DC-DC變換器原理

DC/DC Converter Principle

太陽電池輸出的是直流電，是不是可直接作為直流電源使用呢，對于對電壓沒有準確要求的微、小型用電設(shè)備是可以的，如計算器、玩具等。太陽電池輸出電壓取決于光伏器件的連接方式與數(shù)量，并與負載大小與光照強度直接有關(guān)，不能直接作為正規(guī)電源使用。通過DC-DC變換器可以把太陽電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的不同電壓的直流電輸出。DC-DC變換器就是直流——直流變換器，是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，下面就其原理作簡單介紹。

DC-DC變換基本原理?

直流變換電路主要工作方式是脈寬調(diào)制(PWM)工作方式，基本原理是通過開關(guān)管把直流電斬成方波（脈沖波），通過調(diào)節(jié)方波的占空比（脈沖寬度與脈沖周期之比）來改變電壓。

降壓斬波電路

直流斬波電路簡單，是使用廣泛的直流變換電路。圖1左上部是一個斬波基本電路，Ud是輸入的直流電壓，V是開關(guān)管，UR是負載R上的電壓，開關(guān)管V把輸入的Ud斬成方波輸出到R上，圖1右上部綠線為斬波后的輸出波形，方波的周期為T，在V導(dǎo)通時輸出電壓等于Ud，導(dǎo)通時間為ton，在V關(guān)斷時輸出電壓等于0，關(guān)斷時間為toff，占空比D=ton/T，方波電壓的平均值與占空比成正比。圖1下部綠線為連續(xù)輸出波形，其平均電壓如紅線所示。改變脈沖寬度即可改變輸出電壓，在時間t1 前脈沖較寬、間隔窄，平均電壓（UR1）較高；在時間t1 后脈沖變窄，平均電壓（UR2）降低。固定方波周期T不變，改變占空比調(diào)節(jié)輸出電壓就是(PWM)法，也稱為定頻調(diào)寬法。由于輸出電壓比輸入電壓低，稱之為降壓斬波電路或Buck變換器。

圖1 DC-DC變換基本原理

方波脈沖不能算直流電源，實際使用要加上濾波電路，圖2是加有LC濾波的電路，L是濾波電感、C2是濾波電容、D是續(xù)流二極管。當V導(dǎo)通時， L與C2蓄能，向負載R輸電；當V關(guān)斷時，C2向負載R輸電， L通過D向負載R輸電。輸出方波選用的頻率較高，一般是數(shù)千赫茲至幾十千赫茲，故電感體積很小，輸出波紋也不大。

圖2降壓型DC-DC變換電路

該電路輸出電壓UR=D Ud，D是占空比，值為0至1。

升壓斬波電路

通過電感元件還可組成升壓斬波電路，見圖3，當開關(guān)管V導(dǎo)通時，電流通過電感L時會在L中存儲能量，此時負載上的電壓由C2提供，當開關(guān)管V關(guān)斷時，電感L釋放能量，輸出電壓為輸入電壓Ud與L產(chǎn)生的電壓相加，故提高了輸入電壓。

圖3? 升壓型DC-DC變換電路

該電路稱為升壓斬波電路或Boost變換器，輸出電壓UR= Ud/（1-D），D是占空比，值必須小于1。

升壓斬波電路在新能源控制設(shè)備中應(yīng)用很廣，為了減小輸出電壓的波紋，通常采用多通道多重化并聯(lián)升壓型變換電路，圖4是三通道多重化并聯(lián)升壓型變換電路。L1、V1、D1組成通道1，電路與工作原理與前面介紹的單通道升壓斬波電路相同；L2、V2、D2組成通道2，電路與工作原理與前面介紹的單通道升壓斬波電路相同；L3、V3、D3組成通道3，電路與工作原理與前面介紹的單通道升壓斬波電路相同。三個通道開關(guān)周期相同、通斷時間相同，關(guān)鍵是三個開關(guān)管通斷時間必須均勻錯開才能起到降低輸出波紋的作用。多通道并聯(lián)電路可增大輸出電流。

圖4 多通道并聯(lián)升壓型DC-DC變換電路

還有既可以降壓也可以升壓的斬波電路，這里就不介紹了，具體電路與應(yīng)用等請查閱其他書籍或資料。

以上電路屬單象限變換，電路簡單可靠，在小型變換器中應(yīng)用較多。在下面介紹雙象限、四象限電路。

推挽式功率變換電路

推挽式功率變換電路是雙象限變換電路，見圖5，W1與W2圈數(shù)都為N1，構(gòu)成一個有中間抽頭的線圈，作為輸出變壓器的初級，W3與W4圈數(shù)都為N2，構(gòu)成一個有中間抽頭的線圈，作為輸出變壓器的次級，V1與V2交替導(dǎo)通，在次級就會感生電壓，經(jīng)全波整流后濾波到負載。變壓器兩側(cè)電壓之比為N1與N2之比，通過變壓器可輸出高低不同的多種電壓；而且變壓器把太陽電池與用戶隔離開來，有利于系統(tǒng)的安全。有關(guān)細節(jié)請查閱其他書籍或資料。

圖5 推挽式變換電路

推挽式功率變換電路電路簡單，使用器件少，但開關(guān)管要承受兩倍的輸入電壓，一般只在微、小型變換器中使用。

單相全橋變換電路

圖6是單相全橋變換電路。

圖6? 單相全橋變換電路

圖中Ud是直流輸入電壓，為穩(wěn)定電壓配有電容C，4個開關(guān)晶體管T1、T2、T3、T4，4個開關(guān)管的保護二極管（續(xù)流二極管）D1、D2、D3、D4，輸出交流電到負載R。下面就具體分析這個電路。圖7與圖8是輸出正向與負向電流流向圖，為清晰起見把電路簡化，只保留主要器件。

當開關(guān)管T1與T4導(dǎo)通，T3、T2關(guān)斷，時，在負載R上有正向電流通過，輸出正向電壓，見圖7。

圖7 單相全橋方波正向輸出

當開關(guān)管T3與T2導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷，時，在負載R上有負向電流通過，輸出負向電壓，見圖8。

圖8 單相全橋方波負向輸出

圖9是帶變壓器輸出的全橋直流變換電路，采用變壓器T將輸入的光伏電源與輸出方的負載隔離，并實現(xiàn)電壓的變比。在變壓器次級采用了橋式全波整流與LC濾波。

圖9? 變壓器隔離的單相全橋變換電路

圖10是變壓器隔離的單相全橋變換電路主要波形圖，圖中的控制信號與波形變化順序如下：

控制開關(guān)管V1與V4導(dǎo)通，V3、V2關(guān)斷，全橋輸出電壓u1為Ud；

到時間ton時，關(guān)斷開關(guān)管V1與V4，全橋輸出電壓u1為0；

到時間T1時，開關(guān)管V3、V2導(dǎo)通，全橋輸出電壓u1為-Ud；

到時間T1+ton時，關(guān)斷開關(guān)管V3與V2，全橋輸出電壓u1為0；

到時間T2時，開關(guān)管V1與V4導(dǎo)通，全橋輸出電壓u1為Ud；

到時間T2+ton時，關(guān)斷開關(guān)管V1與V4，全橋輸出電壓u1為0；

到時間T3時，開關(guān)管V3、V2導(dǎo)通，全橋輸出電壓u1為-Ud；

到時間T3+ton時，關(guān)斷開關(guān)管V3與V2，全橋輸出電壓u1為0；

到時間T4時，控制開關(guān)管V1與V4導(dǎo)通，全橋輸出電壓u1為Ud；

到時間T4+ton時，……；到時間T5時，……

這樣控制各開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，循環(huán)下去全橋輸出電壓u1（變壓器輸入電壓）波形如圖10上部綠色線所示；變壓器次級輸出交變電壓u2如圖10中部紫色線所示；橋式整流輸出電壓u3如圖10下部藍色線所示；濾波后輸出到負載上的電壓如圖10下部紅色線所示。

圖10 單相全橋變換電路主要波形圖

下面請觀看全橋直流變換電路工作動畫

全橋直流變換電路工作動畫?

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DC-DC變換器可以把直流電轉(zhuǎn)換成不同電壓的直流電輸出，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中作為控制器使用，可控制對蓄電池的充電，可作為直流電源使用。

DC-DC變換器的圖形符號是見圖11。

圖11 DC-DC變換器的圖形符號

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附：電力電子器件

在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)電路中，能承擔電能變換或控制任務(wù)的電子器件稱為電力電子器件。電力電子器件要能工作在高電壓和大電流狀態(tài)，導(dǎo)通電壓要低。

電力電子器件主要有不可控器件、半控型器件、全控型器件。

?不可控器件

電力二極管是用于整流電路，把交流電變?yōu)橹绷麟姟Ｖ饕獏?shù)與要求是：正向?qū)娏鞔?，?dǎo)通時正向壓降小，反向耐壓高。圖12電力二極管圖片，圖14左圖是電力二極管的圖形符號。

圖12 電力二極管圖片

??? 半控型器件

晶閘管，也叫可控硅，是可控制導(dǎo)通的二極管，用于可控整流。晶閘管除了門極觸發(fā)電流與門極觸發(fā)電壓等參數(shù)，其他參數(shù)要求類同電力二極管。圖13是晶閘管圖片，圖14中圖是晶閘管圖形符號，圖14右圖是可關(guān)斷晶閘管圖形符號。

圖13 晶閘管圖片

圖14 電力二極管與晶閘管圖形符號?

全控型器件

可通過控制信號控制其導(dǎo)通或關(guān)斷的器件，主要有電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管等，目前在電力變換與逆變電路中主要采用的是后兩種晶體管。

電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管具有開關(guān)速度快，工作頻率高，輸入阻抗高，所需驅(qū)動功率小，耐壓高，導(dǎo)通電壓低，熱穩(wěn)定性好。下面把這種電力電子器件簡稱為電力三極管、開關(guān)晶體管或開關(guān)管。圖15為電力三極管圖片，圖16為電力三極管圖形符號。

圖15 電力三極管圖片

圖16 電力三極管圖形符號