DC-DC变换器原理－太阳能光伏发电

DC-DC变换器原理

DC/DC Converter Principle

太阳电池输出的是直流电，是不是可直接作为直流电源使用呢，对于对电压没有准确要求的微、小型用电设备是可以的，如计算器、玩具等。太阳电池输出电压取决于光伏器件的连接方式与数量，并与负载大小与光照强度直接有关，不能直接作为正规电源使用。通过DC-DC变换器可以把太阳电池输出的直流电转换成稳定的不同电压的直流电输出。DC-DC变换器就是直流——直流变换器，是太阳能光伏发电系统的重要组成部分，下面就其原理作简单介绍。

DC-DC变换基本原理

直流变换电路主要工作方式是脉宽调制(PWM)工作方式，基本原理是通过开关管把直流电斩成方波（脉冲波），通过调节方波的占空比（脉冲宽度与脉冲周期之比）来改变电压。

降压斩波电路

直流斩波电路简单，是使用广泛的直流变换电路。图1左上部是一个斩波基本电路，Ud是输入的直流电压，V是开关管，UR是负载R上的电压，开关管V把输入的Ud斩成方波输出到R上，图1右上部绿线为斩波后的输出波形，方波的周期为T，在V导通时输出电压等于Ud，导通时间为ton，在V关断时输出电压等于0，关断时间为toff，占空比D=ton/T，方波电压的平均值与占空比成正比。图1下部绿线为连续输出波形，其平均电压如红线所示。改变脉冲宽度即可改变输出电压，在时间t1 前脉冲较宽、间隔窄，平均电压（UR1）较高；在时间t1 后脉冲变窄，平均电压（UR2）降低。固定方波周期T不变，改变占空比调节输出电压就是(PWM)法，也称为定频调宽法。由于输出电压比输入电压低，称之为降压斩波电路或Buck变换器。

图1--DC-DC变换基本原理

方波脉冲不能算直流电源，实际使用要加上滤波电路，图2是加有LC滤波的电路，L是滤波电感、C2是滤波电容、D是续流二极管。当V导通时， L与C2蓄能，向负载R输电；当V关断时，C2向负载R输电， L通过D向负载R输电。输出方波选用的频率较高，一般是数千赫兹至几十千赫兹，故电感体积很小，输出波纹也不大。

图2--降压型DC-DC变换电路

该电路输出电压UR=D Ud，D是占空比，值为0至1。

升压斩波电路

通过电感元件还可组成升压斩波电路，见图3，当开关管V导通时，电流通过电感L时会在L中存储能量，此时负载上的电压由C2提供，当开关管V关断时，电感L释放能量，输出电压为输入电压Ud与L产生的电压相加，故提高了输入电压。

图3--升压型DC-DC变换电路

该电路称为升压斩波电路或Boost变换器，输出电压UR= Ud/（1-D），D是占空比，值必须小于1。

升压斩波电路在新能源控制设备中应用很广，为了减小输出电压的波纹，通常采用多通道多重化并联升压型变换电路，图4是三通道多重化并联升压型变换电路。L1、V1、D1组成通道1，电路与工作原理与前面介绍的单通道升压斩波电路相同；L2、V2、D2组成通道2，电路与工作原理与前面介绍的单通道升压斩波电路相同；L3、V3、D3组成通道3，电路与工作原理与前面介绍的单通道升压斩波电路相同。三个通道开关周期相同、通断时间相同，关键是三个开关管通断时间必须均匀错开才能起到降低输出波纹的作用。多通道并联电路可增大输出电流。

图4--多通道并联升压型DC-DC变换电路

还有既可以降压也可以升压的斩波电路，这里就不介绍了，具体电路与应用等请查阅其他书籍或资料。

以上电路属单象限变换，电路简单可靠，在小型变换器中应用较多。在下面介绍双象限、四象限电路。

推挽式功率变换电路

推挽式功率变换电路是双象限变换电路，见图5，W1与W2圈数都为N1，构成一个有中间抽头的线圈，作为输出变压器的初级，W3与W4圈数都为N2，构成一个有中间抽头的线圈，作为输出变压器的次级，V1与V2交替导通，在次级就会感生电压，经全波整流后滤波到负载。变压器两侧电压之比为N1与N2之比，通过变压器可输出高低不同的多种电压；而且变压器把太阳电池与用户隔离开来，有利于系统的安全。有关细节请查阅其他书籍或资料。