单象限直接DC-DC变换电路优化方案

直接DC-DC变换电路又称为直流斩波电路。最基本的单象限直流斩波电路有六种，分别是降压斩波器（Buck电路），升压斩波电路（Boost电路），升降压斩波电路（Buck-Boost电路），Cuk电路，Sepic电路和Zeta电路。目前，在光伏系统中应用较多的是前三种。

3.1.1.1 Buck电路

Buck电路的拓扑结构如图3-1所示。Buck电路的基本工作原理是：当i_G为高电平时，开关管VT开通，电源E向负载R供电，同时给电感L充电储能；当i_G为低电平时，开关管VT断开，电感电流i_L通过VD构成续流回路，电感中储存的能量释放给负载。电容C起到支撑电压和滤波的作用。

Buck电路有两种工作模式：电感电流连续工作模式和电感电流断续工作模式。下面分别介绍。在以下分析中，假设电感L和电容C都很大。

图3-1 Buck电路

1.电感电流连续模式

电感电流连续时各电量波形如图3-2a所示。

该工作模式下，输出平均电压U_o与电源电压E的关系为

式中，α称为占空比或导通比。由式（3-1）可知α≤1，因此该电路称为降压斩波电路。

负载平均电流I_o为

图3-2 电感电流连续时Buck电路各电量波形

电感L很大时，则电感电流的变化为线性变化。于是，在0～t_on阶段，有

当t=t_on时，有

由式（3-4），可知电感电流脉动量ΔI为

当I_min=0时，电路达到临界断续状态，此时有的输出平均电流称为临界平均电流，为

2.电感电流断续模式

电感电流断续时，各电量的波形如图3-2b所示。

此时输出电压平均值为

式中，α₁=t_x/T。

比较式（3-6）和式（3-1），可见电感电流连续时，输出电压平均值高于电感电流连续时的值。而当电感电流断续时，负载电流平均值仍可按式（3-2）求出，只是对应的U_o用式（3-7）替换。

根据图3-2b，有

而I_max为

将式（3-9）和式（3-7）代入式（3-8），并进一步化简，有

3.滤波参数选择

前面曾假设电感L和电容C都很大。实际上需要根据电路的具体情况进行选择。

（1）电感的选取

从图3-2可知，当电感电流连续时，输入输出为线性关系，且电流变化较小，但所需电感量比较大，因而效率较低，功率密度小；当电感电流断续时，输出电压与输入为非线性关系，且电流脉动大，但所需电感量小，且二极管为零电流关断，因而效率较高，功率密度大。因此，需要根据实际情况，选择工作模式。(www.xing528.com)

由式（3-6），可知使电感电流连续的最小电感为

根据负载的变化范围，采用其最小平均电流I_OM为I_oc代入上式，有

（2）电容的选取

滤波电容的值由系统允许的输出电压变化量ΔU_o来确定。假设负载电流的变化很小，电感电流中的谐波电流完全流过电容，则电容电流的变化量与电感电流的变化量相同，即ΔI_C=ΔI。由于电容电流在一个周期的平均值为零，则在半周期内电容充电或放电的电荷量为

相应的电压变化量为

将式（3-5）代入式（3-14），并取f=1/T，可以得到电容的计算公式为

3.1.1.2 BooSt电路

Boost电路的拓扑结构如图3-3所示。Boost电路的基本工作原理为：当i_G为高电平时，开关管VT开通，电源E给电感L充电储能；当i_G为低电平时，开关管VT断开，电源和电感同时向负载释放能量。电容C起到支撑电压和滤波的作用。

图3-3 Boost电路

与Buck电路类似，Boost电路的工作状态也分为电感电流连续状态和电感电流断续两种状态。电路工作的具体分析工程与Buck电路类似，不再赘述。Boost电路在电感电流连续时输入/输出电压关系为

由于α≤1，因此该电路称为升压斩波电路。

Boost电路的电感取值公式为

电容取值公式为

图3-4 Buck-Boost电路

3.1.1.3 Buck-BooSt电路

Buck-Boost电路的拓扑结构如图3-4所示。Buck-Boost电路的基本工作原理是：当i_G为高电平时，开关管VT开通，电源E给电感L充电储能，同时二极管反偏截止；当i_G为低电平时，开关管VT断开，储存在电感中的能量释放给负载。从图3-4可以看出，Buck-Boost电路输出电压的极性与输入电压相反，因此也称为反极性斩波器。电容C起到支撑电压和滤波的作用。

电感电流连续时，Buck-Boost电路的输入/输出电压关系为

由式（3-19）可知，当α＞0.5，输出电压高于输出电压；当α＜0.5，输出电压低于输出电压。因此Buck-Boost电路称为升降压斩波器。

Buck-Boost电路的电感取值公式为

电容取值公式为

3.1.1.4 单象限直流斩波器在光伏系统中的应用

从DC-DC变换器的效率来看，各种拓扑结构中Buck电路和Boost电路效率是最高的，Buck-Boost电路和Cuk电路次之，而效率对光伏系统的应用非常重要。在千瓦级的系统中，通过光伏组件的串联直流侧已经可以获得比较高的电压，采用直接DC-DC电路代替间接DC-DC电路已经成为可能。Buck电路为降压型变换器，系统如果需要工作在最大功率输出状态（即光伏阵列的最大功率点），必须始终高于负载的工作电压，这在很大程度上限制了光伏阵列的配置。因此Buck电路很少用于并网光伏系统，而是广泛应用于独立系统的最大功率点跟踪，因为在独立系统中储能元件的电压一般都低于光伏阵列最大功率点的电压。

Boost电路是用于并网光伏系统中最大功率点跟踪的理想选择。由于Boost电路是升压斩波器，因此光伏阵列的最大功率点电压可以低于负载的工作电压。Boost电路中的二极管可以用做防反二极管，阻止电网侧的能量回流到光伏阵列。这样在光伏阵列这一侧就可以省去防反二极管，提高了系统的整体效率。

在分布式光伏发电系统中，各光伏阵列的规格、厂家不同，其输出电压等级也不同，有的可能高于负载工作电压，有的可以低于负载工作电压。这时Buck-Boost电路不失为一种很好的选择。由于Buck-Boost电路输出电压的范围宽，因此在上述场合有重要的应用前景。

实际上在有多个光伏阵列构成的分布式光伏发电系统中，各个支路的DC-DC变换电路不一定需要相同的电路结构，每个支路都可以根据实际情况选择适合的电路结构。这也是分布式发电系统中的一种发展趋势。