| DC-DC變換器原理 |
| DC/DC Converter Principle |
太陽(yáng)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(duì)于對(duì)電壓沒(méi)有準(zhǔn)確要求的微、小型用電設(shè)備是可以的，如計(jì)算器、玩具等。太陽(yáng)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(fù)載大小與光照強(qiáng)度直接有關(guān)，不能直接作為正規(guī)電源使用。通過(guò)DC-DC變換器可以把太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，下面就其原理作簡(jiǎn)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(guò)開(kāi)關(guān)管把直流電斬成方波（脈沖波），通過(guò)調(diào)節(jié)方波的占空比（脈沖寬度與脈沖周期之比）來(lái)改變電壓。 |
| 降壓斬波電路 |
直流斬波電路簡(jiǎn)單，是使用廣泛的直流變換電路。圖1左上部是一個(gè)斬波基本電路，Ud是輸入的直流電壓，V是開(kāi)關(guān)管，UR是負(fù)載R上的電壓，開(kāi)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(mén)，在V導(dǎo)通時(shí)輸出電壓等于Ud，導(dǎo)通時(shí)間為ton，在V關(guān)斷時(shí)輸出電壓等于0，關(guān)斷時(shí)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(shí)間t1 前脈沖較寬、間隔窄，平均電壓（UR1）較高；在時(shí)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(chēng)為定頻調(diào)寬法。由于輸出電壓比輸入電壓低，稱(chēng)之為降壓斬波電路或Buck變換器。 |
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方波脈沖不能算直流電源，實(shí)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(dāng)V導(dǎo)通時(shí)， L與C2蓄能，向負(fù)載R輸電；當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，C2向負(fù)載R輸電， L通過(guò)D向負(fù)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。 |
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| 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(guò)電感元件還可組成升壓斬波電路，見(jiàn)圖3，當(dāng)開(kāi)關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，電流通過(guò)電感L時(shí)會(huì)在L中存儲(chǔ)能量，此時(shí)負(fù)載上的電壓由C2提供，當(dāng)開(kāi)關(guān)管V關(guān)斷時(shí)，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。 |
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該電路稱(chēng)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(gè)通道開(kāi)關(guān)周期相同、通斷時(shí)間相同，關(guān)鍵是三個(gè)開(kāi)關(guān)管通斷時(shí)間必須均勻錯(cuò)開(kāi)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。 |
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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(qǐng)查閱其他書(shū)籍或資料。 以上電路屬單象限變換，電路簡(jiǎn)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(jiàn)圖5，W1與W2圈數(shù)都為N1，構(gòu)成一個(gè)有中間抽頭的線圈，作為輸出變壓器的初級(jí)，W3與W4圈數(shù)都為N2，構(gòu)成一個(gè)有中間抽頭的線圈，作為輸出變壓器的次級(jí)，V1與V2交替導(dǎo)通，在次級(jí)就會(huì)感生電壓，經(jīng)全波整流后濾波到負(fù)載。變壓器兩側(cè)電壓之比為N1與N2之比，通過(guò)變壓器可輸出高低不同的多種電壓；而且變壓器把太陽(yáng)電池與用戶(hù)隔離開(kāi)來(lái)，有利于系統(tǒng)的安全。有關(guān)細(xì)節(jié)請(qǐng)查閱其他書(shū)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(jiǎn)單，使用器件少，但開(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)晶體管T1、T2、T3、T4，4個(gè)開(kāi)關(guān)管的保護(hù)二極管（續(xù)流二極管）D1、D2、D3、D4，輸出交流電到負(fù)載R。下面就具體分析這個(gè)電路。圖7與圖8是輸出正向與負(fù)向電流流向圖，為清晰起見(jiàn)把電路簡(jiǎn)化，只保留主要器件。 當(dāng)開(kāi)關(guān)管T1與T4導(dǎo)通，T3、T2關(guān)斷，時(shí)，在負(fù)載R上有正向電流通過(guò)，輸出正向電壓，見(jiàn)圖7。 |
圖7 單相全橋方波正向輸出 |
| 當(dāng)開(kāi)關(guān)管T3與T2導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷，時(shí)，在負(fù)載R上有負(fù)向電流通過(guò)，輸出負(fù)向電壓，見(jiàn)圖8。 |
圖8 單相全橋方波負(fù)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(fù)載隔離，并實(shí)現(xiàn)電壓的變比。在變壓器次級(jí)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(hào)與波形變化順序如下： 控制開(kāi)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(shí)間ton時(shí)，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管V1與V4，全橋輸出電壓u1為0； 到時(shí)間T1時(shí)，開(kāi)關(guān)管V3、V2導(dǎo)通，全橋輸出電壓u1為-Ud； 到時(shí)間T1+ton時(shí)，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管V3與V2，全橋輸出電壓u1為0； 到時(shí)間T2時(shí)，開(kāi)關(guān)管V1與V4導(dǎo)通，全橋輸出電壓u1為Ud； 到時(shí)間T2+ton時(shí)，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管V1與V4，全橋輸出電壓u1為0； 到時(shí)間T3時(shí)，開(kāi)關(guān)管V3、V2導(dǎo)通，全橋輸出電壓u1為-Ud； 到時(shí)間T3+ton時(shí)，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管V3與V2，全橋輸出電壓u1為0； 到時(shí)間T4時(shí)，控制開(kāi)關(guān)管V1與V4導(dǎo)通，全橋輸出電壓u1為Ud； 到時(shí)間T4+ton時(shí)，……；到時(shí)間T5時(shí)，…… 這樣控制各開(kāi)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(jí)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(lán)色線所示；濾波后輸出到負(fù)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 |
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(duì)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(hào)是見(jiàn)圖11。 |
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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(dān)電能變換或控制任務(wù)的電子器件稱(chēng)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)娏鞔螅瑢?dǎo)通時(shí)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(hào)。 |
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| 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(mén)極觸發(fā)電流與門(mén)極觸發(fā)電壓等參數(shù)，其他參數(shù)要求類(lèi)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(hào)，圖14右圖是可關(guān)斷晶閘管圖形符號(hào)。 |
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| 全控型器件 |
可通過(guò)控制信號(hào)控制其導(dǎo)通或關(guān)斷的器件，主要有電力晶體管、電力場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管具有開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，輸入阻抗高，所需驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)稱(chēng)為電力三極管、開(kāi)關(guān)晶體管或開(kāi)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(hào)。 |
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