光伏发电双管Buck-Boost电路两模式控制方法的仿真与实验研究

申玮霓　王玉生　张　利　白连平

（1. 北京信息科技大学自动化学院，北京 100192；2. 中国石油天然气股份有限公司规划总院，北京 100083）

光伏发电双管Buck-Boost电路两模式控制方法的仿真与实验研究

申玮霓1王玉生2张利1白连平1

（1. 北京信息科技大学自动化学院，北京 100192；2. 中国石油天然气股份有限公司规划总院，北京 100083）

光伏电池输出特性具有非线性的特征，其输出功率随着负载、光照强度、环境温度的变化而变化。调整光伏电池的输出电压或电流，是提高光伏电池发电效率的重要途径，它需要用到直流变换电路。本文分析了双管Buck-Boost电路，与常用的四个变换电路相比，该电路综合了Buck电路和Boost电路的优点，能分别实现降压功能和升压功能，具有输入与输出同极性，无源元件少，开关器件的损耗低等优点。本文用Simulink对双管Buck-Boost电路进行了仿真，并做了实验，仿真和实验结果表明双管Buck-Boost电路能较好地应用于光伏发电DC/DC变换电路。

光伏发电；DC/DC变换电路；双管Buck-Boost；Simulink仿真

DC/DC变换电路的工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压转换为另一种可调的或固定的直流电压。DC/DC变换电路又可称为直流斩波电路，常见的一共有4种：Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk（Boost-Buck）电路［1］。在光伏发电系统中，DC/DC变换电路是最大功率跟踪的重要环节，与普通DC/DC变换电路不同，它不仅要实现直流电压的变换，而且要实现光伏电池的最大功率跟踪控制，同时需要减小环境变化对光伏板输出效率的影响。双管Buck-Boost变换器将Buck和Boost变换器级联在一起，具有输入输出同极性和升降压特性。本文将上述几种变换器进行了比较，并对双管Buck-Boost变换器的两模式控制方法进行了仿真分析，通过实验验证了电路的性能，提出了变换器在实际应用中需要注意的问题。

1　双管Buck-Boost电路工作原理

双管Buck-Boost变换器如图1所示：将Buck和Boost电路级联起来，去掉电容C，两个电感合并成一个电感就得到了双管Buck-Boost变换器。该电路只包含两个开关和两个二极管，Buck电路和Boost电路共用一个电感。电路的工作模式根据输入电压和输出电压进行判定，当输入电压大于输出电压时，电路工作在Buck模式。当输入电压小于输出电压时，电路工作在Boost模式。

图1　双管Buck-Boost电路

该电路的控制方法有5种：单模式双管同开同关、单模式双沿控制、单模式交错控制、两模式控制和三模式控制，目前两模式控制是双管Buck-Boost常采用的控制方法，它能减小开关管的导通损耗和开关损耗，提高电压变换的效率［2］。

两模式控制方法就是对两个开关管分别单独控制，让电路处于升压模式或降压模式。当开关管T1给驱动信号，开关管T2关断时，电路如图2所示。

图2　降压模式

此时电路为降压电路，通过控制开关管T1的开通和关断实现降压功能。当T1导通时，直流电源电压Vs经过T1直接输出，D1反向截止，D2导通，电流经电感L流向电容C和负载R，此时输出电压略小于输入电压。当T1关断时，由于电感电流不能突变，产生左负右正的感应电动势，二极管D1、D2导通，电感经两个二极管和负载续流。与Buck电路不同的是电路中二极管D2存在压降，在对输入电压进行降压变换时，必须考虑到二极管D2的压降。当电感电流连续（CCM）时，输出电压与输入电压的关系为［3］

式中，d1是开关管T1的占空比，Vd1是二极管D1的管压降，Vd2是二极管D2的管压降。当开关管T1保持导通，开关管T2给驱动信号时，电路为升压电路，电路如图3所示。

当开关T2导通时，电源向电感充电，电感电流增大，二极管均截止，此时只有电容C向负载供电。当开关管T2关断时，电感放电，电流减小，由于电感电流不能突变，产生左负右正的感应电动势，电源Vs和电感L向负载和电容供电，二极管D1截止，D2导通。负载电压为电源电压和电感电压之和，电容C在电路中起到滤波的作用，它可以减小负载的电压纹波。当电感电流连续（CCM）时，输出电压与输入电压的关系为

图3　升压模式

式中，d2为开关管T2的占空比；Vd2是二极管D2的管压降。下表将双管Buck-Boost变换器与常用的4种变换器做了比较。

表1　双管Buck-Boost变换器与常用直流变换器比较

通过表格可以看出，双管Buck-Boost不仅具有升降压的特性，而且电路的输入电压与输出电压的极性是相同的，不存在输出电压与输入电压反向的情况，适合应用于两级光伏并网逆变器的前级直流变换［4］。与Buck-Boost和Cuk变换器相比，开关管承受的电压低，占空比的调节范围更广。

2　基于Matlab/Simulink的双管Buck-Boost电路仿真

Simulink仿真系统是Matlab最终要的组件之一，能够使用户和系统交互进行动态系统建模、仿真和综合分析。下面根据实际电路，利用Matlab/ Simulink设计一个双管Buck-Boost变换器，输入电压模拟单块光伏板的输出电压，选用22V的直流电源，负载电阻100Ω，设计电感和电容的值。设计步骤如下：

1）设计参数

（1）电路中的开关管选用Mosfet，开关频率为5kHz。

（2）为了使系统能够工作在电感电流连续模式，需要选择合适的电感。占空比D在0～1之间变化，D=0时LC为最大的临界电感值，负载电阻100Ω，基于以上参数可得最大临界电感值：

考虑裕量以及电路性质，选择20mH的电感。

（3）计算电容值。电容值的大小通常由输出纹波电压决定。要求，占空比在0～1之间变化，可得电容临界值

由于选用足够大的电容值可以使输出电压变化很小，这里选择470μF的电容。

2）建立仿真模型

按照双管Buck-Boost变换器搭建Simulink仿真电路。电源电压22V，负载电阻100Ω，驱动信号频率5kHz，脉冲宽度50%，电感L值为20mH，电容C值为470μF，开关管Mosfet和二极管均选择默认参数，其中二级管导通压降为0.8V，负载两端加一个10μF的电容，起到滤尖峰的作用。本文选择变换器的两模式进行仿真，即电路分别处于降压状态和升压状态。当双管Buck-Boost电路处于降压模式时，其仿真模型如图4所示，设置仿真时间为0.1s。

图4　双管Buck-Boost降压模式电路图

占空比为0.5时，截取部分仿真波形如下，从图中可以看出，电感电流处于连续模式，输出电压大约在10V左右，理论上应该为11V，这是由于二极管存在压降导致的。

通过公式可计算出，输出电压

占空比为0.2时，仿真波形如下，电感电流平均值降低，输出电压平均值降低，输出电压理论值

占空比为0.8时，仿真波形如下，电感电流平均值升高，输出电压升高，输出电压理论值

当双管Buck-Boost处于升压模式时，仿真模型电路如图8所示。

图5　占空比0.5

图6　占空比0.2

图7　占空比0.8

图8 双管Buck-Boost升压模式电路图

图8中电路电源电压仍然选择22V，电路各参数不变。

占空比为0.5时，仿真波形如下，从图中可以看出电路仍处于电感电流连续（CCM）模式，输出电压理论值为

图9　占空比0.5

占空比为0.2时，仿真波形如下，输出电压理论值为

图10　占空比0.2

3　实验数据分析

作者基于双管Buck-Boost电路制作了一个DC/DC变换器，控制器和实验框图如图11所示。

图11　控制器正面图

图12　实验框图

实验选用开路电压25V，短路电流2A的光伏电池作为输入电压。开关管采用Mos管IRF1407，通过瑞萨单片机R8C/2L发出PWM波驱动开关管的开通关断，电感大小20mH，负载电阻100Ω。在400W/m2的条件下，对单片光伏板进行升降压实验，实验数据见表2。

表2　实验测试结果

表2中前三栏为降压模式的测试结果，最后一栏为升压模式的测试结果。对于光伏发电系统而言，由于光伏板的输出功率是有限的，双管Buck-Boost变换器处于升压模式时，占空比不能过大，否则光伏板会无法带动负载，出现电压偏低的情况，因此双管Buck-Boost主要用于降压模式。

4　结果分析

利用双管Buck-Boost的两模式控制方法，能够较好地对输入电压进行降压或升压，但同时应该注意到，两个二极管的导通压降对电路的转换效率有着影响，尤其是在降压模式时，二极管两端的电压占的比重较大。在升压模式时，随着占空比的增大，输出电压波动变大，甚至出现失真的情况，这是因为变换器工作在Boost模式时，变换器存在右半平面零点，它会限制变换器的带宽，恶化其暂态响应［5］。因此在实际电路中，主要考虑降压模式的转换效率，需要仔细选择二极管的压降，减小其对电路转换效率带来的影响。

5　结论

根据光伏板的光伏特性曲线，当阳光充足时，直流变换器应处于降压模式，此时利用最大功率跟踪的算法，如干扰观测法、电导增量法等，可以使光伏板的输出功率达到最大。当环境变化，光照减弱，输出电压不足时，变换器应处于升压模式。双管Buck-Boost变换器具有升降压、输入输出同极性、器件应力小等特点，适用于光伏系统的前级直流变换。本文通过仿真表明该变换器具有良好的升降压功能，在实际的应用中，需要注意因开关管和二极管的压降带来的损耗，由于二极管一般也有0.7～1V的压降，在低电压使用环境下，这个压降使DC/DC变换效率降低。因此可以采用同步整流方式，使用NMOS代替肖特基二极管，降低导通压降，提高DC/DC转换效率。

［1］ 陈坚， 康勇. 电力电子学：电路电子变换和控制技术［M］. 北京： 高等教育出版社， 2011： 57-58.

［2］ 姚川. 适用于宽输入电压范围的Buck-Boost直流变换器及其控制策略的研究［D］. 武汉： 华中科技大学，2013.

［3］ Boyang Hu； Sathiakumar， S.， Modeling of a new multiple input converter configuration for PV/battery system with MPPT［J］. Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology （EMEIT），2011 International Conference on， 201， 3： 1209-1214.

［4］ 肖华锋， 谢少军. 用于光伏并网的交错型双管Buck-Boost变换器［J］. 中国电机工程学报， 2010（21）：7-12.

［5］ 姚川， 阮新波， 曹伟杰， 等. 双管Buck-Boost变换器的输入电压前馈控制策略［J］. 中国电机工程学报，2013（21）： 36-44， 191.

Simulation and Experimental Study of Double-barreled Buck-Boost Circuit Two Modes Control in PV

Shen Weini1Wang Yusheng2Zhang Li1Bai Lianping1
（1. Beijing Information Science and Technology University， Institute of automation， Beijing 100192；2. Petrochina Planning & Engineering Institute， Beijing 100083）

The output of PV is nonlinear， its output power changes as load， light intensity and ambient temperature changes. To improve the efficiency of photovoltaic power generation， we need to adjust photovoltaic cell's output voltage or current with DC converter circuit. This paper analyzes the double-barreled Buck-Boost circuit， compared with the four common circuits， this circuit combines the advantages of Buck circuit and Boost Circuit， it can become buck or boost， the polarity of input and output are same， it has less passive components and low switching loss. This paper simulate the double-barreled Buck-Boost circuit with simulink， and made a real experiment， the simulation and experimental results show that the circuit can preferably apply to the DC/DC converter circuit of PV.

PV； DC/DC converter circuit； double-barreled Buck-Boost； simulink simulation

北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目（CIT&TCD201404126）

申玮霓（1991-），男，湖北天门人，硕士研究生，主要从事光伏发电最大功率跟踪方面的研究。