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光伏发电技术 储能系统 DC-DC变换器 ★ 5.0

单开关软开关高升压直流-直流变换器及其降低的电压应力

Single-Switch Soft-Switched High Step-Up DC–DC Converter With Reduced Voltage Stress

作者 Siamak Khalili · Ehsan Adib · Mohsen Packnezhad · Hosein Farzanehfard · Patrick Wheeler
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2025年3月
技术分类 光伏发电技术
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 软开关 高升压变换器 无损缓冲电路 光伏系统 效率提升
语言:

中文摘要

本文提出了一种适用于光伏系统的单开关软开关非隔离式直流 - 直流高升压变换器。为实现高电压增益并降低元件电压应力,该变换器集成了耦合电感和开关电容技术。采用了一种合适的无损缓冲电路,克服了无损缓冲电路元件数量多、续流导通损耗大等难题,以减轻开关损耗和二极管反向恢复问题。该无损缓冲电路仅在所提出的结构中增加了两个二极管,在软开关电路中,就元件数量而言是最优的。仅使用一个电压应力降低的开关和简单的无源无损缓冲电路,有助于提高变换器效率并降低控制电路的复杂度。此外,所提出的变换器的输入电流是连续的,这有利于实现最大功率点跟踪(MPPT)并提升变换器性能。本文提供了完整的分析以验证变换器的工作原理,并搭建了一台输入电压范围为 20 至 30 V、固定输出电压为 200 V、功率为 200 W 的实验室样机,以验证理论分析。此外,还对所提出的拓扑结构与对比拓扑结构进行了全面比较,以说明该变换器的优越性。

English Abstract

A soft-switched nonisolated dc–dc high step-up converter with a single switch is proposed in this article, which can be applied in photovoltaic systems. To achieve high voltage gain and reduce the components voltage stress, coupled inductors and switched capacitor techniques are integrated. A suitable lossless snubber circuit overcoming the lossless snubber challenges such as high component count and freewheeling conduction loss is employed to alleviate the switching losses along with the diodes reverse recovery problems. The lossless snubber circuit adds only two diodes to the proposed structure which is optimum in terms of component count among the soft-switching circuits. Using only one switch with reduced voltage stress and simple passive lossless snubber has contributed to the converter efficiency improvement and reduced control circuit complexity. Furthermore, the input current of the proposed converter is continuous, which facilitates the maximum power point tracking (MPPT) realization and enhances the converter performance. A complete analysis is provided to verify the converter operation, and a 200 W laboratory prototype with an input voltage range of 20 to 30 V and a fixed output voltage of 200 V, is implemented to verify the theoretical analysis. Also, a comprehensive comparison between the proposed and comparative topologies is described to illustrate the converter superiority.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的单开关软开关高升压DC-DC变换器技术具有显著的应用价值。该拓扑结构通过耦合电感和开关电容技术实现高电压增益,同时采用无损缓冲电路降低开关损耗,这与我司在光伏逆变器和储能系统中对高效率、高功率密度的技术追求高度契合。

该技术的核心优势在于三个方面:首先,单开关设计配合降压应力方案可简化控制电路复杂度,降低系统成本,这对我司大规模量产的组串式逆变器和户用储能产品具有重要意义;其次,连续输入电流特性能够优化MPPT算法实现,提升光伏系统的发电效率,这直接关系到我司逆变器产品的核心竞争力;第三,软开关技术和二极管反向恢复问题的解决方案可有效降低EMI干扰,提高系统可靠性。

从应用场景分析,该200W原型机的20-30V输入、200V输出特性,非常适合应用于我司的分布式光伏系统前级升压环节,以及储能系统的双向DC-DC变换器设计。特别是在低压组件接入、电池储能系统等场景中,高升压比和高效率的需求日益突出。

然而,技术落地仍面临挑战:耦合电感的设计和制造工艺需要精密控制,无损缓冲电路在更高功率等级下的性能验证尚待完善,且单开关拓扑在大功率应用中的散热和可靠性需要进一步评估。建议我司技术团队关注该技术路线,结合现有SiC/GaN宽禁带器件技术,探索在新一代高效光伏逆变器和储能变流器中的应用可能性,形成差异化技术优势。