← 返回
一种基于耦合电感的单开关高增益低电压应力DC-DC变换器
A Single-Switch Coupled Inductor-based DC-DC Converter with High Gain and Low Voltage Stress
| 作者 | Xuefeng Hu · Yanlong Chen · Junqiang Jia · Liang Huo · Xuehan He · Cungang Hu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1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 | 单开关DC - DC转换器 高电压比转换 低电压应力 输出电压纹波 转换效率 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种基于集成两个升压单元和一个三绕组耦合电感并带有两个开关电容网络的新型单开关直流 - 直流变换器,适用于高电压比转换应用。所提出的变换器能够在所有半导体器件承受极低电压应力的基础上实现宽范围的电压增益,并通过合理的漏感实现所有二极管的零电流关断。此外,其输入和输出的地之间存在恒定的电位差。上述特性使所提出的变换器成为可再生能源发电领域中低压输入源与高压直流母线之间的优秀接口。另外,所提出的变换器的串联输出电容交替充电和放电,从固有结构上可有效降低输出电压纹波。同时,其固有的电路结构不仅抑制了开关的电压尖峰,还能在主开关关断时同步吸收漏感能量,提高了变换器的效率。详细阐述了该变换器的理论特性,并搭建了一台 400W 的实验样机来验证该变换器的有效性。
English Abstract
In this paper, a novel single-switch DC-DC converter based on integrated two boost units and a three-windings coupled inductor with two switched capacitor networks is proposed for high voltage ratio conversion applications. The proposed converter can achieve wide range of voltage gain based on very low voltage stress of all semiconductor devices, and zero current turned-off for all diodes by the reasonable leakage inductance. Moreover, there is a constant potential difference between the ground of its input and output. The above features make the presented converter an excellent interface between the low voltage input source and the high voltage DC-link bus in the field of renewable energy power generation. In addition, the output capacitors in series of the proposed converter are charged and discharged alternately, which can effectively reduce the ripple of the output voltage from the inherent structure. Meanwhile, the inherent circuit structure not only suppresses the voltage spike of the switch, but also absorbs the leakage energy synchronously when the main switch is turned off, improving the efficiency of the converter. The theoretical characteristics of the converter are described in detail, and a 400W experimental prototype is built to prove the effectiveness of the converter.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项单开关耦合电感型高增益DC-DC变换器技术具有显著的应用价值。该技术通过集成双升压单元和三绕组耦合电感配合开关电容网络,实现了宽范围电压增益与低器件电压应力的优化平衡,这与我们光伏逆变器和储能系统中前级DC-DC变换环节的核心需求高度契合。
在光伏应用场景中,该技术能够有效解决组件端低电压(30-60V)到直流母线高电压(600-1500V)的升压难题。其输入输出共地的特性对于光伏系统的接地保护和漏电流抑制具有天然优势,可降低系统设计复杂度。单开关拓扑简化了控制策略,有助于提升系统可靠性并降低成本,这对我们在分布式光伏和户用储能市场的竞争力提升具有实际意义。
从技术成熟度评估,该方案已完成400W样机验证,但距离我们产品线的千瓦级到兆瓦级应用仍有工程化距离。其核心优势在于:二极管零电流关断减少反向恢复损耗,漏感能量回收机制提升效率,串联输出电容交替充放电降低纹波,这些特性与我们追求的高效率、高功率密度目标一致。
然而需关注的技术挑战包括:耦合电感的设计复杂度和一致性控制、高功率等级下的磁性元件损耗、以及多绕组耦合带来的EMI问题。建议我们的技术团队可将此拓扑纳入下一代组串式逆变器和储能变流器的预研方向,特别是在高海拔、高温差等严苛环境应用中进行针对性开发,结合我们在磁集成技术和数字控制方面的积累,有望形成差异化的技术优势。