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基于高频Dickson倍压器的高压低纹波变换器设计
Design of a High-Voltage Low-Ripple Converter With High-Frequency Dickson Multipliers
| 作者 | Zhechi Ye · Kawin Surakitbovorn · Calvin H. Lin · Juan Rivas-Davila |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年7月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 DC-DC变换器 工商业光伏 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 高压直流转换器 Dickson电压倍增器 高频设计 电压纹波 峰值效率 |
语言:
中文摘要
高压、低纹波的直流 - 直流转换器在各种工业和科学应用中至关重要。提高开关频率有助于提高转换器的功率密度，但对电路设计提出了挑战。在本文中，我们提出了一种基于迪克森电压倍增器详细模型的设计方法，以考虑高频倍增器电路中的非理想因素。我们介绍了一款高频 80 瓦、48 伏转 7 千伏直流 - 直流电源转换器的设计，其电压纹波峰峰值小于 10 伏。该电路采用了基于氮化镓的高频逆变器、多端口空心平面印刷电路板（PCB）变压器、迪克森电压倍增器和纹波消除技术。PCB 变压器采用屏蔽层构建，以减轻噪声引起的电压纹波。所实现的原型在保持 0.1% 纹波率的同时，峰值效率达到了 86%。
English Abstract
High-voltage, low-ripple dc-dc converters are essential in various industrial and scientific applications. Increased switching frequency helps improve converter power density but challenges circuit design. In this article, we propose a design method based on a detailed model of Dickson voltage multipliers to account for non-idealities in high-frequency multiplier circuitry. We present the design of a high-frequency 80 W, 48-V-to-7-kV dc-dc power converter with less than 10 Vpp voltage ripple. The circuit utilizes GaN-based high-frequency inverters, multiport air-core planar printed circuit board (PCB) transformers, Dickson voltage multipliers, and ripple cancellation. The PCB transformers are constructed with shielding layers to mitigate noise-induced voltage ripple. The implemented prototype can maintain a 0.1% ripple ratio while achieving 86% peak efficiency.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于Dickson倍压器的高频高压低纹波变换技术具有重要的应用潜力。该技术实现了48V到7kV的升压转换，纹波比控制在0.1%以内，峰值效率达86%，这些指标对我司多个产品线具有参考价值。
在光伏逆变器领域，该技术的高频化设计思路与我司追求高功率密度的方向一致。采用GaN器件的高频逆变器和空心平面PCB变压器的组合，为组串式和集中式逆变器的小型化、轻量化提供了新路径。特别是其纹波抑制技术，可提升逆变器在弱光和复杂工况下的并网电能质量，降低对后级滤波的依赖。
在储能系统方面，该技术的低纹波特性对延长电池寿命意义重大。储能变流器（PCS）中的DC-DC变换环节若能将纹波控制在极低水平，可显著减少电池的微循环应力。论文提出的纹波抵消技术和带屏蔽层的变压器设计，可直接应用于我司的大型储能系统和户用储能产品优化中。
然而，该技术也存在挑战。80W的功率等级距离我司MW级产品应用尚有差距，大功率下的Dickson倍压器级联损耗和均流问题需要深入研究。此外，7kV高压环境下的绝缘设计、EMI控制和安全防护在实际产品中的工程化实现难度较大。86%的效率虽在该电压等级下表现尚可，但对比我司光伏逆变器99%的效率标准仍有提升空间。
建议我司研发团队关注该技术在中压直流系统、电动汽车高压充电模块等新兴领域的应用可能性，特别是其高频化和模块化设计理念值得借鉴。