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系统并网技术 DC-DC变换器 DAB ★ 5.0

一种基于耦合电感的可扩展高电压增益软开关双向DC-DC变换器

An Extendable High-Voltage Gain Soft-Switching Bidirectional DC–DC Converter With Coupled Inductor

作者 Fan Yuan · Ruixiang Hao · Jingqi Song · Xiaojie You
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年4月
技术分类 系统并网技术
技术标签 DC-DC变换器 DAB
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 双向直流-直流变换器 软开关 高电压增益 参数设计 效率
语言:

中文摘要

本文提出了一种适用于高电压增益和大功率应用的非隔离式可扩展软开关双向直流 - 直流变换器。所提出的变换器采用低压侧(LVS)交错并联、高压侧(HVS)串联的结构,具有开关和电容电压应力低以及均流的特点。此外,通过将耦合电感与谐振槽路相结合,该变换器能够在宽电压范围内的轻载和满载条件下实现所有开关的软开关,并且可以控制漏感能量。详细讨论了其工作原理、器件电压应力、软开关条件以及对比分析。此外,还给出了所提出变换器的参数设计。最后,搭建了一台低压侧电压为 40 - 90 V、高压侧电压为 400 V 的 1 kW 实验样机,以验证该变换器的性能,结果表明,其在升压模式下的最高效率达到 97.9%,在降压模式下达到 97.6%。

English Abstract

This article proposes a nonisolated extendable soft-switching bidirectional dc–dc converter that is suitable for high-voltage gain and high-power applications. The proposed converter adopts the structure of interleaved parallel at the low-voltage side (LVS) and series connection at the high-voltage side (HVS), which features low-voltage stresses of the switches and capacitors and current sharing. In addition, the converter can achieve soft-switching of all the switches at light and full load in a wide voltage range by combining coupled inductors with resonant tanks, and the leakage inductors’ energy can be controlled. The operating principle, voltage stresses of devices, soft-switching conditions, and comparison analysis are discussed in detail. Furthermore, the parameter design of the proposed converter is presented. Finally, a 1-kW experimental prototype with 40–90 V LVS and 400 V HVS is constructed to verify the performance of the converter, and results show that its maximum efficiency reaches 97.9% in boost mode and 97.6% in buck mode.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项高增益软开关双向DC-DC变换器技术与我们在储能系统和光伏发电领域的核心需求高度契合。该技术采用低压侧交错并联、高压侧串联的拓扑结构,实现了40-90V到400V的宽范围电压转换,这正是我们储能变流器(PCS)和光储融合系统中连接电池组与直流母线的关键技术环节。

该技术的核心价值体现在三个方面:首先,通过耦合电感与谐振腔的结合,在轻载和满载条件下均实现全开关软开关,这将显著降低我们储能系统的开关损耗,提升系统效率。实验验证的升压模式97.9%和降压模式97.6%的峰值效率,对比当前主流方案具有明显优势,可直接转化为系统能量转换效率的提升和发热管理成本的降低。其次,低电压应力设计和电流均流特性,能够有效降低功率器件的选型成本,提高系统可靠性,这对我们大规模储能项目的经济性至关重要。第三,可扩展架构为未来模块化、大功率应用提供了技术路径。

从技术成熟度评估,该方案已完成1kW原理样机验证,但距离我们百千瓦级甚至兆瓦级应用仍有工程化距离。主要挑战包括:耦合电感在大功率下的设计优化、多模块并联时的均流控制策略、以及宽温度范围下的参数漂移补偿。建议我们研发团队可将此技术纳入预研项目,重点攻克功率扩展和工程可靠性问题,为下一代高效储能变流器产品储备技术优势,特别是在户用储能和工商业储能快速增长的市场背景下,这种高效率、低成本的方案具有显著的商业化潜力。