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一种单开关非隔离无纹波超高增益DC-DC变换器
A Single-Switch Non-Isolated Ripple-Less Step-Up DC-DC Converter With Ultra-High Gain Capability
| 作者 | Fatemeh Falahi · Masoud Nikbakht · Ebrahim Babaei |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 DC-DC变换器 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 非隔离式直流转换器 耦合电感 电压倍增电路 高电压增益 可再生能源 |
语言:
中文摘要
本文介绍了一种非隔离式超高升压直流 - 直流变换器,该变换器利用一个耦合电感(CI)和一个电压倍增电路来提高电压增益。所提出的拓扑结构将二次升压变换器与电压倍增电路(二极管 - 电容单元)相结合。此外,所推荐的变换器使用一个匝数比小的耦合电感,实现了高电压增益,属于超高升压直流 - 直流变换器。此外,所提出的设计适用于具有最小输入电流纹波的可再生能源。而且,所提出的变换器的显著优点包括高电压增益、单开关和二极管上的低电压应力、连续的输入电流、共地、结构和控制简单以及重量轻,这些都提升了其性能。随后,详细给出了工作模式之间的关系和稳态分析。最后,搭建了一个 300 W 的实验室样机,分别以 24 V 为输入电压、400 V 为输出电压,验证了上述特性。
English Abstract
This article introduces a nonisolated ultrahigh step-up dc–dc converter that utilizes one coupled-inductor (CI) and a voltage multiplier circuit to enhance the voltage gain. The proposed topology integrates a quadratic boost converter with a voltage multiplier circuit (diode-capacitor cell). Furthermore, the recommended converter uses one coup CI led-inductor in a small turn ratio which has achieved high voltage gain and is classified as an ultrahigh step-up dc–dc converter. In addition, the proposed design is appropriate for renewable energy sources with the minimal input current ripple. Moreover, the notable benefits of the proposed converter include high voltage gain, low voltage stress across the single switch and diodes, continuous input current, common ground, simple structure and control, and low weight which enhance its performance. Subsequently, the relationships between the operation modes and steady-state analysis thoroughly are provided. Eventually, a 300 W laboratory prototype is constructed to validate the expressed claims with 24–400 V, input and output voltages, respectively.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的单开关超高增益DC-DC变换器技术具有重要的应用价值。该拓扑通过耦合电感和倍压电路实现24V到400V的超高电压增益,这与我们在分布式光伏和储能系统中面临的低压直流升压需求高度契合。
在光伏应用场景中,该技术可直接应用于组件级优化器和低压光伏系统的前端升压环节。其连续输入电流和极低输入纹波特性,能够显著改善光伏阵列的最大功率点跟踪效率,减少对组件的电应力冲击。对于我们的储能业务,该变换器可作为低压电池组(如48V磷酸铁锂系统)与高压直流母线之间的接口,单开关结构和共地设计有利于降低系统成本和提升可靠性。
技术优势方面,该方案采用小匝比耦合电感实现超高增益,避免了传统多级级联带来的效率损失和控制复杂性。低电压应力特性允许使用低压MOSFET,可降低导通损耗并提升功率密度,这对我们开发轻量化、高效率的新能源产品具有吸引力。
然而,技术挑战同样存在。300W的原型功率等级距离我们的工业级应用(通常数千瓦至兆瓦级)仍有差距,大功率扩展时耦合电感的设计、热管理和电磁兼容性需要深入验证。此外,论文未充分披露效率数据和动态响应特性,这对评估其在快速变化工况下的实用性至关重要。
建议我们的研发团队关注该技术在微型逆变器、便携式储能电源和电动汽车辅助电源等中小功率场景的应用潜力,同时探索多相并联技术以实现功率等级提升。