| 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量，并與負載大小與光照強度直接有關，不能直接作為正規電源使用。通過DC-DC變換器可以把太陽電池輸出的直流電轉換成穩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，是太陽能光伏發電系統的重要組成部分，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制(PWM)工作方式，基本原理是通過開關管把直流電斬成方波（脈沖波），通過調節方波的占空比（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是開關管，UR是負載R上的電壓，開關管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導通時輸出電壓等于Ud，導通時間為ton，在V關斷時輸出電壓等于0，關斷時間為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，改變占空比調節輸出電壓就是(PWM)法，也稱為定頻調寬法。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。 |
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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是續流二極管。當V導通時， L與C2蓄能，向負載R輸電；當V關斷時，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 |
| 通過電感元件還可組成升壓斬波電路，見圖3，當開關管V導通時，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，當開關管V關斷時，電感L釋放能量，輸出電壓為輸入電壓Ud與L產生的電壓相加，故提高了輸入電壓。 |
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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備中應用很廣，為了減小輸出電壓的波紋，通常采用多通道多重化并聯升壓型變換電路，圖4是三通道多重化并聯升壓型變換電路。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。三個通道開關周期相同、通斷時間相同，關鍵是三個開關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圈數都為N1，構成一個有中間抽頭的線圈，作為輸出變壓器的初級，W3與W4圈數都為N2，構成一個有中間抽頭的線圈，作為輸出變壓器的次級，V1與V2交替導通，在次級就會感生電壓，經全波整流后濾波到負載。變壓器兩側電壓之比為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，有利于系統的安全。有關細節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，為穩定電壓配有電容C，4個開關晶體管T1、T2、T3、T4，4個開關管的保護二極管（續流二極管）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。 當開關管T1與T4導通，T3、T2關斷，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 |
| 當開關管T3與T2導通，T1、T4關斷，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： 控制開關管V1與V4導通，V3、V2關斷，全橋輸出電壓u1為Ud； 到時間ton時，關斷開關管V1與V4，全橋輸出電壓u1為0； 到時間T1時，開關管V3、V2導通，全橋輸出電壓u1為-Ud； 到時間T1+ton時，關斷開關管V3與V2，全橋輸出電壓u1為0； 到時間T2時，開關管V1與V4導通，全橋輸出電壓u1為Ud； 到時間T2+ton時，關斷開關管V1與V4，全橋輸出電壓u1為0； 到時間T3時，開關管V3、V2導通，全橋輸出電壓u1為-Ud； 到時間T3+ton時，關斷開關管V3與V2，全橋輸出電壓u1為0； 到時間T4時，控制開關管V1與V4導通，全橋輸出電壓u1為Ud； 到時間T4+ton時，……；到時間T5時，…… 這樣控制各開關管的導通與關斷，循環下去全橋輸出電壓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 |
DC-DC變換器可以把直流電轉換成不同電壓的直流電輸出，在光伏發電系統中作為控制器使用，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。 |
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| 附：電力電子器件 |
在電氣設備或電力系統電路中，能承擔電能變換或控制任務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，導通電壓要低。 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，把交流電變為直流電。主要參數與要求是：正向導通電流大，導通時正向壓降小，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。 |
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| 半控型器件 |
晶閘管，也叫可控硅，是可控制導通的二極管，用于可控整流。晶閘管除了門極觸發電流與門極觸發電壓等參數，其他參數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右圖是可關斷晶閘管圖形符號。 |
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| 全控型器件 |
可通過控制信號控制其導通或關斷的器件，主要有電力晶體管、電力場效應晶體管、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。 電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管具有開關速度快，工作頻率高，輸入阻抗高，所需驅動功率小，耐壓高，導通電壓低，熱穩定性好。下面把這種電力電子器件簡稱為電力三極管、開關晶體管或開關管。圖15為電力三極管圖片，圖16為電力三極管圖形符號。 |
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