先假定 Cuk 电路是正压输出

那么把电流连续的输入和电流连续的输出直接级联

那么这样有没有问题呢,有问题

在稳态时电感 L1 和电感 L2 上的电压平均值为零

你用导线直连, 那么 Ui、Uo 就根本不会有电压差

你就没有电压的功能

那么我们学的三种基本元件里面

电容的两端是可以形成压差

所以我们

前后级级联用一只电容进行级联

那么 Ui 和 Uo 就可以有压差了

我们来分析一下

L1 的电流一定是顺时针的

开关闭合一定是顺时针的

那么当开关断开以后L1 的电流只能往

还是从左往右流

给电容 C1 进行充电

那么当开关闭合和断开这两个时间段

电容一个是充一个是放, 它得电流交替进行

也就说开关断开和闭合

闭合以后

电容上的电流只能是逆时针的

红颜色的箭头方向

那么这个问题

这是短路的

也就是说我现在选取为正压输出

二极管方向向上是不行的

我们改为反压输出二极管方向朝下

好这个电路呢看起来比较复杂

分析它的工作过程比较困难

但我们只要坚持

牢记开关闭合就是导线开关断开就擦掉这个原则

多复杂的电力电子电路都是可以分析出来的

我们看开关闭合的时候

导通成为导线

这个开关呢断开

那么现在电流的方向

L1 是顺时针 L2 是逆时针

我们在标定电压正方向以后

根据两个回路电流

我们可以列出电感 L1 电感 L2 上的电压

一个方程组

当开关断开的时候呢

我们把 SW 抹掉

把二极管等效为导线

这个时候 L1 电流方向是不能变的

它依然是顺时针

L2 是逆时针

我们来对比一下开关前后电流对比

开关闭合两个网孔

开关断开两个网孔

电感电流方向没有改变

所以是正确的

我们来看开关断开时的电感电压

根据这两个网孔

列出了电感断开时的两个电感电压表达式

同样根据稳态时

电感电压平均值为零

第一个是 L1 的

第二个是 L2 的

代入方程求解

我们呢就可以求解出输出电压的表达式

负的 TON/TOFF

负压输出

可增可减

也就是可以是升压也可以是降压

我们对比升降压电路和 Cuk 电路

Cuk 电路显然要比升降压电路复杂

它增加了一个电感

增加了一个电容

但是呢它实现了输入和输出电流都是连续的

它们两个的输出电压表达式也都是一样的

这里我需要提一句

我本人我能够一次性画出

Buck 电路画得出 Boost 电路

但是对于升降压和 Cuk 电路

我从来都不能一次性把它画出来

因为我没有去死记硬背

时间久了你也不可能把它背下来

而我每次都是去重新推导

升降压电路和 Cuk 电路是什么样子的

这个才代表你真正掌握它的设计过程它的原理

那么 Cuk 电路中有关电感、开关频率啊

滤波电容、负载轻重的仿真呢

大家可以自行完成

Cuk 电路在理论上非常完美

但是由于它电路比较复杂参数很难设定

所以其实我们最常用的斩波电路

还是 Buck、Boost 和 Buck-Boost 三种

我们下面讲一下

Sepic 和 Zeta 斩波电路

前面我们提到 Cuk 电路是反压输出

正压输出我们是没法做到

输入和输出电流均连续的

在基本斩波电路中还有 Sepic 和 Zeta 两种

它们可以做到正压输出

就是可升可降的正压输出

但仅能保证一个电流连续

Cuk 是两个连续但是是负压

那么 Sepic 电路呢

输入连续, Zeta 电路呢输出连续

我们同样

我们来看看 Sepic 和 Zeta 的设计过程

我们这回我们来尝试设计一下

输入电流不连续的电路该长什么样

既然 Buck-Boost 输入输出都不连续我们就

从它那里找灵感

把它的前级取出来

这就是输入电流不连续的拓扑

同样用 Buck-Boost 我们看输出不连续

取出后半级输出不连续

电感没有跟负载直接串联

输出就不会连续

那么这个输出

根据二极管电流的方向它是负压输出

Buck-Boost 负压输出

我们当然也有可能

是正压输出不连续电流方向朝这儿

而且我们 Sepic 和 Zeta 电路说了它是正压输出

我们用的输出不连续的拓扑是后面这个

好了我们有了元件我们现在开始组装

Sepic 电路选取

输入连续和输出不连续的零件进行组合

同样用电容进行级联

这个就是 Sepic 电路

输入连续因为直接串联电容

输出不连续

那么 Zeta 电路选取输入不连续的组合

和输出电流连续

输入不连续输出连续直接串联了电感

同样用电容进行级联

这就是 Zeta 电路

那么我们像 Cuk 电路那样列方程组

一样可以求出 Sepic 和 Zeta 的输出电压表达式

这个表达式呢和 Cuk 电路

只有符号相反

其它都是一样的我们就不再详细推导

好这节课就到这里

我们接下来讲剩下的三种斩波电路

Cuk、Speic 和 Zeta 斩波电路

那么首先肯定大家有疑问

我们为什么还要学习其它斩波电路

那么我们已经学了降压、升压

特别是还有升降压

我们看升降压斩波电路

比起 Buck 和 Boost 没有增加任何元件

但它可以升压也可以降压

已经很完美了

我们为什么还要学习其它斩波电路呢

主要涉及这么一个问题

输入输出电流连续问题

那么输入端串联电感

比如说 Boost 电路

输入端电源这里有个电感

那么对于 V1 这个电源来说它的电流就是连续的

这样可以提高它的功率因数

如果输出端串联电感

比如说 Buck 电路

在负载这端有电感

它可以明显地减小输出的纹波

比如说输入电流连续和输出电流连续都是有好处的

其中呢Buck 电路和 Boost 电路各占一个好处

但是呢Buck 电路

输入是不连续的

这个电流被开关断开了它的输出是不连续的

我们再看 Buck-Boost 电路

它的输入断开

输出也是断开的

D1 这个二极管肯定不会永远导通

永远导通就是导线了,它会有导通和不导通的时候

所以对于 Buck-Boost 来说输入输出均不连续

那么有一种斩波电路

可以同时做到输入、输出电流均连续

那么它就是传说中的Cuk电路

Cuk 电路比较复杂

如果我直接就把 Cuk 电路的拓扑画给你看的话

你们永远记不住

所以我们来试图还原

Cuk 电路的设计过程是怎么样的

那么如何让输入电流连续呢

我们可以从 Boost 电路中取得灵感

因为 Boost 电路它的输入是连续的

那么就是在输入电压端

直接串联电感没有支路

因为电感是保持电路连续的

所以这样一来电感电流就可以连续

我们把 Boost 电路的输入部分提取出来

作为一个输入单元

这是输入连续的输入单元

那么怎么让输出电流连续呢

我们可以从 Buck 电路取得灵感

那么当负载 Co 和 RL整个称为负载

它直接串联有电感

而没有其它支路的时候它的输出连续

那么根据续流电流的方向

顺时针的话

我们得到的是正压输出

当然我们也有可能电流连续

但是是负压输出的情况

也就是二极管方向朝下

电感电流这么流，下正

这是负压输出

但两种都由于直接串联电感

它们的电流是连续的

我们先假定 Cuk 电路是正压输出

那么把电流连续的输入和电流连续的输出直接级联

那么这样有没有问题呢,有问题

在稳态时电感 L1 和电感 L2 上的电压平均值为零

你用导线直连, 那么 Ui、Uo 就根本不会有电压差

你就没有电压的功能

那么我们学的三种基本元件里面

电容的两端是可以形成压差

所以我们

前后级级联用一只电容进行级联

那么 Ui 和 Uo 就可以有压差了

我们来分析一下

L1 的电流一定是顺时针的

开关闭合一定是顺时针的

那么当开关断开以后L1 的电流只能往

还是从左往右流

给电容 C1 进行充电

那么当开关闭合和断开这两个时间段

电容一个是充一个是放, 它得电流交替进行

也就说开关断开和闭合

闭合以后

电容上的电流只能是逆时针的

红颜色的箭头方向

那么这个问题

这是短路的

也就是说我现在选取为正压输出

二极管方向向上是不行的

我们改为反压输出二极管方向朝下

好这个电路呢看起来比较复杂

分析它的工作过程比较困难

但我们只要坚持

牢记开关闭合就是导线开关断开就擦掉这个原则

多复杂的电力电子电路都是可以分析出来的

我们看开关闭合的时候

导通成为导线

这个开关呢断开

那么现在电流的方向

L1 是顺时针 L2 是逆时针

我们在标定电压正方向以后

根据两个回路电流

我们可以列出电感 L1 电感 L2 上的电压

一个方程组

当开关断开的时候呢

我们把 SW 抹掉

把二极管等效为导线

这个时候 L1 电流方向是不能变的

它依然是顺时针

L2 是逆时针

我们来对比一下开关前后电流对比

开关闭合两个网孔

开关断开两个网孔

电感电流方向没有改变

所以是正确的

我们来看开关断开时的电感电压

根据这两个网孔

列出了电感断开时的两个电感电压表达式

同样根据稳态时

电感电压平均值为零

第一个是 L1 的

第二个是 L2 的

代入方程求解

我们呢就可以求解出输出电压的表达式

负的 TON/TOFF

负压输出

可增可减

也就是可以是升压也可以是降压

我们对比升降压电路和 Cuk 电路

Cuk 电路显然要比升降压电路复杂

它增加了一个电感

增加了一个电容

但是呢它实现了输入和输出电流都是连续的

它们两个的输出电压表达式也都是一样的

这里我需要提一句

我本人我能够一次性画出

Buck 电路画得出 Boost 电路

但是对于升降压和 Cuk 电路

我从来都不能一次性把它画出来

因为我没有去死记硬背

时间久了你也不可能把它背下来

而我每次都是去重新推导

升降压电路和 Cuk 电路是什么样子的

这个才代表你真正掌握它的设计过程它的原理

那么 Cuk 电路中有关电感、开关频率啊

滤波电容、负载轻重的仿真呢

大家可以自行完成

Cuk 电路在理论上非常完美

但是由于它电路比较复杂参数很难设定

所以其实我们最常用的斩波电路

还是 Buck、Boost 和 Buck-Boost 三种

我们下面讲一下

Sepic 和 Zeta 斩波电路

前面我们提到 Cuk 电路是反压输出

正压输出我们是没法做到

输入和输出电流均连续的

在基本斩波电路中还有 Sepic 和 Zeta 两种

它们可以做到正压输出

就是可升可降的正压输出

但仅能保证一个电流连续

Cuk 是两个连续但是是负压

那么 Sepic 电路呢

输入连续, Zeta 电路呢输出连续

我们同样

我们来看看 Sepic 和 Zeta 的设计过程

我们这回我们来尝试设计一下

输入电流不连续的电路该长什么样

既然 Buck-Boost 输入输出都不连续我们就

从它那里找灵感

把它的前级取出来

这就是输入电流不连续的拓扑

同样用 Buck-Boost 我们看输出不连续

取出后半级输出不连续

电感没有跟负载直接串联

输出就不会连续

那么这个输出

根据二极管电流的方向它是负压输出

Buck-Boost 负压输出

我们当然也有可能

是正压输出不连续电流方向朝这儿

而且我们 Sepic 和 Zeta 电路说了它是正压输出

我们用的输出不连续的拓扑是后面这个

好了我们有了元件我们现在开始组装

Sepic 电路选取

输入连续和输出不连续的零件进行组合

同样用电容进行级联

这个就是 Sepic 电路

输入连续因为直接串联电容

输出不连续

那么 Zeta 电路选取输入不连续的组合

和输出电流连续

输入不连续输出连续直接串联了电感

同样用电容进行级联

这就是 Zeta 电路

那么我们像 Cuk 电路那样列方程组

一样可以求出 Sepic 和 Zeta 的输出电压表达式

这个表达式呢和 Cuk 电路

只有符号相反

其它都是一样的我们就不再详细推导

好这节课就到这里