基于双Buck电路的光伏充电控制器研究

余小冬　邢琦　赵佳鹤　时素铭

摘 要：针对小型离网光伏发电系统中电路损耗较高和容易发热的问题，分析了光伏发电系统中常用的DC-DC电路的能量損失原因，结合改进型最大功率点（MPPT）跟踪算法，设计了以双Buck电路为充电电路的小型光伏充电控制器。研究结果表明，该光伏充电控制器减少了电路损耗，提高了转换效率，能稳定快速的追踪光伏电池的最大功率点，达到了优化小型离网光伏发电系统的目的。

关键词：离网；光伏；最大功率点；Buck

离网型光伏发电系统指的是不与市网相连、通过光伏电池板给蓄电池充电并给用电设备供电的独立用电系统。光伏电池的输出功率与输出电压之间呈非线性，在一定的环境下有且只有一个最大输出功率点。在从光伏电池板上提取能量的过程中，一方面需要追踪光伏电池板的最大功率点，尽可能多的获取能量，另一方面需要减少充电电路功率损耗，尽可能的把光伏电池板的能量输送到蓄电池或用电设备中。常用的光伏输出最大功率点跟踪算法（Most Power Point Tracking，MPPT）有恒定电压法、扰动观察法、电导增量法等，常用的DC-DC充电电路有Buck、Boost、Buck-Boost等。

1 DC-DC电路分析

光伏充电系统中常用的Buck、Boost、Buck-Boost电路均属于非隔离型DC-DC电路，最初被使用在开关电源电路研究中，因其结构简单、控制方便、使用非损耗性元器件（电容、电感）、转换效率高、所占体积小等优点而被逐渐推广到众多应用电路领域中。但非隔离行DC-DC电路并不是完美无缺，其仍存在理论上的能量损耗。

分析电路原理可知，无论是Buck、Boost还是Buck-Boost电路，均在电路中使用了二极管（常为快速恢复二极管，在Boost电路中作为开关二极管，在Buck和Buck-Boost电路中作为续流二极管），这些二极管虽然作用不同，但最终流经负载的部分电流均从二极管中通过，常用的快速恢复二极管导通电压为0.7伏，当这些电路用在光伏充电控制器中时，流过的电流动则两三安培，如此便会带来1-2瓦的损耗，这对于离网型小功率光伏发电系统而言是不可忽略的损失，因为有功率损耗，自然也会带来发热等系列问题。

2 光伏充电系统

2.1 基于双Buck电路的光伏充电控制器

为降低光伏充电系统中常用的DC-DC电路的功率损耗，设计了基于双Buck电路的光伏充电控制器，其原理图如下：

该电路以N沟道MOSFET代替DC-DC电路中Buck电路的续流二极管来为电路进行续流，MOSFET导通时具有毫欧级的导通电阻，对于光伏充电系统中个位数的安培电流级别而言，其导通压降和功耗均可忽略，如此便达到了降低硬件电路功耗的目的。另一方面，双Buck电路进行交替工作避免了单一电路持续工作而产生的发热热量累积问题，等效于双Buck电路分担单一Buck工作时的发热量，降低了电路系统损坏的可能性。再者，在单端电路发生意外而不能工作时，另一部分电路仍可正常控制和充电，在安全意义上整个充电电路系统完成了冗余，提高了可靠性和可用性。

相对于常见的DC-DC电路而言，该电路在提高转换效率和保证可靠性等方面均得到了提高。但由于使用MOSFET替代二极管进行续流，电路在控制方面则加大了难度。MOSFET需要PWM驱动电路对其进行开关控制，而在该电路中，续流的低位MOSFET的开关控制需要格外的精确，一则若高位开关MOSFET未完全关闭而低位MOSFET已经导通，则会造成光伏电池输出短路，容易发生意外，二则若低位续流MOSFET持续开通时间过长而超过了电感需要的续流时间，则会导致蓄电池中的电能反向放出，造成不充电反放电的效果。为解决这两个问题，在使用STM32控制芯片输出PWM驱动波形时，需在同一电路的高位开关MOSFET和低位续流MOSFET的波形之间加入适当的死区，避免出现两MOSFET同时开通的状况。另一方面，需在仿真模型中多次测量不同电流条件下电感所需的续流时间，做好低位续流MOSFET的开通时间控制。

2.2 改进型最大功率点跟踪算法

光伏电池的输出功率受光照、温度等环境因数的影响会发生相应变化，在某一固定环境下有且只有一个最大输出功率点，因此需要最大功率点追踪算法来在现实环境下持续追踪最大输出功率。常用的算法包括恒定电压法、扰动观察法、电导增量法等。恒定电压法即通过经验使控制电路将光伏电池的输出控制为某一常见的最大功率点电压，此方法简单易操作，但当现场环境发生较大变化时则无法有效的保证最大功率输出。电导增量法虽追踪理论值精确，但在电路中实现难度较大，应用较少。扰动观察法易于实现且追踪精确，但当追踪到最大功率点附近时会产生持续的左右摆动，影响功率的输出。

该电路采用改进型最大功率点跟踪算法，以扰动观察法为基础增加第三观察点作为参考。当第二观察点与第一观察点、第三观察点与第二观察点之间的功率差均为正时，则判断扰动方向正确，继续增大扰动。当功率差分别为正、负时，则判断已经通过最大功率点，以第二观察点为中心缩小扰动步径继续追踪。在此算法下追踪最大功率点需保证第二观察点和第三观察点的扰动均在同一方向上，若扰动方向相反则不做第三观察点参考。该算法可既保证了最大功率点的追踪效率又避免了常规扰动观察法在最大功率点附近的持续摆动，提高了算法的稳定性和有效性。

3 结束语

该研究设计的光伏充电控制器利用N沟道MOSFET代替常规Buck电路中的续流二极管以降低续流过程的功率损耗。双Buck电路交替工作分担了单一Buck电路中发热热量，提高了稳定性，双电路冗余增加了系统的可靠性和可用性，再结合改进型MPPT跟踪算法用于光伏电池的最大功率点跟踪。经研究表明，该光伏充电控制器减少了电路损耗，能稳定追踪光伏电池的最大功率点，达到了优化小型离网光伏发电系统的目的。

参考文献

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