← 返回
基于三绕组耦合电感的无输入电流纹波与软开关超高电压增益直流变换器
Ultra-High-Voltage Gain DC–DC Converter Based on Three-Winding Coupled Inductor With Ripple Free Input Current and Soft Switching for Renewable Energy Applications
| 作者 | Qingxin Tian · Na Wang · Guohua Zhou · Shuhan Zhou · Minrui Leng · Mingzhi He |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年5月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 技术标签 | DC-DC变换器 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 高增益DC-DC转换器 三绕组耦合电感 效率提升 半导体器件 可再生能源系统 |
语言:
中文摘要
高增益直流 - 直流转换器是连接光伏等低压可再生能源与高压直流母线的重要环节。本文提出了一种基于三绕组耦合电感的非隔离型超高电压增益转换器,适用于分布式可再生能源应用。输入电感和钳位电容极大地降低了输入电流纹波,因此在输入端口只需使用较小的滤波电容。此外,该转换器分别实现了开关管的零电压开关和二极管的零电流开关,有效提高了所提转换器的效率。与现有拓扑结构相比,半导体器件承受的电压应力较低且元件数量较少也是该转换器的显著优势。上述特性以及输入输出共地的特点,使得所提拓扑结构成为无变压器可再生能源系统的理想解决方案。本文阐述了所提直流 - 直流转换器的工作原理、稳态性能、设计考虑因素、控制方法和动态建模以及性能比较。最后,给出了一台输入电压为 30 - 40 V、输出稳压为 400 V、功率为 500 W 的实验室样机的实验结果,验证了所提转换器的工作情况。
English Abstract
High-gain dc–dc converters are an important link for connecting low-voltage renewable energy sources, such as photovoltaics, to the high-voltage dc bus. This article presents a nonisolated ultra-high-voltage gain converter based on a three-winding coupled inductor for distributed renewable energy applications. The input inductor and clamping capacitor greatly reduce the input current ripple, so that tiny filter capacitors are required at the input port. Moreover, zero-voltage-switching and zero-current-switching of switches and diodes, respectively, are implemented, which effectively improves the efficiency of the proposed converter. In addition, the low-voltage stress of the semiconductor devices and the small number of components are also significant advantages of the proposed converter compared to existing topologies. The aforementioned features, as well as the common grounding of input and output, make the proposed topology a desirable solution for transformer less renewable energy systems. The operating principles, steady-state performance, design considerations, control method and dynamic modeling, and performance comparison of the proposed dc–dc converter have been demonstrated in this article. Finally, experimental results for a 500 W laboratory prototype with an input voltage of 30–40 V and a regulated output voltage of 400 V are shown to confirm the operation of the proposed converters.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于三绕组耦合电感的超高增益DC-DC变换器技术具有显著的应用价值。该技术直接针对光伏等低压可再生能源接入高压直流母线的核心痛点,与我司在分布式光伏、储能系统等领域的产品线高度契合。
该技术的核心优势在于多个维度的性能突破:首先,超高电压增益特性(30-40V输入升压至400V)能够有效解决分布式光伏系统中组件电压低、升压比要求高的技术难题,这对我司户用光伏逆变器和工商业储能系统的小型化、轻量化设计具有重要意义。其次,输入纹波电流极低的特性可大幅减小输入端滤波电容需求,这不仅能降低系统成本和体积,更能延长电解电容寿命,提升产品可靠性。开关器件实现的零电压/零电流软开关技术可显著降低开关损耗,这与我司持续追求的高效率目标(98%+)完全一致。
从技术成熟度评估,该方案已完成500W原型验证,但距离我司数十至数百千瓦级产品应用仍需工程化攻关。主要挑战包括:三绕组耦合电感的设计优化和批量生产一致性控制、高功率等级下的热管理、以及与现有MPPT算法和并网控制策略的集成。
该技术的非隔离拓扑和共地特性为其在储能变流器DC侧、光储一体机前级变换等场景提供了应用机遇。建议我司研发团队深入评估该拓扑在1517 Vdc储能系统和高电压组串式逆变器中的适配性,特别关注其在宽输入电压范围和动态响应方面的表现,以支撑下一代高效能源转换产品的技术储备。