太陽能電池發電系統中DC-DC變換器的設計

劉向民，薛儉雷，田春華

(齊齊哈爾醫學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

太陽能電池發電系統中DC-DC變換器的設計

劉向民，薛儉雷，田春華

(齊齊哈爾醫學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

介紹了太陽能電池發電系統，針對太陽能電池受到自然條件和隨機因素的影響會出現非正常工作的情況，提出利用DC-DC變換器解決太陽能電池不穩定性問題。根據DC-DC變換電路的特點設計了脈寬調制電路和推挽電路。

太陽能電池；推挽變換器；升壓電路；脈寬調制

太陽能電池發電系統在各個領域應用十分廣泛，具有永久性、清潔性等特點，但是晝夜、天氣、季節等自然因素也會對太陽能電池的工作產生影響，因此設計一個適合于太陽能發電系統的DC-DC轉換器就顯得尤為重要。

一 太陽能電池發電系統

1.太陽能電池的工作原理。

太陽能電池吸收一定能量的光子后，在半導體內就會產生帶正電的空穴和帶負電的電子，這種電子-空穴對被稱為“光生載流子”。電子-空穴對被半導體p-n結產生的靜電場分離，電池的正極收集帶負電的電子，電池的負極收集空穴，因此在電池的外電路中就產生了電流。

2.太陽能電池發電系統的組成。

圖1 太陽能電池發電系統框圖

太陽能發電系統的組成如圖1所示。太陽能電池陣列是將多個太陽能電池單體串、并聯，封裝形成太陽能電池組，再將電池組進行串、并聯形成太陽能電池陣列；防反充二極管是避免太陽能電池陣列不發電或出現故障時，蓄電池組通過太陽能電池陣列放電；DC-DC變換器是在光照不足太陽能電池陣列無法正常工作時，需通過DC-DC變換器升壓后再對負載供電和儲能。蓄電池組的作用是儲能，當太陽能電池在自然因素的影響下不能正常工作時，蓄電池組開始對負載供電，以此保證電源持續穩定工作；充放電控制器是保護蓄電池，延長蓄電池的使用壽命，防止蓄電池過分地充電和放電；逆變器是將直流電能轉換為交流電能，以滿足各種交流負載的用電需要。[1]

二 DC-DC變換器的設計

根據太陽能電池的特點設計一款適用于小型負載的DC-DC變換器，基本要求：光照不足時太陽能電池陣列輸出9V直流電壓，經DC-DC變換器后升至14V，變換器的工作效率大于70%，可變占空比達到0.8，工作頻率最高可達50KHz。該變換器的主體設計主要包括脈寬調制控制器和推挽變換器兩部分，主體電路的框圖如圖2所示，太陽能電池陣列輸出直流電壓，經濾波除掉干擾后經脈寬調制電路實現脈寬調制輸出相位相反的方波脈沖；[2]再由推挽變換器及LC濾波電路整流濾波后輸出穩定的直流電壓，輸出的電壓和反饋電路比較，如達到預設的14 V電壓，則直接對負載供電以及實現儲能功能，如輸出的實際電壓小于14V，則經升壓電路升至14 V后再對負載供電并實現儲能功能，確保太陽能電池發電系統持續工作。[3]

圖2 主體電路設計框圖

1.脈寬調制電路的設計。

芯片sg3524實現脈寬調制控制器的控制功能，該芯片的驅動電壓要求低，太陽能電池陣列產生的電壓即可驅動使芯片正常工作。脈寬調制電路如圖3所示。該控制器中6腳接阻值為5.1 k Ω的電阻R3并與大地端連接，7腳接0.04 μF的電容器C1，并與大地相連。sg3524基準電壓穩壓輸出5V，芯片2腳和16腳均接5.1k電阻，經分壓后2腳的基準電壓為2.5V。最后由芯片的11腳和14腳輸出方波脈沖，幅值為9.0V，頻率約為5.8kHz，輸出脈沖頻率由6腳連接的電阻和7腳連接的電容決定，相位相反。[4]

圖3 電路相應參數及其說明

2.推挽變換器的設計。

推挽變換器是由逆變器和整流濾波電路以及控制驅動電路組成，結構如圖4所示。逆變器的主要作用是通過半導體功率開關的開通或者關斷，把直流電轉變成交流電的變換電路，該推挽變換器的逆變器是由兩個高頻開關三極管TIP41A和變壓器組成。逆變器將太陽能電池方陣輸出的直流電變換成高頻方波脈沖，其中TIP41A也起電流放大的作用。由于變壓器的漏感等原因，開關管在關斷或反向恢復的瞬間會產生較高的尖峰脈沖，因此在開關管兩端的并聯一個緩沖吸收電路來抑制噪聲，經變壓器升壓后，再由LC濾波電路整流濾波，輸出所需的直流電壓。[5]

圖4 推挽電路結構圖

三 結論

以太陽能電池發電系統的升壓變換器為研究對象，根據太陽能具有不穩定的缺點，研究設計了 DC-DC升壓變換器以解決上述問題。通過理論分析和仿真驗證設計完成了脈寬調制控制器、推挽變換控制器。該電路使用的元器件少，調試容易，在小型太陽能發電系統中具有較好的發展前景。

[1]李崇華.太陽能電池工作原理與種類[J].電氣技術，2009(8):128-130.

[2]薛儉雷，田春華，邱成軍等.一種太陽能電池升壓電路的仿真與實現[J].高師理科學刊，2012,32(5):46-49.

[3]黃譚友，楊啟洪，廖繼海.太陽能升壓與電池充電控制電路的研究[J].實驗技術與管理，2007,24(12):35-36.

[4]薛儉雷，田春華，萬永剛.太陽能電池升壓電路的設計與仿真[J].微型機與應用，2012，31(13)：22-24.

[5]李桂丹，高晗瓔，張春喜.基于SG3525的DC/DC直流變換器的研究[J].通信電源技術,2008,25(5):28-30.

ClassNo.:TM914.4DocumentMark：A

(責任編輯：鄭英玲)

DesignofDC-DCConverterofSolarBatteryPowerGenerationSystem

Liu Xiangmin，Xue Jianlei，Tian Chunhua

(Qiqihar Medical University，Qiqihar，Heilongjiang 161006，China)

Solar Battery power generation system has been introduced into China power production system .Due to the limitation of natural conditions and the random factors , Solar Battery will not work stably . The paper propose some suggestions to solve the problem of DC - DC converter. According to the characteristics of the DC - DC transform circuit, we design a pulse width modulation circuitry and push-pull circuit.

Solar cell；Push-pull converter；Boost circuit；pulse-width modulation

劉向民，助教，本科，齊齊哈爾醫學院。從事計算機工程方面研究。

薛儉雷，講師，碩士，齊齊哈爾醫學院。從事微電子方面研究。

田春華，講師，碩士，齊齊哈爾醫學院。從事光通訊方面的研究。

齊齊哈爾市科學技術計劃指導性項目(2010年)。

黑龍江省教育廳2012年度科學技術研究(面上)項目計劃，項目編號：12521640。

黑龍江省教育廳2013年度科學技術研究(面上)項目計劃，項目編號：12531833。

1672-6758(2013)08-0061-2

TM914.4

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