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系统并网技术 DC-DC变换器 ★ 5.0

基于耦合电感的高升压交错式DC-DC变换器家族

A Family of High Step-Up Interleaved DC-DC Converters Based on the Coupled Inductors

作者 Darioush Alizadeh · Ebrahim Babaei · Mehran Sabahi · Carlo Cecati
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年7月
技术分类 系统并网技术
技术标签 DC-DC变换器
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 交错式直流-直流转换器 耦合电感 二次电压增益 迪克森转换器 性能验证
语言:

中文摘要

本文提出了一系列利用耦合电感和二次电压增益的高升压交错式直流 - 直流转换器。所提出的第一个转换器是基于迪克森(Dickson)转换器的改进版本,与改进型迪克森转换器相比,它在保持共地的同时提供了更高的电压增益。所提出的第二个转换器使用了一个额外的二极管,从而实现了比第一个转换器更高的电压增益。所提出的第三个转换器将迪克森转换器和改进型迪克森转换器相结合,以解决改进型迪克森转换器缺乏共地的问题。这些转换器具有诸多优点,包括输入电流连续且纹波小、元件承受的电压应力低以及效率高。本文分析了这些转换器的工作模式,并给出了它们的最终关系式。此外,对第一个提出的转换器进行了设计,并计算了其损耗。同时,计算了所提出转换器的功率密度,并与一些类似的转换器进行了比较。将所提出的转换器与其他近期推出的交错式转换器进行了对比,以评估它们的优缺点。最后,制作了第一个提出的转换器的 500 瓦实验室样品以验证其性能,并给出了其动态响应。

English Abstract

This article proposes a series of high-step-up interleaved dc–dc converters utilizing coupled inductors and quadratic voltage gains. The first proposed converter is a modified version of the Dickson-based converter, which offers a higher voltage gain compared to the modified Dickson converter while maintaining common ground. The second proposed converter uses an additional diode to achieve a higher voltage gain than the first proposed converter. The third proposed converter combines the Dickson and modified Dickson converters to address the lack of common ground in the modified Dickson converter. These converters provide several advantages, including continuous input current with low ripple, low voltage stress across the components, and high efficiency. The operation modes of these converters are analyzed, and their final relationships are presented. Furthermore, the first proposed converter is designed, and its losses are calculated. Also, the power density of the proposed converter is calculated and compared with some similar converters. A comparison is made between the proposed converters and other recently introduced interleaved converters to assess their advantages and disadvantages. Finally, a laboratory sample of the first proposed converter is implemented at 500 W to validate its performance, and its dynamic responses are presented.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务布局来看,这篇论文提出的高升压交错并联DC-DC变换器技术具有重要的战略价值。该技术基于耦合电感和二次电压增益,能够实现高升压比、低输入电流纹波和共地设计,这些特性与我司光伏逆变器和储能系统的核心需求高度契合。

在光伏应用场景中,该技术可有效解决组件串联电压不足的问题,特别适用于分布式光伏系统中低压侧到高压并网的升压需求。连续且低纹波的输入电流特性能够提升MPPT效率,减少对光伏组件的电气应力,延长系统寿命。在储能系统方面,该变换器拓扑可优化电池侧低压与直流母线高压之间的能量转换效率,其低电压应力特性有助于降低功率器件成本,提升系统功率密度。论文中500W样机验证和功率密度对比分析表明技术已具备工程化基础。

从技术成熟度评估,该方案在拓扑创新上具有明显优势,但仍需关注几个工程化挑战:耦合电感的设计与制造一致性、多相交错控制的数字化实现复杂度、以及在大功率应用(如我司兆瓦级储能变流器)中的扩展性验证。此外,论文提出的三种拓扑各有侧重,需要根据具体应用场景(电压等级、功率范围、成本目标)进行差异化选型。

建议我司技术团队重点关注该技术在户用储能逆变器(低压电池升压)和1500V光伏系统(组件级优化器)中的应用潜力,同时评估耦合电感供应链的可靠性,为下一代高效率、高功率密度产品开发储备技术方案。