CN101877536B

CN101877536B - 双极型晶体管型自激式Cuk变换器

Info

Publication number: CN101877536B
Application number: CN2010102110972A
Authority: CN
Inventors: 陈怡�
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Suzhou Xiling Control Technology Co Ltd
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-06-28
Also published as: CN101877536A

Abstract

一种双极型晶体管型自激式Cuk变换器，包括电感L1、NPN晶体管Q1、电容C2、二极管D1、电感L2和电容C3组成Cuk变换器的主回路，NPN晶体管Q1的发射极与直流输入电压Vi的负端相连，电感L1和电容C2的接点与NPN晶体管Q1的集电极相连，NPN晶体管Q2的发射极与NPN晶体管Q1的发射极相连，NPN晶体管Q2的集电极与NPN晶体管Q1的基极相连，NPN晶体管Q1的基极还通过电阻R1接于直流输入电压Vi的正端，电阻R2和电阻R3的串联支路并接于Q1的发射极和集电极两端，电阻R2和电阻R3的接点与NPN晶体管Q2的基极相连。本发明电路结构简单、元器件数目少、拓宽应用范围。

Description

双极型晶体管型自激式Cuk变换器

技术领域

本发明涉及自激式直流-直流变换器，应用于小功率开关稳压/稳流电源、高亮度LED驱动电路等，尤其是一种自激式Cuk变换器。

背景技术

与小功率线性电源和小功率他激式DC-DC变换器相比，小功率自激式DC-DC变换器具有电路结构简单、元器件数目少、成本低、自启动和自保护性能好、适用工作电压范围宽、效率高等优点。

中国专利ZL99108088.2公开了一种自激式降压DC-DC变换器，如图1所示。由PNP晶体管Q1、耦合电感L1、二极管D1和电容C2组成Buck变换器的主回路，Vi、Vo分别为直流输入、输出电压，R7为负载。耦合电感L2通过电容C1和电阻R3分别与Q1的发射极和基极相连，PNP晶体管Q2的发射极和集电极也分别与Q1的发射极和基极相连。Q1的基极由电阻R4接到Vi的负端。R1和R2相串联并接于Q1的发射极和NPN晶体管Q3的集电极两端，R1和R2的接点与Q2的基极相连。R5和R6的串联支路并接于Vo两端，R5和R6的接点与Q3的基极相连。Q3的发射极接于Vi的负端。该自激式降压DC-DC变换器的工作原理如下：当电路刚上电时，Q1饱和导通，D1、Q2均截止，Vi、Q1、L1、C2、R7、R5、R6形成回路，L1和C2都处于充电储能状态。在充电过程中，L1的电流增加，电路的输出电压增加，相应地Q1的射集极电压也随之增加，Q1的工作点逐渐退出饱和区，同时L1两端的电压下降。通过耦合L2两端的电压也随之减小，同时加大了对Q1基极电流的分流量，造成Q1的基极电流和集电极电流减小，进一步增加Q1的射集极电压，电路进入一种强烈的正反馈。这种正反馈工作的结果是Q1的集电极电流迅速减小，当小于L1的电流时D1就开始导通为L1续流，随后Q1截止。此时，L1、C2、R7、R5、R6和D1形成回路，L1进入放电释能状态。待L1放电结束，D1截止，Q1又重新饱和导通，进入下一个自激周期。经历若干个周期后，当输出电压达到设定值Vo，电压反馈支路R5、R6、Q3、R1、R2和Q2开始工作。当输出电压高于设定值时，Q3导通，导致Q2导通并分流一部分Q1的基极电流，达到缩短Q1导通时间、延长Q1关断时间的目的；当输出电压低于设定值时，Q3截止，导致Q2截止，Q1的开关时间又恢复原样。由此，电路实现输出稳压。该电路的不足之处在于：必需耦合电感L2参与电路的自激工作，耦合电感L1和L2制作较复杂，电路元器件数目较多，对减小产品的成本和体积不利。

中国专利ZL00122441.7公开了一种自激式升压DC-DC变换器，如图2所示。由NPN晶体管Q1、电感L1、二极管D1和电容C1组成Boost变换器的主回路，Vi、Vo分别为直流输入、输出电压，R4为负载。NPN晶体管Q2的集电极和发射极分别与Q1的基极和发射极相连。Q1的基极还通过电阻R1与Vi的正端相连。Q2的基极与R2和R3相连。R2的另一端与Q1的集电极相连。R3的另一端则通过稳压管Z1接于Vo的正端。该自激式升压DC-DC变换器的工作原理如下：当电路刚上电时，Q1饱和导通，二极管D1截止，Vi、L1、Q1形成回路，L1处于充电储能状态。在充电过程中，电感L1的电流增加，相应地Q1的集射极电压也随之增加，Q1的工作点逐渐退出饱和区。当Q1集射极电压增加到一定值以后，Q2的基极电流和集电极电流开始增加。同时，由于Q2对Q1基极电流的分流作用，Q1的基极电流、集电极电流开始减小，进一步增加Q1的集射极电压，电路进入一种强烈的正反馈。这种正反馈工作的结果是Q1的集电极电流迅速减小，当小于L1的电流时D1将导通为L1续流，随后Q1截止。此时，Vi、L1、D1、C1和R4形成回路，L1进入放电释能状态，电路的输出电压随之增加。待L1放电结束，D1截止，Q1又重新饱和导通，进入下一个自激周期。经历若干个周期后，当输出电压达到设定值Vo，电压反馈支路Z1、R3、Q2开始工作。当输出电压高于设定值时，Z1导通，加大了Q2集电极电流对Q1基极电流的分流作用，达到缩短Q1导通时间、延长Q1关断时间的目的；当输出电压低于设定值时，Z1截止，Q1的开关时间又恢复原样。由此，电路实现输出稳压。该电路的不足之处在于：只能实现电路的升压变换，应用范围有限。

发明内容

为了克服现有的自激式降压DC-DC变换器电路结构复杂、元器件数目较多，以及自激式升压DC-DC变换器应用范围较窄的不足，本发明提供一种电路结构简单、元器件数目少、拓宽应用范围的双极型晶体管型自激式Cuk变换器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双极型晶体管型自激式Cuk变换器，包括电感L1、NPN晶体管Q1、电容C2、二极管D1、电感L2和电容C3组成Cuk变换器的主回路，负载R6两端的电压为直流输出电压Vo，直流输入电压Vi的负端与直流输出电压Vo的正端相连，所述负载R6与电容C3并联，所述直流输出电压Vo的负端和电容C3的接点与电感L2的一端相连，所述电感L2的另一端分别与电容C2的一端、二极管D1的阳极相连，所述二极管D1的阴极与直流输入电压Vi的负端相连，所述电容C2的另一端与电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端与所述直流输入电压Vi的正端相连，所述直流输出电压Vo的正端和电容C3的接点与直流输入电压Vi的负端相连，所述自激式Cuk变换器还包括NPN晶体管Q2，NPN晶体管Q1的发射极与直流输入电压Vi的负端相连，电感L1和电容C2的接点与NPN晶体管Q1的集电极相连，NPN晶体管Q2的发射极与NPN晶体管Q1的发射极相连，NPN晶体管Q2的集电极与NPN晶体管Q1的基极相连，NPN晶体管Q1的基极还通过电阻R1接于直流输入电压Vi的正端，电阻R2和电阻R3的串联支路并接于Q1的发射极和集电极的阳极两端，电阻R2和电阻R3的接点与NPN晶体管Q2的基极相连。

作为优选的一种方案，所述自激式Cuk变换器还包括电压反馈支路，稳压管Z1和电阻R5的串联支路并接于直流输出电压Vo两端，稳压管Z1和电阻R5的接点和NPN晶体管Q3的基极相连；NPN晶体管Q3的集电极通过电阻R4和NPN晶体管Q1的基极相连，NPN晶体管Q3的发射极接于直流输出电压Vo的负端。

作为优选的另一种方案，所述自激式Cuk变换器还包括电流反馈支路：检测电阻R5和电容C4的并联支路一端与电阻R6和NPN晶体管Q3的基极相连，另一端则与电容C3和NPN晶体管Q3的发射极相连；NPN晶体管Q3的集电极通过电阻R4和NPN晶体管Q1的基极相连，NPN晶体管Q3的发射极接于电容C3和电感L2的接点。

更进一步，所述电阻R3两端并联电容C1，可加快Q2和Q1的开关速度。

所述自激式Cuk变换器还包括二极管D2，NPN晶体管Q1的集电极和电容C2的接点与二极管D2的阴极连接，电感L1与电阻R3的接点与二极管D2的阳极连接，可防止电感L1的电流倒流利于电路自激工作。

本发明的技术构思为：将双BJT自激基本单元电路应用于Cuk变换器中，使它们成为新的自激式DC-DC变换器(如图3、4所示)。双BJT自激基本单元电路由晶体管Q1和Q2、电阻R2和R3组成。为改善Q2和Q1的开关工作状态从而提高电路的效率，可在R3两端并联电容C1。其特征如下：Q1为Cuk变换器主回路中的开关器件，它的发射极和基极分别与Q2的发射极和集电极相连。采用电阻R2和R3组成分压电路检测Q1的射集极电压，所得检测电压接入Q2的基极。根据Q1射集极电压，Q2改变其集电极电流对Q1基极电流的分流量，从而实现控制Q1的导通和关断时间。需特别说明的是，适用于Cuk变换器的双BJT自激基本单元电路中的Q1和Q2均为NPN晶体管。此外，针对BJT型自激式Cuk变换器，为更有利于电路的启动、防止主回路中输入侧电感L1的电流iL1出现倒流现象，可在电感L1处串联二极管D2。

为获得稳定的输出电压，在电路输出端与双BJT自激基本单元电路之间可增加一电压反馈支路，可由NPN晶体管Q3、稳压管Z1、电阻R4和R5等组成(如图3)。为获得稳定的输出电流，那么在电路输出端与双BJT自激基本单元电路之间可增加一电流反馈支路，可由NPN晶体管Q3、电阻R4、R5和电容C4等组成(如图4)。

本发明的有益效果主要表现在：本发明提出的BJT型自激式Cuk变换器具有反极性的升降压电压变换功能，电路结构简单、元器件数目少，即不需要耦合电感参与电路的自激工作，又弥补了电压变换功能单一的不足，非常适合小功率开关稳压/稳流电源、高亮度LED驱动电路等应用。

附图说明

图1是现有的自激式降压DC-DC变换器的电路图。

图2是现有的自激式升压DC-DC变换器的电路图。

图3是实施例1的双极型晶体管型自激式Cuk变换器的电路图。

图4是实施例2的双极型晶体管型自激式Cuk变换器的电路图。

图5是实施例1的双极型晶体管型自激式Cuk变换器的典型工作波形图。

图6是实施例2的双极型晶体管型自激式Cuk变换器的典型工作波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图3和图5，一种双极型晶体管型自激式Cuk变换器，包括电感L1、NPN晶体管Q1、电容C2、二极管D1、电感L2和电容C3组成Cuk变换器的主回路，负载R6两端的电压为直流输出电压Vo，直流输入电压Vi的负端与直流输出电压Vo的正端相连，所述负载R6与电容C3并联，所述直流输出电压Vo的负端和电容C3的接点与电感L2的一端相连，所述电感L2的另一端分别与电容C2的一端、二极管D1的阳极相连，所述二极管D1的阴极与直流输入电压Vi的负端相连，所述电容C2的另一端与电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端与所述直流输入电压Vi的正端相连，所述直流输出电压Vo的正端和电容C3的接点与直流输入电压Vi的负端相连，所述自激式Cuk变换器还包括NPN晶体管Q2，NPN晶体管Q1的发射极与直流输入电压Vi的负端相连，电感L1和电容C2的接点与NPN晶体管Q1的集电极相连，NPN晶体管Q2的发射极与NPN晶体管Q1的发射极相连，NPN晶体管Q2的集电极与NPN晶体管Q1的基极相连，NPN晶体管Q1的基极还通过电阻R1接于直流输入电压Vi的正端，电阻R2和电阻R3的串联支路并接于Q1的发射极和集电极两端，电阻R2和电阻R3的接点与NPN晶体管Q2的基极相连。

所述自激式Cuk变换器还包括二极管D2，NPN晶体管Q1的集电极和电容C2的接点与二极管D2的阴极连接，电感L1与电阻R3的接点与二极管D2的阳极连接。

图3所示的输出电压稳定的BJT型自激式Cuk变换器采用了电压反馈支路：稳压管Z1和R5的串联支路并接于Vo两端，Z1和R5的接点和NPN晶体管Q3的基极相连；Q3的集电极通过电阻R4和Q1的基极相连，Q3的发射极接于Vo的负端。此外，在双BJT自激基本单元电路的R3两端并联电容C1，可改善Q2和Q1的开关工作状态，对提高电路的效率有帮助。

图5为图3所示实施例1的BJT型自激式Cuk变换器的典型工作波形图。其电路工作原理具体如下：

(1)电路上电启动阶段：当电路刚上电时即t＝0，Q1饱和导通。Vi、L1、D2和Q1形成回路。此时Q1的基极电流iQb1＝(Vi-VQbe)/R1，Q1的集射极电压vQce1很小。经R2和R3分压检测到的电压还未达到令Q2导通的水平，Q2处于截止状态。除了Vi、L1、D2和Q1的回路，同时还存在着Vi、L1、D2、C2和D1的谐振回路以及Vi、L1、D2、C2、L2、C3和R6的谐振回路。D1处于导通状态。L1和C2处于充电储能状态。L2和C3也处于充电储能状态，但是iL2＜0、vo＜0。流过L1的电流iL1近似正弦上升，C2两端电压vC2近似余弦上升。在iL1和vC2上升的同时，iQc1和vQce1也在增加。当iQc1上升并超过HFE*iQb1时，Q1的工作点退出饱和区。随着vQce1的继续增加，R2和R3分压检测到的电压达到了令Q2导通的水平，Q2的集电极电流分流iQb1，使Q1截止。但是，Vi、L1、D2、C2和D1的谐振回路以及Vi、L1、D2、C2、L2、C3和R6的谐振回路依然工作。t＝t0时刻谐振回路工作结束，iL1、iL2谐振回到零点，而vC2则谐振到最高点。由于D2的存在，消除了iL1变为负的可能。此时，R2和R3分压检测到的电压又回到了不能令Q2导通的水平，Q2截止，Q1重新导通，D1截止。Vi、L1、D2和Q1形成回路，L1再次处于充电储能状态，流过L1的电流iL1近似线性上升。而C2则通过Q1向C3、R6和L2释放能量，C2两端电压下降，而流过L2的电流iL2近似线性上升，C3两端电压vo也在增加。在iL1、iL2上升的同时，iQc1和vQce1也在增加。当iQc1上升并超过HFE*iQb1时，Q1的工作点退出饱和区，vQce1开始迅速上升。当R2和R3分压检测到的电压已能令Q2导通时，Q2的集电极电流开始分流一部分iQb1，iQb1的减小会进一步使vQce1增加，电路进入一种强烈的正反馈。这种双BJT自激基本单元电路正反馈工作的结果是Q1的集电极电流iQc1迅速减小，当iQc1小于电感电流iL1+iL2之和时D1就开始导通为L1和L2续流，随后Q1截止。t＝t1时刻Vi、L1、D2、C2和D1形成回路，L2、D1、C3和R6形成回路。L1和L2都进入放电释能状态，C2两端电压和电路的输出电压随之增加。t＝t2时刻iL1近似线性下降至零，Q1再次导通，D1截止。电路进入下一个自激周期。历经若干个周期，当电路的输出电压达到设定值Vo以后，电路就完成了上电启动过程，进入稳态工作阶段。

(2)电路稳态工作阶段：当电路的输出电压达到设定值Vo以后，电路的电压反馈支路就开始起作用。当输出电压高于设定值时，Q3导通，加大双BJT自激基本单元电路中Q3集电极电流对Q1基极电流的分流作用，达到缩短Q1导通时间(即t4-t3)、延长Q1截止时间(即t5-t4)的目的。当输出电压低于设定值时，Q3截止，双BJT自激基本单元电路独立工作，Q1的开关时间又恢复原样。由此，电路可实现输出稳压。

实施例2

参照图4和图6，本实施例还包括电流反馈支路：检测电阻R5和电容C4的并联支路一端与R6和NPN晶体管Q3的基极相连，另一端则与电容C3和NPN晶体管Q3的发射极相连；Q3的集电极通过电阻R4和Q1的基极相连，Q3的发射极接于电容C3和电感L2的接点。

本实施例的工作过程为：

(1)电路上电启动阶段与实施例1相同，历经若干个周期，当电路的输出电流达到设定值Io以后，电路就完成了上电启动过程，进入稳态工作阶段。

(2)电路稳态工作阶段：当电路的输出电流达到设定值Io以后，电路的电流反馈支路就开始起作用。当输出电流高于设定值时，Q3导通，加大双BJT自激基本单元电路中Q3集电极电流对Q1基极电流的分流作用，达到缩短Q1导通时间(即t4-t3)、延长Q1截止时间(即t5-t4)的目的。当输出电流低于设定值时，Q3截止，双BJT自激基本单元电路独立工作，Q1的开关时间又恢复原样。由此，电路可实现输出稳流。

本实施例的其他结构和工作过程与实施例1相同。

Claims

1.一种双极型晶体管型自激式Cuk变换器，包括由电感L1、NPN晶体管Q1、电容C2、二极管D1、电感L2和电容C3组成的Cuk变换器的主回路，负载R6两端的电压为直流输出电压Vo，直流输入电压Vi的负端与直流输出电压Vo的正端相连，所述负载R6与电容C3并联，所述直流输出电压Vo的负端和电容C3的接点与电感L2的一端相连，所述电感L2的另一端分别与电容C2的一端、二极管D1的阳极相连，所述二极管D1的阴极与直流输入电压Vi的负端相连，所述电容C2的另一端与电感L1的一端相连，所述电感L1的另一端与所述直流输入电压Vi的正端相连，所述直流输出电压Vo的正端和电容C3的接点与直流输入电压Vi的负端相连，其特征在于：所述自激式Cuk变换器还包括NPN晶体管Q2，NPN晶体管Q1的发射极与直流输入电压Vi的负端相连，电感L1和电容C2的接点与NPN晶体管Q1的集电极相连，NPN晶体管Q2的发射极与NPN晶体管Q1的发射极相连，NPN晶体管Q2的集电极与NPN晶体管Q1的基极相连，NPN晶体管Q1的基极还通过电阻R1接于直流输入电压Vi的正端，电阻R2和电阻R3的串联支路并接于Q1的发射极和集电极两端，电阻R2和电阻R3的接点与NPN晶体管Q2的基极相连。

2.如权利要求1所述的双极型晶体管型自激式Cuk变换器，其特征在于：所述自激式Cuk变换器还包括电压反馈支路，稳压管Z1和电阻R5的串联支路并接于直流输出电压Vo两端，稳压管Z1和电阻R5的接点和NPN晶体管Q3的基极相连；NPN晶体管Q3的集电极通过电阻R4和NPN晶体管Q1的基极相连，NPN晶体管Q3的发射极接于直流输出电压Vo的负端。

3.如权利要求1所述的双极型晶体管型自激式Cuk变换器，其特征在于：所述自激式Cuk变换器还包括电流反馈支路：检测电阻R5和电容C4的并联支路一端与电阻R6和NPN晶体管Q3的基极相连，另一端则与电容C3和NPN晶体管Q3的发射极相连；NPN晶体管Q3的集电极通过电阻R4和NPN晶体管Q1的基极相连，NPN晶体管Q3的发射极接于电容C3和电感L2的接点。

4.如权利要求1~3之一所述的双极型晶体管型自激式Cuk变换器，其特征在于：所述电阻R3两端并联电容C1。