Ćuk-konverter

Ćuk-konverteren

(nogle gange ukorrekt stavet Cuk, Čuk eller Cúk) er en type switch-mode-strømforsyning, som kan have en output-spænding, som er større end eller mindre end input-spændingen.

Den uisolerede udgave kan dog kun have omvendt polaritet mellem input og output. Ćuk-konverteren anvender en kondensator som dens primære energilagringskomponent, i modsætning til de fleste andre som anvender en spole. Ćuk-konverteren er opkaldt efter Slobodan Ćuk ved California Institute of Technology, som først præsenterede designet i en artikel.

Ćuk udtales som Chook. Stavningerne Cuk, Čuk eller Cúk er almindelige, men ukorrekte: C, Č og Ć er tre forskellige bogstaver i serbisk, hvorimod Ú ikke anvendes overhovedet.

Det bemærkelsesværdige ved den uisolerede eller isolerede Ćuk-konverter er, at de er mere effektive - og udsætter alle komponenter for mindre stressniveau - for samme input/output af spændinger og strøm - sammenlignet med næsten alle andre smps-topologier.

Historisk har Ćuk-konverterens omdømme spændt lige fra umulig/vanskelig at designe til at blive udnævnt til verdens bedste smps.
Grunden til at den på et tidspunkt blev anset for umulig/vanskelig, skyldes sandsynligvis designudgaven med de to spoler koblet sammen til en transformator – og især Integrated Magnetics Cuk Converter-designudgaven.

Patenterne på (de oprindelige) Ćuk-konverter designs er udløbet ifølge denne reference.
Referencer på nogle af de udløbne (ældre end 20-25 år) patenter er her.

Uisoleret Ćuk-konverter

Driftsprincip 

En uisoleret Ćuk-konverter består af to spoler, to kondensatorer, en kontakt (normalt en transistor) og en passiv kontakt (dioden). Ćuk-konverterens diagram kan ses i figur 1. Den uisolerede Ćuk-konverters output-spænding er negativ i forhold til input-spændingen (inverterende).

Kondensatoren C anvendes til at overføre energi og forbindes vekslende til input og til output af konverteren via kommutation af transistoren og dioden (se figur 2 og 3).

De to spoler L1 og L2 anvendes til at konvertere respektiv input-spændingskilden (Vi) – og output-spændingskilden (Co) til strømkilder. Faktisk, over en kort tidsskala, kan en spole opfattes som en strømkilde, der bibeholder en konstant strøm. Denne omsætning er nødvendig – hvis kondensatoren blev forbundet direkte til spændingskilden, ville strømmen kun blive begrænset af (parasitiske) modstande, hvilket ville resultere i et højt energitab. Ladning af en kondensator med en strømkilde (spolen) forhindrer resistiv strømbegrænsning og dets associerede energitab.

Som med andre konvertere (Buck-konverter, Boost-konverter, Buck-boost-konverter) kan Ćuk-konverteren enten arbejde i kontinuert (CCM) eller diskontinuert strømdrift (DCM).

Vedvarende/kontinuert strømdrift (CCM) 

Ved ligevægt, er energien gemt i spolerne den samme ved starten og slutningen af kommutationscyklen. Energien i en spole er givet ved:

Det er underforstået at strømmen gennem spolerne er den samme ved starten og slutningen af kommutationscyklen. Da udviklingen af strømmen gennem en spole er relateret til spændingen over den:

ses det at middelspændingen over spolen i en kommutationsperiode skal være nul for at opfylde ligevægtskravene.

Hvis vi antager at kondensatorene C og Co er store nok til at spændingsfluktuationer over dem er ubetydelig, vil spolespændingerne være:

 i transistor off-tilstanden, spolen L1 er forbundet i serie med Vi og C (se figur 2). Derfor . Da dioden D er ledende (vi antager nul volt spændingsfald), er L2 direkte forbundet til output-kondensatoren. Derfor 

 i transistor on-tilstanden, spolen L1 er direkte forbundet til input-kilden. Derfor . Spole L2 er forbundet i serie med C og output-kondensatoren, så 

Konverteren drives i on-tilstand fra t=0 til t=D·T (D er pulsbredden), og i off-tilstand fra D·T til T (der er i en periode lig (1-D)·T). Middelværdierne af VL1 og VL2 er derfor:

Da begge middelspændinger skal være nul for at opfylde ligevægtsbetingelserne, kan vi derfor skrive, ved at anvende sidste ligning:

Så middelspændingen over L1 bliver:

Som kan skrives som:

Som det kan ses er denne relation den samme som fås for Buck-boost-konverteren.

Designfif 
Kondensatorene skal være lav-ESR kondensatorer. Ved højere frekvenser kan C f.eks. f.eks. en 3,3uF lav-ESR keramisk kondensator at foretrække.

Transistoren, kondensatoren C og dioden vil under skift til "on" af transistoren, kortslutte C indtil dioden går "off". Dette forårsager en kraftig strømpuls, som vil sænke effektiviteten. En måde at hindre/minske denne strømpuls er ved at sætte en ferritperle på en af diodebenene.

Isoleret Ćuk-konverter 

Ćuk-konverter kan designes i en isoleret udgave. Der skal tilføjes en AC-transformator og en kondensator.

Fordelen ved denne udgave er at man frit kan vælge output-spændingernes polariteter i forhold til input-spændingen.

Ligesom den ikke-isolerede Ćuk-konverter, kan den isolerede Ćuk-konverter have en output-spænding, som er større end eller mindre end input-spændingen, selv med en AC-transformator med 1:1-vindingsforhold.

Faktisk kan de to spoler teoretisk vikles på samme kerne (Coupled Inductor Cuk Converter) og dermed udgøre en transformator med fordelen at output kan designes ripple-løs (ved CCM), men denne Ćuk-konverter kan ikke gøres stabil.

En isoleret Ćuk-konverter af Integrated Magnetics Cuk Converter-varianten kan designes til at være ripple-løs (ved CCM) i både input og output, men denne kan kun under specielle designs gøres stabil.

beslægtede konvertere

Sepic 

Single-Ended Primary Inductance Converter (SEPIC) er også i stand til at lave lavere og højere spændinger i forhold til input.

Kilder/referencer 

Elektrisk energigearing