光伏储能典型应用之DC-DC变换电路
为深入贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略，实现碳达峰碳中和战略目标，支撑构建新型电力系统，加快推动新型储能高质量规模化发展，储能系统迎来新一轮发展势头；同时随着资源的日益匮乏和环境污染问题的不断加剧，可再生能源得到重视和推广。储能系统能有效应对可再生能源输出功率的波动特性，因而在光伏发电和风力发电等新能源领域应用广泛。在储能系统中双向DC-DC变换器起着关键的接口作用，它可以使能量在储能设备和直流母线之间进行双向流动。随着科技的不断发展，DC-DC变换器的性能和应用范围也在不断提高和扩大。本文将带您了解DC-DC变换器的工作原理及其分类和应用。
图片来源于互联网
一、DC-DC变换器工作原理
将直流电变为另一固定电压或者可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路，以满足实际应用需求。
二、DC-DC变换器种类
直流电路的种类比较多，包括以下六种基本电路：升压电路、降压电路、升降压电路、Cuk电路、Sepic电路以及Zeta电路。其中前3种电路为基本的电路，在电压转换、效率、成本和适用场景等方面各具优势，将对其进行重点介绍。
2.1升压电路（Boost Chopper）
工作原理简述：
该电路使用一个全控IGBT器件，当IGBT导通时，电源E向电感L充电，充电电流I1恒定；与此同时电容C上电压向负载R供电。因C值较大，输出电压UO为恒定值。假设IGBT导通时间为Ton，此时间段内电感L上储存的能量为E* I1*Ton；当IGBT关断后，E和L共同向C充电并向负载R提供能量，假设IGBT关断时间为Toff，在此器件电感L释放的能量为（UO-E）* I1*Toff，当电路稳态后，一个周期内电感L储存的能量与释放的能量相等，即
E* I1*Ton =（UO-E）* I1*Toff （式1）
化简为：UO=T/ Toff*E （式2）
式2中，T/ Toff≥1，UO≥E即输出电压高于输入电压故称为升压电路，也称Boost Chopper电路。该电路目前有三种典型应用：a、直流电动机；b、功率因数校正；c、交直流电源。
图1 升压电路工作原理图
升压（Boost Chopper）电路实际应用之IGBT选型
实际应用中，Boost Chopper电路常与桥式整流电路一起构成有源PFC（功率因数校正）拓扑进行工作对功率因数进行校正，是开关电源中的常用电路，典型有源PFC拓扑电路如下：
图2 有源PFC拓扑工作原理图
作为功率模块供应商，那么如何依据有源PFC拓扑去给客户推荐合理的IGBT解决方案就成为首要任务。假定系统目标参数如下：
Ø 输入电压Vac：150~265VAC，50Hz输入；
Ø 输出效率η：95%
Ø 输出功率Pout-max：2KW
Ø 电感纹波Iripple：18%
按照上述需求可得：
输入电流最大值：Iin-max=1.414*Pout-max/η/Vac-min=1.414*2000/0.95/150=19.9A
电感电流最大值：IL-max= Iin-max*（1+Iripple）=19.9*（1+0.18）=23.5A
IGBT集电极最大电流即电感最大电流为23.5A，IGBT选型时额定工作电流应至少为1.5倍集电极最大电流，故应选额定电流值Ic＞35A，考虑模块裕量，建议选75A电流的模块；考虑到IGBT关断时产生的尖峰电压，一般IGBT的额定电压要高于直流母线电压的1.5倍，故Vce＞265*1.414*1.5=562V，建议选650V耐压的IGBT；综上650V/75A的Boost模块可以满足客户需求。
2.2降压电路（Buck Chopper）
工作原理简述：
该电路使用一个全控IGBT器件，当IGBT导通时，电源E向负载供电，负载电压UO=E，负载电流IO呈指数曲线上升；当IGBT关断后，负载电流通过二极管续流，负载电压几乎为零，负载电流IO呈指数曲线下降，当电路处于稳态时，负载电流在一个周期内初始值与终值相等，那么负载电压
UO=Ton/ (Ton +Toff)*E= Ton/ T*E （式3）
式3中，Ton/ T≤1，UO≤E即输出电压低于输入电压故称为降压电路，也称Buck Chopper电路。
l 图3 降压电路工作原理图
实际应用中，Buck Chopper电路一般与Boost Chopper电路搭配使用，具体应用案例在Buck-Boost Chopper电路阐述。
2.3升降压电路（Buck-Boost Chopper）
工作原理简述：
该电路使用一个全控IGBT器件，且电路中电感L以及C值都很大，使得电感电流IL和负载电压UO基本为恒定值。当IGBT开通后，电源E向电感L充电，此时电流方向为I1；与此同时电容C维持输出电压恒定并向负载R供电；当IGBT关断后，电感L中的能量向负载释放，电流为I2，当电路处于稳态后，电感L一个周期内能量为0，即
=0 （式4）
当IGBT导通时，UL=E；当IGBT关断时，UL=-UO。于是
E*Ton=UO *Toff （式5）
UO= Ton/ Toff*E= Ton/ (T- Ton)*E=α/(1-α)*E （式6）
式6中α为占空比，当0＜α＜1/2时为降压，1/2＜α＜1时为升压。因此该电路称做升降压电路，也称Buck-Boost Chopper电路。此外，可以发现负载电压两端极性为上负下正，与电源极性相反，因此该电路也被称为反极性电路。
图4 升降压电路工作原理图
升降压（Buck-Boost Chopper）电路实际应用之IGBT选型
在PCS中，电池需要能够双向工作，即充电和放电。Buck-Boost转换器具备双向DC-DC转换能力，能够在不同模式下高效切换，满足能量存储和释放的需求。双向DC-DC转换器允许能量在电网、电池和负载之间灵活流动，有助于平衡电网负荷，优化能量使用，特别是在有间歇性能源（如太阳能和风能）的系统中。SiC模块在高频下开关损耗低，使得双向DC-DC转换器的效率大幅提高，散热需求降低，深受客户青睐，下面以SiC模块构成的H桥30KW Buck-Boost电路中的IGBT选型为例：
图5 H桥电路拓扑
假定系统目标参数如下：
Ø输入电压Vint：200~850V
Ø输出电压Vout：680~900V
Ø频率：20~32Hz
Ø 输出最大电流：75A
Ø 效率：99.3%
选型时额定工作电流应至少为1.5倍最大输出电流，建议选120~150A左右的模块；输出最高电压900V，考虑电压裕量，建议选择1200V耐压的模块；综上1200V/120A的模块可满足应用需求（SiC模块依据Rdson与电流关系选择即可），模块拓扑可选择2个半桥模块并联，亦可选择1个H桥模块。
通过前述对DC-DC变换电路的介绍，对其基本工作原理以及相关应用有了初步的了解，也知道IGBT模块在其中扮演了非常重要的角色；随着光伏储能市场的快速增长，在选择适合的变换器类型以及IGBT模块时，需要综合考虑输入电压、输出需求、负载情况以及效率、成本等方面的因素，阿基米德半导体为各合作伙伴提供最全面的功率模块解决方案，期待大家的携手合作，一起为双碳时代谱写新篇章！
搜索更多
0551-68281313