电力电子课程设计光伏系统DC/DC变换器设计与仿真姓名：班级：学号：目录一、引言............................. 错误!未定义书签。

二、设计要求.......................... 错误!未定义书签。

三、主电路图：........................ 错误!未定义书签。

四、设计方案.......................... 错误!未定义书签。

五、主模块............................ 错误!未定义书签。

六、光伏电池模块...................... 错误!未定义书签。

七、最大功率跟踪模块.................. 错误!未定义书签。

八、驱动保护电路设计................. 错误!未定义书签。

九、模块的连接........................ 错误!未定义书签。

十、结束语............................ 错误!未定义书签。

十一、参考文献........................ 错误!未定义书签。

光伏系统 DC/DC 变换器设计与仿真一、引言DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。

BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。

本次课设立求设计出DC-DC变换器实现15V向5V的电压变换，选取的电路是IGBT降压斩波电路。

IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT 作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。

它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。

其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。

IGBT降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。

光伏发电系统（PV System）是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏特效应。

光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统、并网太阳能光伏发电系统和分布式太阳能光伏发电系统。

它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。

其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。

据智研咨询统计：2012年全球光伏发电累计装机达到97GW,2012年全球新增装机30GW，中国新增装机占全球总量的16%以上，随着国家对清洁能源产业的大力扶持，我国光伏发电系统产业将迎来发展高峰期。

是指利用光伏电池的光生伏打效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统，包括光伏组件和配套部件(BOS)。

据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。

预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。

这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

在当今油、碳等能源短缺的现状下，各国都加紧了发展光伏的步伐。

美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其2015年达到商业化竞争的水平;日本也提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量;欧洲光伏协会提出了“setfor2020”规划，规划在2020年让光伏发电做到商业化竞争。

在发展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高。

二、设计要求主要性能指标要求：直流输入 30V-40V，额定容量 500W，瞬时最大功率 700W具体内容：要求学生在深入学习和分析光伏系统最大能量跟踪控制、DC/DC 变换器的组成和工作原理基础上，完成 DC/DC 变换器主电路和驱动保护电路的硬件设计与元件选型，并在 MATLAB SIMULINK 平台上，完成控制系统仿真。

三、主电路图：四、设计方案光伏发电系统由光伏电池组（包括控制器）、蓄电池（组）、逆变器等组成，其主要结构框图如图所示：其中，DC/DC 转换器的主要作用为：一是调节太阳能电池的工作点，使其工作在最大功率点处，二是限制蓄电池充电电压范围。

通过升压作用，将光伏电池产生的在一定范围内波动的直流电压转换为稳定输出的直流电压。

另外，最大功率跟踪（MPPT ）一般也是在这里实现。

主要是控制开关管的占空比来达到电阻的匹配。

考虑的此部分电路工作的稳定性，还需要为该部分电路加上驱动保护电路。

电逆DC/DC 转蓄电光伏采用升压斩波电路 （Boost Chopper) 的相关知识来完成此次设计，并根据升压斩波电路设计任务要求设计主电路、 控制电路、 驱动及保护电路， 设计出升压斩波电路的结构。

在主电路的设计中， 直接以直流电源代替光伏电池， 以实现 DC/DC 变换为主，控制电路时 MPPT 最大功率跟踪电路为主， 兼顾控制光伏电池和PWM 驱动保护电路。

五、主模块1. 升压斩波电路原理：光伏发电系统的最大功率跟踪常采用的DC/DC 变换电路拓扑结构有不同类型DC/DC 变换器，亦称直流斩波器。

其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直接电压变换为另一种直流电压，其中二极管是起续流作用，LC 电路用来滤波。

典型的DC/DC 变化电路有降压式（buck ）、升压式（boost ）、升降压式（buck-boost ）、库克式（cuk ）等。

具体选择哪种类型的电路拓扑结构由系统的实际需要决定。

本次研修任务要求输入直流电压为30V-40V ；输出直流电压为48V 。

因此，考虑采用Boost 电路，即升压斩波器。

其输出平均电压o U 大于输入电压i U ，极性相同。

特点是：只能升压，不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载，结构简单，常用于将较低的直流电压变换成为较高的直流电压。

升压式（boost ）变换器是一种输出电压o V 高于输入电压in V 的单管不隔离直流变换器。

Boost 主电路如图所示。

Boost 变换器的主电路由开关管Q ，二极管D ，输出滤波电感f L 和输出滤波电容f C 构成。

Boost 变换器中电感f L 在输入侧，一般称为升压电感。

开关管Q 为PWM 控制方式，最大占空比y D 必须限制，不允许在y D =1情况下工作。

当Q 导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容C 向负载供电，此时in l V V 。

当开关Q 截止时，电感电流减小，释放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经过二极管向负载供电，同时向电容充电，此时o in l V V V -=。

图 Boost 变换器主电路Boost 变换器有两种工作方式：电感电流连续和断续。

图、给出了Boost 变换器在不同开关模态时的等效电路。

当电感电流连续时，Boost变换器存在来那个钟开关模态，如图、所示。

而当电感电流断续时，Boost变换器存在三种模态，如图、、所示。

图 Q 导通 图 Q 关断图 Q 关断时电感电流为零（1）开关模态1[0，on T ]：如图所示在0t =时，开关管Q 导通，电源电压in V 全部加到升压电感f L 上，电感电流lf I 线性增长。

二极管D 截止，负载由滤波电容f C 供电。

in lf f V dt di L =当on T t =时，lf I 达到最大值lfmax I 。

在Q 导通期间，lf i 的增长量）（+∆lf i 为： s y fin on f in lf T D L V T L V i ==∆+）（ （2）开关模态2[on T ，s T ]：如图所示 在on T t =时刻，Q 关断，lf i 通过二极管D 向输出侧流动，电源功率和电感f L 的储能向负载和电容f C 转移，给f C 充电。

此时加在f L 上的电压为o in V V -，因为in o V V >，故lf i 线性减小。

o in lf f V V dt di L -=当s T t =时，lf i 达到最小值lfmin I 。

在Q 截止期间，lf i 的减小量）（-∆lf i 为：s y f in o on s f in o lf T D -1L V -V T -T L V -V i ）（）（）（==∆-在s T t =时，Q 又导通，开始另一个开关周期。

由此可见，Boost 变换器的工作分为两个阶段，Q 导通时为电感f L 储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠存储于电容f C 的能量维持工作。

Q 关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容f C 充电。

因此Boost 变换器的输入电流就是升压电感f L 电流的平均值为2/I I I lfmin lfmax i ）（+=。

开关管和二极管轮流工作，Q 导通时，流过它的电流就是lf i ；Q 截止时，流过D 的电流也就是lf i 。

通过它们的q i 和d i 相加就是升压电感电流lf i 。

稳态工作时电容f C 充电量等于放电量，通过电容的平均电流为零，所以通过二极管D 的电流平均值就是负载电流o I 。

稳态工作时，开关管Q 导通期间电感电流的增长量）（+∆lf i 等于它在开关管Q 截止期间的减小量）（-∆lf i 。

yD -=11V V in o 其中1D 0y ≤<，故此电路只能起到升压作用。

要求输入直流电压为 30V-40V ； 输出直流电压为 80V 。

因此，考虑采用 Boost 电路， 即升压斩波器升压占波电路之所以能使输出电压高于电源电压， 关键有两个原因 ： 一是电感 L 储能之和具有使电压泵升的作用， 二是电容 C 可以将输出电压保持住。

因此， 必须选择合适的电容和电感， 除了满足升压的要求之外， 也能避免出现电流断续的情况。

2.占空比，电感与电容的计算和选取：（1）根据输入电压 E=40V, 输出电压 U0=80V, 代入下式，可得占空比：选取T=（2）根据电感L 的计算公式，可得临界电感值为：为了使电感值电流连续，实际电感值选为临界值的倍，故取电感值为 .（3）计算电容值 C, 这里设纹波电压 u0=%U0，代入电感值 .（4）整流二极管 D 的选取电力二极管的几个主要参数中，正向平均电流，正向压降，反向重复峰值电压，最高工作结温以及反向恢复时间等都影响整个系统的性能。