专利名称：带抽头电感大变比降压Cuk电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非隔离大变比降压Cuk电路，特别是一种带有抽头电感的输入输出电压大变比降压Cuk电路。
背景技术：
航天航空、计算机、远程数据通讯、家用电器、交通和工业控制等领域电力电子装置的大量使用及可再生能源系统的快速发展，可实现高质量功率控制的直流变换器(DC-DCConverter)成为必要和关键技术。直流变换器可分为非隔离型与隔离型两大类。非隔离型直流变换器包括基本的Buck (降压型)变换器，Boost (升压型)变换器，Buck-Boost变换器，Boost-Buck变换器(Cuk变换器)；由基本降压或升压型直流变换器组合构成的复合型变换器。隔离型直流变换器是在基本直流变换器中引入隔离变压器构成，在变换器的输入电源与负载之间实现电气隔离，提高变换器运行的安全可靠性与电磁兼容性。非隔离降压直流变换器中=Buck变换器由于其结构简单而获得了广泛的应用，但Buck变换器输入/输出电流周期性不连续也带来了 EMC问题及较大的输出电压纹波；Buck-Boost变换器输出端与输入端的极性相反，且功率MOS管的电流应力较大，功率MOS管损耗较大；Cuk电路输入输出两端都具有电感,可实现输入与输出电流均连续,但其输入与输出电压极性相反，存在与Buck-Boost电路同样的电压应力问题。降压Cuk电路是在典型的Cuk电路的基础上发展起来的，它不仅具有Cuk电路输入输出都具有电感，容易实现输入输出电流连续、脉动小、EMI效果好等特点，同时它也具有一部分Buck电路的特性，比如输出与输入极性相同、输出与输入电压的变比关系一致、功率器件的电压应力小等优点。由于降压Cuk电路具有Buck电路的输出输入电压变比关系，在输入输出电压大变比的应用场合下，驱动器输出的PWM波占空比很小，容易受到干扰，给驱动电路的设计带来难度。另外，在非常小的开通时间内，开关可能会来不及响应，占空比小将影响电路的转换效率。本发明在实现大变比降压的条件下，可以使驱动的PWM具有合理的占空比，实现高效变换。LED 照明驱动、通讯、IPM (Intelligent Power Module)驱动、MCU 供电、继电器和交流开关供电等领域中，许多应用场合都需要降压电路。但是，现有使用降压电路多存在转换效率低、输入输出纹波大、EMI问题大等不足。因此，合适的大变比降压电路发明变得很有必要，具有良好的发展前景。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种带抽头电感大变比降压Cuk电路，实现高效降压输出，减少电压应力并能同时达到输出与输入电压极性相同。本发明采用以下方案实现一种带抽头电感大变比降压Cuk电路，包括一输入直流电压源，其特征在于所述输入直流电压源的正极连接一第一电感的第一端，负极接地；所述第一电感的第二端连接一第二电感的第一端和一中间电容的一端；所述中间电容的另一端连接一第三电感的第一端和一二极管的阳极；所述第三电感电感的第二端连接到地；所述第二电感的第二端连接一功率开关管的一端；所述功率开关管的另一端连接所述二极管的阴极、一输出电解电容的正极和一负载的一端；所述功率开关管的控制端连接一 PWM控制信号；所述输出电解电容的负极和所述负载的另一端连接到地。在本发明一实施例中，所述二极管为功率半导体快恢复二极管。在本发明一实施例中，所述功率开关管是一 MOSFET ;此时，所述功率开关管的一端是所述MOSFET的漏极，所述功率开关管的另一端是所述MOSFET的源极，所述功率开关管的控制端是所述MOSFET的栅极。在本发明一实施例中，所述第一电感和所述第二电感共用一个磁芯,稱合同名端为所述第一电感的第一端和所述第二电感的第一端。在本发明一实施例中，所述第三电感与所述第一电感及所述第二电感共用一个磁芯，耦合同名端为所述第一电感的第一端、所述第二电感的第一端和所述第三电感的第二端。本发明提供的技术方案具有以下优点
1.输入电感带有抽头，可以通过调整抽头电感的匝数比来拓宽占空比实现输入输出电压的大变比降压；
2.输入输出都有一个电感，有比Buck电路更小的输入输出纹波及更好的EMI特性；
3.在整个开关周期，输入电源都向负载提供能量，提高了变换器的工作效率；
4.电感L3可以进一步与电感L1、L2共用一个磁芯，提高功率密度和减小体积。本发明能实现高效无电气隔离大变比降压输出，实现拓宽PWM占空比控制，实现高效降压输出，减少电压应力并能同时达到输出与输入电压极性相同，具有输入与输出极性相同等特点，同时输入输出电流连续且脉动小，EMI效果好。
图1是本发明带抽头电感大变比降压Cuk电路原理图。图2是本发明带抽头电感大变比降压Cuk电路在电感电流连续模式工作，功率MOS管S导通时的工作模态示意图。图3是本发明带抽头电感大变比降压Cuk电路在电感电流连续模式工作，功率MOS管S关断时的工作模态示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。本发明提供一种带抽头电感大变比降压Cuk电路，包括一输入直流电压源，其特征在于所述输入直流电压源的正极连接一第一电感的第一端，负极接地；所述第一电感的第二端连接一第二电感的第一端和一中间电容的一端；所述中间电容的另一端连接一第三电感的第一端和一二极管的阳极；所述第三电感电感的第二端连接到地；所述第二电感的第二端连接一功率开关管的一端；所述功率开关管的另一端连接所述二极管的阴极、一输出电解电容的正极和一负载的一端；所述功率开关管的控制端连接一 PWM控制信号；所述输出电解电容的负极和所述负载的另一端连接到地。请参见图1，图1为本发明的具体实施例的电路连接示意图。本实施例提供一种带抽头电感大变比降压Cuk电路，包括一输入直流电压源Uin，其特征在于所述输入直流电压源Uin的正极连接一第一电感LI的第一端,负极接地；所述第一电感LI的第二端连接一第二电感L2的第一端和一中间电容C的一端；所述中间电容C的另一端连接一第三电感L3的第一端和一二极管D的阳极；所述第三电感电感L3的第二端连接到地；所述第二电感L2的第二端连接一功率MOSFET开关管S的漏极；所述功率MOSFET开关管S的源极连接所述二极管D的阴极、一输出电解电容Co的正极和一负载RL的一端；所述功率MOSFET开关管S的控制端连接一 PWM控制信号，在本实施例中，所述PWM控制信号由一 PWM控制驱动器产生；所述输出电解电容Co的负极和所述负载RL的另一端连接到地。所述二极管D为功率半导体快恢复二极管。所述第一电感LI和所述第二电感L2共用一个磁芯，耦合同名端为所述第一电感LI的第一端和所述第二电感L2的第一端。在本发明另一实施例中，可采取的另一种形式是在原有基础上进一步提高电路功率密度，提供一种带抽头电感大变比降压Cuk电路，包括一输入直流电压源Uin，其特征在于所述输入直流电压源Uin的正极连接一第一电感LI的第一端，负极接地；所述第一电感LI的第二端连接一第二电感L2的第一端和一中间电容C的一端；所述中间电容C的另一端连接一第三电感L3的第一端和一二极管D的阳极；所述第三电感电感L3的第二端连接到地；所述第二电感L2的第二端连接一功率MOSFET开关管S的漏极；所述功率MOSFET开关管S的源极连接所述二极管D的阴极、一输出电解电容Co的正极和一负载RL的一端；所述功率MOSFET开关管S的控制端连接一 PWM控制信号，在本实施例中，所述PWM控制信号由PWM控制驱动器产生；所述输出电解电容Co的负极和所述负载RL的另一端连接到地。所述二极管D为功率半导体快恢复二极管。所述第三电感L3与所述第一电感LI及所述第二电感L2共用一个磁芯，耦合同名端为所述第一电感的第一端、所述第二电感的第一端和所述第三电感的第二端，提高电路的功率密度并减小体积。需要说明的是，本发明中的输出负载既可以是电阻负载，也可以是其他任意形式的负载，并不限于某一种具体负载。由于抽头电感的引入，可以采用合理的PWM占空比实现输入输出电压大降压比，提高电路的效率。下面结合图1中的具体实施例具体说明本发明带抽头电感大变比降压Cuk电路在电感电流连续模式(CCM模式)下的具体工作模态，如图2和图3所示。参照图2，在功率MOSFET开关管S导通时，输入的输入直流电压源Uin通过功率MOSFET开关管S对耦合第一电感LI和第二电感L2进行充电，同时提供给输出负载RL输出电压并对输出电容Co充电。中间电容C通过功率MOSFET开关管S对输出负载RL放电，同时对第二电感L2和第三电感L3进行充电。此时，快恢复二极管D承受反向压电压而截止。参照图3，在功率MOSFET开关管S截止时，输入的输入直流电压源Uin和第一电感LI上的能量通过快恢复二极管D传递到负载RL上，同时对中间电容C进行充电。此时第二电感L2所在支路断开，由于耦合第一电感LI和第二电感L2共用一个磁芯，第二电感L2储存的能量通过第一电感LI释放。第三电感L3通过快恢复二极管D对负载RL和输出电容Co放电。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种带抽头电感大变比降压Cuk电路，包括一输入直流电压源，其特征在于所述输入直流电压源的正极连接一第一电感的第一端，负极接地；所述第一电感的第二端连接一第二电感的第一端和一中间电容的一端；所述中间电容的另一端连接一第三电感的第一端和一二极管的阳极；所述第三电感电感的第二端连接到地；所述第二电感的第二端连接一功率开关管的一端；所述功率开关管的另一端连接所述二极管的阴极、一输出电解电容的正极和一负载的一端；所述功率开关管的控制端连接一 PWM控制信号；所述输出电解电容的负极和所述负载的另一端连接到地。
2.根据权利要求1所述的带抽头电感大变比降压Cuk电路，其特征在于所述二极管为功率半导体快恢复二极管。
3.根据权利要求1所述的带抽头电感大变比降压Cuk电路，其特征在于所述功率开关管是一 MOSFET ;所述功率开关管的一端是所述MOSFET的漏极，所述功率开关管的另一端是所述MOSFET的源极，所述功率开关管的控制端是所述MOSFET的栅极。
4.根据权利要求1所述的带抽头电感大变比降压Cuk电路，其特征在于所述第一电感和所述第二电感共用一个磁芯，耦合同名端为所述第一电感的第一端和所述第二电感的笛一雜兎顧。
5.根据权利要求1所述的带抽头电感大变比降压Cuk电路，其特征在于所述第三电感与所述第一电感及所述第二电感共用一个磁芯，耦合同名端为所述第一电感的第一端、所述第二电感的第一端和所述第三电感的第二端。
全文摘要
本发明涉及一种带抽头电感大变比降压Cuk电路，包括一输入直流电压源，其特征在于所述输入直流电压源的正极连接一第一电感的第一端，负极接地；所述第一电感的第二端连接一第二电感的第一端和一中间电容的一端；所述中间电容的另一端连接一第三电感的第一端和一二极管的阳极；所述第三电感电感的第二端连接到地；所述第二电感的第二端连接一功率开关管的一端；所述功率开关管的另一端连接所述二极管的阴极、一输出电解电容的正极和一负载的一端；所述功率开关管的控制端连接一PWM控制信号；所述输出电解电容的负极和所述负载的另一端连接到地。本发明通过第一电感和第二电感的相互耦合，实现输出与输入电压的大变比降压。
文档编号H02M3/155GK103023319SQ20121048389
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者林维明, 洪翠, 何宏伟 申请人:福州大学