DCDC变换器原理

DC-DC变换器原理

DC/DC Converter Principle

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

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

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。

C变换基本原理

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）

压。

波电路

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

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

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

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

WM)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

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

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

不大。

图2? 降压型DC-DC变换电路

出电压UR=D Ud，D是占空比，值为0至1。

斩波电路

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

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

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。

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。

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

、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

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

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。

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。

功率变换电路

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

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，

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

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。

桥变换电路

相全桥变换电路。

图6? 单相全桥变换电路

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

。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。

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

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

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

图9? 变压器隔离的单相全桥变换电路

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：

管V1与V4导通，V3、V2关断，全桥输出电压u1为Ud； 时，关断开关管V1与V4，全桥输出电压u1为0；

时，开关管V3、V2导通，全桥输出电压u1为-Ud；

+ton时，关断开关管V3与V2，全桥输出电压u1为0；

时，开关管V1与V4导通，全桥输出电压u1为Ud；

+ton时，关断开关管V1与V4，全桥输出电压u1为0；

时，开关管V3、V2导通，全桥输出电压u1为-Ud；

+ton时，关断开关管V3与V2，全桥输出电压u1为0；

时，控制开关管V1与V4导通，全桥输出电压u1为Ud；

+ton时，……；到时间T5时，……

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

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

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

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。

换器的图形符号是见图11。

图11 DC-DC变换器的图形符号

力电子器件

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。

器件主要有不可控器件、半控型器件、全控型器件。

控器件

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

管的图形符号。

图12 电力二极管图片

??? 半控型器件

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

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?

器件

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

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

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。