CN102510216A

CN102510216A - 基于MOSFET的自激式Cuk变换器

Info

Publication number: CN102510216A
Application number: CN2011103738926A
Authority: CN
Inventors: 陈怡�; 南余荣
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Jinhu Agricultural And Sideline Products Marketing Association
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: CN102510216B

Abstract

一种基于MOSFET的自激式Cuk变换器，包括由输入电容Ci、电感L1、N型MOSFET M1、电容C、二极管D、电感L2和电容Co组成的Cuk变换器主回路，该自激式Cuk变换器还包括辅助电源U1，采用的单MOSFET基本自激单元电路由N型MOSFET M1、二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2、电容C1、滞环比较器U3和驱动电路U2组成。本发明提供一种效率较高、适用功率范围较宽的基于MOSFET的自激式Cuk变换器。

Description

基于MOSFET的自激式Cuk变换器

技术领域

本发明涉及自激式直流-直流(DC-DC)变换器，应用于开关稳压或稳流电源、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

与线性(稳压或稳流)调节器和他激式DC-DC变换器相比，自激式DC-DC变换器具有性价比高的显著优点。图1给出的是一种基于BJT(双极型晶体管)的自激式Cuk变换器，包括由输入电容Ci、电感L1、二极管D1、NPN型BJT Q1、电容C、二极管D、电感L2和输出电容Co组成的Cuk变换器主回路，输入电容Ci与直流电压源Vi并联，输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo，负载Ro与输出电容Co并联，直流电压源Vi的负端与直流输出电压Vo的正端、NPN型BJT Q1的发射极以及二极管D的阴极相连，直流电压源Vi的正端与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与NPN型BJT Q1的集电极以及电容C的一端相连，电容C的另一端与二极管D的阳极以及电感L2的一端相连，电感L2的另一端与输出电压Vo的负端相连。图1所示基于BJT的自激式Cuk变换器还包括NPN型BJT Q2，NPN型BJT Q2的集电极和发射极分别与NPN型BJT Q1的基极和发射极相连，NPN型BJT Q1的基极还通过电阻R1接于直流电压源Vi的正端，电阻R3和电容C1组成并联支路，所述并联支路的一端与二极管D1的阳极相连，所述并联支路的另一端与NPN型BJT Q2的基极以及电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与NPN型BJT Q2的发射极相连。图1所示基于BJT的自激式Cuk变换器还包括电压反馈支路，稳压管Z1的阴极与直流电压源Vi的负端相连，稳压管Z1的阳极与电阻R5的一端以及NPN型BJT Q3的基极相连，NPN型BJT Q3的发射极与电阻R5的另一端以及直流输出电压Vo的负端相连，NPN型BJT Q3的集电极通过电阻R4与NPN型BJT Q1的基极相连。该电路的不足之处在于：主开关管Q1采用BJT，因BJT的工作特性导致电路效率不够高，比较适合小功率(数瓦级以下)的场合。

发明内容

为克服基于BJT的自激式Cuk变换器效率不够高以及仅仅适用于小功率的不足，本发明提供一种效率较高、适用功率范围较宽的基于MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的自激式Cuk变换器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于MOSFET的自激式Cuk变换器，包括由输入电容Ci、电感L1、N型MOSFET M1、电容C、二极管D、电感L2和电容Co组成的Cuk变换器主回路，输入电容Ci与直流电压源Vi并联，输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo，负载Ro与输出电容Co并联，直流电压源Vi的正端与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与N型MOSFET M1的漏极以及电容C的一端相连，N型MOSFET M1的源极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与直流电压源Vi的负端、二极管D的阴极以及直流输出电压Vo的正端相连，电容C的另一端与二极管D的阳极以及电感L2的一端相连，电感L2的另一端与输出电压Vo的负端相连；所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器还包括辅助电源U1、驱动电路U2和滞环比较器U3；辅助电源U1用于提供驱动电路U2和滞环比较器U3工作所需的直流电源电压，对直流输入电压Vi进行升压或降压的变换处理；驱动电路U2的输入端与滞环比较器U3的输出端连接，驱动电路U2的输出端与N型MOSFETM1的门极相连，驱动电路U2为N型MOSFET M1的开通和关断提供驱动；滞环比较器U3的输入端与电容C1、电阻R1和电阻R2的一端相连，电容C1的另一端与直流电压源Vi的负端相连，电阻R1的另一端与二极管D1的阴极相连，电阻R2的另一端与二极管D2的阳极相连，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极与N型MOSFET M1的漏极相连。

所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器还包括过流保护支路，所述过流保护支路包括电阻R5、电容C2和NPN型BJT Q1，电阻R5的一端与N型MOSFET M1的源极相连，电阻R5的另一端与电容C2的一端以及NPN型BJT Q1的基极相连，电容C2的另一端与NPN型BJT Q1的发射极以及直流电压源Vi的负端相连，NPN型BJT Q1的集电极与滞环比较器U3的输入端相连。

作为优选的一种方案：所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器还包括电压反馈支路，所述电压反馈支路包括电阻R6、电容C3、电阻R7、NPN型BJT Q2和电阻R4，电阻R6和电容C3组成并联支路，所述并联支路的一端与直流输出电压Vo的正端相连，所述并联支路的另一端与电阻R7的一端以及NPN型BJT Q2的基极相连，NPN型BJT Q2的发射极与电阻R7的另一端以及直流输出电压Vo的负端相连，NPN型BJT Q2的集电极通过电阻R4与滞环比较器U3的输入端相连。

作为优选的另一种方案：所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器还包括电流反馈支路，所述电流反馈支路包括检测电阻R8、电压放大器U4、电阻R6、电容C3、电阻R7、NPN型BJT Q2和电阻R4，检测电阻R8与负载Ro组成串联支路，所述串联支路与输出电容Co并联，检测电阻R8的一端与直流电压源Vi的负端相连，检测电阻R8的另一端与负载Ro的一端以及电压放大器U4的输入端相连，电阻R6和电容C3组成并联支路，所述并联支路的一端与电压放大器U4的输出端相连，所述并联支路的另一端与电阻R7的一端以及NPN型BJT Q2的基极相连，NPN型BJT Q2的发射极与电阻R7的另一端以及直流电压源Vi的负端相连，NPN型BJT Q2的集电极通过电阻R4与滞环比较器U3的输入端相连。

本发明的技术构思为：将单MOSFET基本自激单元电路应用于Cuk变换器中，使之成为新的自激式DC-DC变换器(如图2、3所示)。单MOSFET基本自激单元电路由N型MOSFET M1、二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2、电容C1、滞环比较器U3和驱动电路U2组成。其特征如下：M1为Cuk变换器主回路中的开关器件，M1的门极与驱动电路U2的输出端相连，M1的漏极与二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连，D1的阴极与电阻R1的一端相连，D2的阳极与电阻R2的一端相连，电阻R1和电阻R2的另一端都与滞环比较器U3的输入端以及电容C1的一端相连，电容C1的另一端接于直流电压源Vi的负端，滞环比较器U3的输出端与驱动电路U2的输入端相连。

为获得稳定的直流输出电压，在Cuk变换器主回路的输出端与单MOSFET基本自激单元电路的端口之间可增加一条电压反馈支路，可由NPN型BJT Q2、电阻R4、电阻R6、电阻R7和电容C3等组成(如图2)。为获得稳定的直流输出电流，在Cuk变换器主回路的输出端与单MOSFET基本自激单元电路的端口之间可增加一条电流反馈支路，可由NPN型BJT Q2、电阻R4、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C3和电压放大器U4等组成(如图3)。为防止M1过流，在Cuk变换器主回路的输出端与单MOSFET基本自激单元电路的端口之间可增加一条过流保护支路，可由电阻R3、电阻R5、电容C2、NPN型BJTQ1等组成(如图2和图3)。

本发明的有益效果主要表现在：本发明提出基于MOSFET的自激式Cuk变换器具有升降压的电压变换功能，电路结构简单、效率高，适合中小功率(数十瓦级以上)开关稳压或稳流电源、高亮度LED驱动电路等应用。

附图说明

图1是现有基于BJT的自激式Cuk变换器电路图。

图2是基于MOSFET的自激式Cuk变换器实施例1电路图。

图3是基于MOSFET的自激式Cuk变换器实施例2电路图。

图4是基于MOSFET的自激式Cuk变换器实施例1和实施例2中滞环比较器U3的输入-输出电压特性图。

图5是基于MOSFET的自激式Cuk变换器实施例1在电感电流连续工作模式下的理想波形图。

图6是基于MOSFET的自激式Cuk变换器实施例2在电感电流连续工作模式下的理想波形图。

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2、图4和图5，一款基于MOSFET的自激式Cuk变换器，包括由输入电容Ci、电感L1、N型MOSFET M1、电容C、二极管D、电感L2和电容Co组成的Cuk变换器主回路，输入电容Ci与直流电压源Vi并联，输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo，负载Ro与输出电容Co并联，直流电压源Vi的正端与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与N型MOSFET M1的漏极以及电容C的一端相连，N型MOSFET M1的源极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与直流电压源Vi的负端、二极管D的阴极以及直流输出电压Vo的正端相连，电容C的另一端与二极管D的阳极以及电感L2的一端相连，电感L2的另一端与输出电压Vo的负端相连；所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器还包括辅助电源U1、驱动电路U2和滞环比较器U3，辅助电源U1用于提供驱动电路U2和滞环比较器U3工作所需的各种直流电源电压，根据实际需要可对直流输入电压Vi进行升压或降压的变换处理；驱动电路U2的输入端与滞环比较器U3的输出端连接，驱动电路U2的输出端与N型MOSFET M1的门极相连，驱动电路U2为N型MOSFET M1(即主开关管)的开通和关断提供必要的驱动。滞环比较器U3的输入端与电容C1、电阻R1和电阻R2的一端相连，电容C1的另一端与直流电压源Vi的负端相连，电阻R1的另一端与二极管D1的阴极相连，电阻R2的另一端与二极管D2的阳极相连，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极与N型MOSFET M1的漏极相连。

图2所示为基于MOSFET的自激式Cuk变换器实施例1，采用了过流保护支路，所述过流保护支路包括电阻R5、电容C2和NPN型BJT Q1，电阻R5的一端与N型MOSFET M1的源极相连，电阻R5的另一端与电容C2的一端以及NPN型BJT Q1的基极相连，电容C2的另一端与NPN型BJT Q1的发射极以及直流电压源Vi的负端相连，NPN型BJT Q1的集电极与滞环比较器U3的输入端相连；还采用了电压反馈支路，所述电压反馈支路包括电阻R6、电容C3、电阻R7、NPN型BJT Q2和电阻R4，电阻R6和电容C3组成并联支路，所述并联支路的一端与直流输出电压Vo的正端相连，所述并联支路的另一端与电阻R7的一端以及NPN型BJT Q2的基极相连，NPN型BJT Q2的发射极与电阻R7的另一端以及直流输出电压Vo的负端相连，NPN型BJT Q2的集电极通过电阻R4与滞环比较器U3的输入端相连。

图5所示基于MOSFET的自激式Cuk变换器实施例1在电感电流连续工作模式下的理想波形图。其电路工作原理具体如下：(1)电路上电启动阶段：电路上电后，辅助电源U1开始工作，将直流输入电压Vi转换成驱动电路U2和滞环比较器U3工作所需的电压。随后，驱动电路U2和滞环比较器U3也开始工作。刚开始即t＝t0，电容C1的端电压vc1为零，因vc1小于U3的下限参考电压Vref1，U3输出vp低电平，经过U2功率放大输出vg1低电平，M1关断，二极管D导通，由Vi、Ci、L1、C、D形成回路，电感L1充电，电感电流iL1增加，电容C充电，电压vc上升，电压vd1等于vc。同时，C1通过D1和R1充电，电压vc1上升。当vc1上升至U3的上限参考电压Vref2即t＝t1，U3输出vp高电平，经过U2功率放大输出vg1高电平，M1导通。M1导通后，D截止，电压vd1等于零，由Vi、Ci、L1、M1、R3形成回路，由C、M1、R3、Co、Ro、L2形成另一回路，电感L1和L2充电，电感电流iL1和iL2增加，输出电容Co充电，输出电压vo上升。同时C1通过D2和R2放电，电压vc1下降。当vc1下降至U3的下限参考电压Vref1即t＝t2，U3输出vp低电平，经过U2功率放大输出vg1低电平，M1再次关断，电路进入下一个自激周期。M1关断时，D导通，电感L2处于放电状态，电感电流iL2减小，若电容C端电压vc小于直流输入电压Vi，电感L1就会处于充电状态，电感电流iL1增加；若电容C端电压vc大于直流输入电压Vi，电感L1就会处于放电状态，电感电流iL1减小。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Vo时，Q2导通，通过加大电容C1的放电电流缩短M1的导通时间(即t5-t4)、延长M1的关断时间(即t4-t3)，实现输出电压的降低。当输出电压低于设定值Vo时，Q2关断，单MOSFET基本自激单元电路独立工作，M1的导通和关断时间又恢复原样，实现输出电压的提升。由此，电路可实现输出稳压。

实施例1电路工作后，无论是启动状态还是稳态工作状态，只要M1出现过流，过流保护支路就会起作用。当R3、R5和C2检测到M1过流，Q1会立即导通，瞬间加大电容C1的放电电流，待vc1下降并低于U3的下限参考电压Vref1后M1就会关断，阻止M1中电流继续增加。

实施例2

参照图3、图4和图6，本实施例还包括电流反馈支路，所述电流反馈支路包括检测电阻R8、电压放大器U4、电阻R6、电容C3和电阻R7、NPN型BJT Q2和电阻R4，检测电阻R8与负载Ro组成串联支路，所述串联支路与输出电容Co并联，检测电阻R8的一端与直流电压源Vi的负端相连，检测电阻R8的另一端与负载Ro的一端以及电压放大器U4的输入端相连，电阻R6和电容C3组成并联支路，所述并联支路的一端与电压放大器U4的输出端相连，所述并联支路的另一端与电阻R7的一端以及NPN型BJT Q2的基极相连，NPN型BJTQ2的发射极与电阻R7的另一端以及直流电压源Vi的负端相连，NPN型BJT Q2的集电极通过电阻R4与滞环比较器U3的输入端相连。

本实施例的电路工作原理具体如下：

(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Io时，Q2导通，通过加大电容C1的放电电流缩短M1的导通时间(即t5-t4)、延长M1的关断时间(即t4-t3)，实现输出电流的降低。当输出电流低于设定值Io时，Q2关断，单MOSFET基本自激单元电路独立工作，M1的导通和关断时间又恢复原样，实现输出电流的提升。由此，电路可实现输出稳流。

本实施例的其他电路结构与实施例1相同。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.一种基于MOSFET的自激式Cuk变换器，其特征在于：包括由输入电容Ci、电感L1、N型MOSFET M1、电容C、二极管D、电感L2和电容Co组成的Cuk变换器主回路，输入电容Ci与直流电压源Vi并联，输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo，负载Ro与输出电容Co并联，直流电压源Vi的正端与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与N型MOSFET M1的漏极以及电容C的一端相连，N型MOSFET M1的源极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与直流电压源Vi的负端、二极管D的阴极以及直流输出电压Vo的正端相连，电容C的另一端与二极管D的阳极以及电感L2的一端相连，电感L2的另一端与输出电压Vo的负端相连；

所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器还包括辅助电源U1、驱动电路U2和滞环比较器U3，辅助电源U1用于提供驱动电路U2和滞环比较器U3工作所需的直流电源电压，对直流输入电压Vi进行升压或降压的变换处理；驱动电路U2的输入端与滞环比较器U3的输出端连接，驱动电路U2的输出端与N型MOSFET M1的门极相连，驱动电路U2为N型MOSFET M1的开通和关断提供驱动；滞环比较器U3的输入端与电容C1、电阻R1和电阻R2的一端相连，电容C1的另一端与直流电压源Vi的负端相连，电阻R1的另一端与二极管D1的阴极相连，电阻R2的另一端与二极管D2的阳极相连，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极与N型MOSFET M1的漏极相连。

2.如权利要求1所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器，其特征在于：所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器还包括过流保护支路，所述过流保护支路包括电阻R5、电容C2和NPN型BJT Q1，电阻R5的一端与N型MOSFET M1的源极相连，电阻R5的另一端与电容C2的一端以及NPN型BJT Q1的基极相连，电容C2的另一端与NPN型BJT Q1的发射极以及直流电压源Vi的负端相连，NPN型BJT Q1的集电极与滞环比较器U3的输入端相连。

3.如权利要求1或2所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器，其特征在于：所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器还包括电压反馈支路，所述电压反馈支路包括电阻R6、电容C3、电阻R7、NPN型BJTQ2和电阻R4，电阻R6和电容C3组成并联支路，所述并联支路的一端与直流输出电压Vo的正端相连，所述并联支路的另一端与电阻R7的一端以及NPN型BJT Q2的基极相连，NPN型BJT Q2的发射极与电阻R7的另一端以及直流输出电压Vo的负端相连，NPN型BJT Q2的集电极通过电阻R4与滞环比较器U3的输入端相连。

4.如权利要求1或2所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器，其特征在于：所述基于MOSFET的自激式Cuk变换器还包括电流反馈支路，所述电流反馈支路包括检测电阻R8、电压放大器U4、电阻R6、电容C3、电阻R7、NPN型BJT Q2和电阻R4，检测电阻R8与负载Ro组成串联支路，所述串联支路与输出电容Co并联，检测电阻R8的一端与直流电压源Vi的负端相连，检测电阻R8的另一端与负载Ro的一端以及电压放大器U4的输入端相连，电阻R6和电容C3组成并联支路，所述并联支路的一端与电压放大器U4的输出端相连，所述并联支路的另一端与电阻R7的一端以及NPN型BJT Q2的基极相连，NPN型BJT Q2的发射极与电阻R7的另一端以及直流电压源Vi的负端相连，NPN型BJT Q2的集电极通过电阻R4与滞环比较器U3的输入端相连。