DC-DC变换器原理

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。

图5 推挽式变换电路

推挽式功率变换电路电路简单，使用器件少，但开关管要承受两倍的输入电压，一般只在微、小型变换器中使用。

单相全桥变换电路

图6是单相全桥变换电路。

图6? 单相全桥变换电路

图中Ud是直流输入电压，为稳定电压配有电容C，4个开关晶体管T1、T2、T3、T4，4个开关管的保护二极管（续流二极管）D1、D2、D3、D4，输出交流电到负载R。下面就具体分析这个电路。图7与图8是输出正向与负向电流流向图，为清晰起见把电路简化，只保留主要器件。

当开关管T1与T4导通，T3、T2关断，时，在负载R上有正向电流通过，输出正向电压，见图7。

图7 单相全桥方波正向输出

当开关管T3与T2导通，T1、T4关断，时，在负载R上有负向电流通过，输出负向电压，见图8。

图8 单相全桥方波负向输出

图9是带变压器输出的全桥直流变换电路，采用变压器T将输入的光伏电源与输出方的负载隔离，并实现电压的变比。在变压器次级采用了桥式全波整流与LC滤波。

图9? 变压器隔离的单相全桥变换电路

图10是变压器隔离的单相全桥变换电路主要波形图，图中的控制信号与波形变化顺序如下：

控制开关管V1与V4导通，V3、V2关断，全桥输出电压u1为Ud；

到时间ton时，关断开关管V1与V4，全桥输出电压u1为0；

到时间T1时，开关管V3、V2导通，全桥输出电压u1为-Ud；

到时间T1+ton时，关断开关管V3与V2，全桥输出电压u1为0；

到时间T2时，开关管V1与V4导通，全桥输出电压u1为Ud；

到时间T2+ton时，关断开关管V1与V4，全桥输出电压u1为0；

到时间T3时，开关管V3、V2导通，全桥输出电压u1为-Ud；

到时间T3+ton时，关断开关管V3与V2，全桥输出电压u1为0；

到时间T4时，控制开关管V1与V4导通，全桥输出电压u1为Ud；

到时间T4+ton时，……；到时间T5时，……

这样控制各开关管的导通与关断，循环下去全桥输出电压u1（变压器输入电压）波形如图10上部绿色线所示；变压器次级输出交变电压u2如图10中部紫色线所示；桥式整流输出电压u3如图10下部蓝色线所示；滤波后输出到负载上的电压如图10下部红色线所示。

图10 单相全桥变换电路主要波形图

下面请观看全桥直流变换电路工作动画

全桥直流变换电路工作动画 

DC-DC变换器可以把直流电转换成不同电压的直流电输出，在光伏发电系统中作为控制器使用，可控制对蓄电池的充电，可作为直流电源使用。

DC-DC变换器的图形符号是见图11。

图11 DC-DC变换器的图形符号

附：电力电子器件

在电气设备或电力系统电路中，能承担电能变换或控制任务的电子器件称为电力电子器件。电力电子器件要能工作在高电压和大电流状态，导通电压要低。

电力电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

电力二极管是用于整流电路，把交流电变为直流电。主要参数与要求是：正向导通电流大，导通时正向压降小，反向耐压高。图12电力二极管图片，图14左图是电力二极管的图形符号。

图12 电力二极管图片

??? 半控型器件

晶闸管，也叫可控硅，是可控制导通的二极管，用于可控整流。晶闸管除了门极触发电流与门极触发电压等参数，其他参数要求类同电力二极管。图13是晶闸管图片，图14中图是晶闸管图形符号，图14右图是可关断晶闸管图形符号。

图13 晶闸管图片

图14 电力二极管与晶闸管图形符号?

全控型器件

可通过控制信号控制其导通或关断的器件，主要有电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管等，目前在电力变换与逆变电路中主要采用的是后两种晶体管。

电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管具有开关速度快，工作频率高，输入阻抗高，所需驱动功率小，耐压高，导通电压低，热稳定性好。下面把这种电力电子器件简称为电力三极管、开关晶体管或开关管。图15为电力三极管图片，图16为电力三极管图形符号。

图15 电力三极管图片

图16 电力三极管图形符号