基于雙Buck電路的光伏充電控制器研究

余小冬　邢琦　趙佳鶴　時素銘

摘 要：針對小型離網光伏發電系統中電路損耗較高和容易發熱的問題，分析了光伏發電系統中常用的DC-DC電路的能量損失原因，結合改進型最大功率點（MPPT）跟蹤算法，設計了以雙Buck電路為充電電路的小型光伏充電控制器。研究結果表明，該光伏充電控制器減少了電路損耗，提高了轉換效率，能穩定快速的追蹤光伏電池的最大功率點，達到了優化小型離網光伏發電系統的目的。

關鍵詞：離網；光伏；最大功率點；Buck

離網型光伏發電系統指的是不與市網相連、通過光伏電池板給蓄電池充電并給用電設備供電的獨立用電系統。光伏電池的輸出功率與輸出電壓之間呈非線性，在一定的環境下有且只有一個最大輸出功率點。在從光伏電池板上提取能量的過程中，一方面需要追蹤光伏電池板的最大功率點，盡可能多的獲取能量，另一方面需要減少充電電路功率損耗，盡可能的把光伏電池板的能量輸送到蓄電池或用電設備中。常用的光伏輸出最大功率點跟蹤算法（Most Power Point Tracking，MPPT）有恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法等，常用的DC-DC充電電路有Buck、Boost、Buck-Boost等。

1 DC-DC電路分析

光伏充電系統中常用的Buck、Boost、Buck-Boost電路均屬于非隔離型DC-DC電路，最初被使用在開關電源電路研究中，因其結構簡單、控制方便、使用非損耗性元器件（電容、電感）、轉換效率高、所占體積小等優點而被逐漸推廣到眾多應用電路領域中。但非隔離行DC-DC電路并不是完美無缺，其仍存在理論上的能量損耗。

分析電路原理可知，無論是Buck、Boost還是Buck-Boost電路，均在電路中使用了二極管（常為快速恢復二極管，在Boost電路中作為開關二極管，在Buck和Buck-Boost電路中作為續流二極管），這些二極管雖然作用不同，但最終流經負載的部分電流均從二極管中通過，常用的快速恢復二極管導通電壓為0.7伏，當這些電路用在光伏充電控制器中時，流過的電流動則兩三安培，如此便會帶來1-2瓦的損耗，這對于離網型小功率光伏發電系統而言是不可忽略的損失，因為有功率損耗，自然也會帶來發熱等系列問題。

2 光伏充電系統

2.1 基于雙Buck電路的光伏充電控制器

為降低光伏充電系統中常用的DC-DC電路的功率損耗，設計了基于雙Buck電路的光伏充電控制器，其原理圖如下：

該電路以N溝道MOSFET代替DC-DC電路中Buck電路的續流二極管來為電路進行續流，MOSFET導通時具有毫歐級的導通電阻，對于光伏充電系統中個位數的安培電流級別而言，其導通壓降和功耗均可忽略，如此便達到了降低硬件電路功耗的目的。另一方面，雙Buck電路進行交替工作避免了單一電路持續工作而產生的發熱熱量累積問題，等效于雙Buck電路分擔單一Buck工作時的發熱量，降低了電路系統損壞的可能性。再者，在單端電路發生意外而不能工作時，另一部分電路仍可正常控制和充電，在安全意義上整個充電電路系統完成了冗余，提高了可靠性和可用性。

相對于常見的DC-DC電路而言，該電路在提高轉換效率和保證可靠性等方面均得到了提高。但由于使用MOSFET替代二極管進行續流，電路在控制方面則加大了難度。MOSFET需要PWM驅動電路對其進行開關控制，而在該電路中，續流的低位MOSFET的開關控制需要格外的精確，一則若高位開關MOSFET未完全關閉而低位MOSFET已經導通，則會造成光伏電池輸出短路，容易發生意外，二則若低位續流MOSFET持續開通時間過長而超過了電感需要的續流時間，則會導致蓄電池中的電能反向放出，造成不充電反放電的效果。為解決這兩個問題，在使用STM32控制芯片輸出PWM驅動波形時，需在同一電路的高位開關MOSFET和低位續流MOSFET的波形之間加入適當的死區，避免出現兩MOSFET同時開通的狀況。另一方面，需在仿真模型中多次測量不同電流條件下電感所需的續流時間，做好低位續流MOSFET的開通時間控制。

2.2 改進型最大功率點跟蹤算法

光伏電池的輸出功率受光照、溫度等環境因數的影響會發生相應變化，在某一固定環境下有且只有一個最大輸出功率點，因此需要最大功率點追蹤算法來在現實環境下持續追蹤最大輸出功率。常用的算法包括恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法等。恒定電壓法即通過經驗使控制電路將光伏電池的輸出控制為某一常見的最大功率點電壓，此方法簡單易操作，但當現場環境發生較大變化時則無法有效的保證最大功率輸出。電導增量法雖追蹤理論值精確，但在電路中實現難度較大，應用較少。擾動觀察法易于實現且追蹤精確，但當追蹤到最大功率點附近時會產生持續的左右擺動，影響功率的輸出。

該電路采用改進型最大功率點跟蹤算法，以擾動觀察法為基礎增加第三觀察點作為參考。當第二觀察點與第一觀察點、第三觀察點與第二觀察點之間的功率差均為正時，則判斷擾動方向正確，繼續增大擾動。當功率差分別為正、負時，則判斷已經通過最大功率點，以第二觀察點為中心縮小擾動步徑繼續追蹤。在此算法下追蹤最大功率點需保證第二觀察點和第三觀察點的擾動均在同一方向上，若擾動方向相反則不做第三觀察點參考。該算法可既保證了最大功率點的追蹤效率又避免了常規擾動觀察法在最大功率點附近的持續擺動，提高了算法的穩定性和有效性。

3 結束語

該研究設計的光伏充電控制器利用N溝道MOSFET代替常規Buck電路中的續流二極管以降低續流過程的功率損耗。雙Buck電路交替工作分擔了單一Buck電路中發熱熱量，提高了穩定性，雙電路冗余增加了系統的可靠性和可用性，再結合改進型MPPT跟蹤算法用于光伏電池的最大功率點跟蹤。經研究表明，該光伏充電控制器減少了電路損耗，能穩定追蹤光伏電池的最大功率點，達到了優化小型離網光伏發電系統的目的。

參考文獻

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