// บทที่ 15.9 · อิเล็กทรอนิกส์กำลัง · Ćuk Converter

ชุคคอนเวอร์เตอร์ (Ćuk Converter): ตัวเก็บประจุคัปปลิ้ง การออกแบบ การหน่วง และ zero ripple

ถ่ายโอนพลังงานผ่านตัวเก็บประจุ C1 สมการออกแบบ L1 L2 C1 ไดนามิกอันดับสี่และการหน่วง coupled inductor กับกระแสริปเปิลเกือบศูนย์

เขียนโดย อาจารย์มดอัปเดต 13 ต.ค. 2569

การทำงาน สมการออกแบบ ไดนามิกอันดับสี่และการหน่วง Coupled inductor และ zero-ri ข้อดี-ข้อเสีย

สรุปใน 30 วินาที

$V_{C1} = V_{in}+|V_o|$ , $V_o/V_{in} = -D/(1-D)$
กระแสทั้งขาเข้าและขาออกต่อเนื่อง → EMI ต่ำ
C1 ต้องเป็นฟิล์มหรือเซรามิก รับ RMS สูง
อันดับสี่ → ต้องหน่วงเรโซแนนซ์ก่อนปิดลูป

คิดค้นโดย Slobodan Ćuk (Caltech, 1976) — เป็น boost ต่ออนุกรมกับ buck โดยใช้ตัวเก็บประจุ $C_1$ เป็นตัวถ่ายโอนพลังงานแทนตัวเหนี่ยวนำ

การทำงาน

ON (Q นำ): $L_1$ รับพลังงานจาก $V_{in}$ ; $C_1$ คายประจุผ่าน Q ไปยัง $L_2$ และโหลด
OFF (D นำ): $L_1$ ชาร์จ $C_1$ ผ่านไดโอด; $L_2$ ปล่อยพลังงานให้โหลดผ่านไดโอด

Volt-second บน $L_1$ และ $L_2$ :

K1 Coupling-capacitor voltage แรงดันบน C1

V_{in}D + (V_{in}-V_{C1})(1-D)=0 \Rightarrow V_{C1}=\frac{V_{in}}{1-D} = V_{in}+\lvert V_o\rvert

K2 Ćuk conversion ratio อัตราส่วนแปลงผัน

(V_{C1}+V_o)D + V_o(1-D)=0 \Rightarrow \boxed{\frac{V_o}{V_{in}} = -\frac{D}{1-D}}

Charge balance บน $C_1$ : $I_{L1}(1-D) = I_{L2}D$ → $I_{L1} = I_{in}$ , $I_{L2}=I_o$

สมการออกแบบ

K3 Ćuk design ripples สมการออกแบบ

\Delta i_{L1} = \frac{V_{in}D}{L_1 f_s},\quad \Delta i_{L2} = \frac{V_{in}D}{L_2 f_s},\quad \Delta v_{C1} = \frac{I_o D}{C_1 f_s},\quad \Delta v_o = \frac{\Delta i_{L2}}{8C_2 f_s}

$C_1$ รับ RMS current สูง: $I_{C1,rms}=\sqrt{I_{L1}^2(1-D)+I_{L2}^2D}$ → ใช้ฟิล์ม (PP) หรือเซรามิกแรงดันสูง ห้ามใช้อิเล็กโตรไลต์ ต้องทนแรงดัน $\ge 1.5(V_{in}+\lvert V_o\rvert)$

ไดนามิกอันดับสี่และการหน่วง

สถานะ 4 ตัว ( $i_{L1}, i_{L2}, v_{C1}, v_{C2}$ ) ทำให้มีขั้วคู่ซับซ้อนสองคู่ เรโซแนนซ์ $L_1$ – $C_1$ และ $L_2$ – $C_1$ มักมี Q สูง และ $G_{vd}$ มีคู่ศูนย์ (บางกรณีอยู่ครึ่งขวา) ทำให้เฟสตกถึง −360°

วิธีแก้เชิงวิศวกรรม:

เพิ่ม $R_d$ – $C_d$ damping ขนาน $C_1$ โดย $C_d \approx 4C_1$ , $R_d \approx \sqrt{L_{eq}/C_1}$
ใช้ current-mode ที่วัดผลรวม $i_{L1}+i_{L2}$ (= กระแสสวิตช์)
จำกัด $f_c$ ให้ต่ำกว่าเรโซแนนซ์ต่ำสุดอย่างน้อย 3–5 เท่า

Coupled inductor และ zero-ripple

พัน $L_1$ , $L_2$ บนแกนเดียวกัน (แรงดันบนทั้งสองเท่ากันทุกช่วงเวลา) เลือก coupling $k = n$ (อัตราส่วนรอบ) ทำให้ ripple ย้ายไปอยู่ขดเดียว — อีกขดได้กระแส ripple เกือบศูนย์ (ripple steering) ลด EMI ขาเข้าหรือขาออกได้มาก เป็นจุดเด่นที่ทำให้ Ćuk ใช้ในงานเซนเซอร์, LED และโซลาร์

ข้อดี-ข้อเสีย

✅	❌
กระแสเข้า-ออกต่อเนื่อง, ฟิลเตอร์ EMI เล็ก	กลับขั้ว
ripple ต่ำมาก (โดยเฉพาะ coupled)	ชิ้นส่วนมาก, C1 รับความเค้นสูง
ขยายเป็นแบบมีฉนวน (isolated Ćuk) ได้	ควบคุมยาก (อันดับ 4)

ทดลอง: ลด C1 เป็น 2 µF แล้วเปิดโหมด Voltage-mode PI → สังเกตริปเปิลและการหน่วงของ VC1 (CH2) ว่าเฉลี่ยใกล้ $V_{in}+\lvert V_o\rvert$

คำถามที่พบบ่อย

ข้อดีหลักของ Ćuk คืออะไร?

กระแสขาเข้าและขาออกต่อเนื่องเพราะมีตัวเหนี่ยวนำอยู่ทั้งสองฝั่ง ฟิลเตอร์ EMI จึงเล็ก และถ้าพันตัวเหนี่ยวนำสองตัวบนแกนเดียวกันอย่างเหมาะสม จะย้ายริปเปิลไปอยู่ขดเดียวจนอีกขดแทบไม่มีริปเปิล

อาจารย์มด · ธีรวุฒิ แสวงบุญ
อาจารย์สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยราชภัฏธนบุรี สมุทรปราการ · ดูโปรไฟล์