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拓扑与电路 DC-DC变换器 ★ 5.0

基于耦合电感的软开关Boost-Ćuk变换器用于微型逆变器应用

Coupled Inductor-Based Soft-Switched Boost-Ćuk Converter for Microinverter Applications

作者
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 拓扑与电路
技术标签 DC-DC变换器
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 高升压DC - DC转换器 软开关 耦合电感 零电流开关 零电压开关
语言:

中文摘要

本研究提出了一种新型全软开关高升压直流 - 直流转换器。该转换器将具有相同输入电感和金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)的升压转换器和 Ćuk 转换器相集成,并采用串联输出直流母线电压。在这种拓扑结构中,由于输出端 Ćuk 电感较小,转换器工作在不连续导电模式,开关可在零电流开关(ZCS)和低电压条件下导通。此外,采用两个耦合电感为所有半导体元件创造相似的电压增益和软开关条件。第一个耦合电感与 Ćuk 二极管串联,可为宽负载和输入电压变化提供平衡的直流母线,并为 Ćuk 二极管提供零电流开关条件。第二个耦合电感构成一个无损无源缓冲器,为主开关提供零电压开关关断条件。该无损无源缓冲器提供了一个钳位电路,降低了开关电压的关断转换速率。此缓冲电路结构简单,元件数量最少,且当开关关断时,缓冲电容向输出端放电。此外,输入电流无纹波,适合可再生能源系统集成。实验证实了所提出转换器的有效性。

English Abstract

In this study, a novel fully soft-switched high step-up dc–dc converter is proposed. The proposed converter comprises the integration of boost and Ćuk converters with the same input inductor and mosfet and series-connected output dc-link voltages. In this topology, the switch is turned-on under zero current switching (ZCS) and low-voltage conditions since the converter works under discontinuous conduction mode due to small output Ćuk inductance. In addition, two coupled inductors are applied to create a similar voltage gain and soft switching conditions for all semiconductor elements. The first coupled inductor is placed in series with the Ćuk diode, which provides a balanced dc link for wide load and input voltage variations and ZCS conditions for the Ćuk diode. The second coupled inductor forms a lossless passive snubber to provide a zero-voltage switching turn-off condition for the main switch. This lossless passive snubber provides a clamped circuit and reduces the turn-off slew rate of the switch voltage. This snubber circuit is simple with minimum elements, and the snubber capacitor discharges to the output while the switch is off. Moreover, the input current is ripple-free, which is appropriate for renewable energy systems integration. The experiments substantiate the effectiveness of the proposed converter.
S

SunView 深度解读

从阳光电源微型逆变器和分布式光伏业务角度看,这项耦合电感软开关Boost-Ćuk变换器技术具有显著的应用价值。该拓扑通过集成Boost和Ćuk变换器实现高升压比,直接契合组件级微逆变器将30-40V光伏组件电压升压至400V直流母线的核心需求,可有效减少功率级数,提升系统集成度。

技术的核心优势在于全软开关特性:主开关实现零电流开通(ZCS)和零电压关断(ZVS),所有半导体器件均工作在软开关状态,这将显著降低开关损耗和EMI干扰。对于阳光电源追求98%以上转换效率的微逆变器产品线,这种效率提升具有直接的商业价值。无纹波输入电流特性更是与光伏MPPT控制完美匹配,有助于提高发电量和系统稳定性。

从技术成熟度评估,该方案已通过实验验证,但仍处于学术原型阶段。实际产业化需关注几个关键挑战:耦合电感的设计和制造工艺复杂度较高,需要与磁性元件供应商深度合作开发;DCM断续模式运行虽利于软开关,但会增大电流应力,需在宽负载范围内优化设计;双耦合电感的引入会增加成本和体积,需与现有微逆产品的成本目标进行权衡。

建议阳光电源中央研究院可将此技术纳入预研项目,重点评估在高功率密度组件级逆变器(如500W-800W级别)的应用潜力,特别是在户用分布式光伏和BIPV场景中,软开关带来的低EMI特性可简化滤波设计,提升产品竞争力。同时可探索将无损缓冲技术移植到现有SG系列微逆平台的可能性。