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低输出电流纹波、超高压降、低开关损耗的两相降压变换器
Low Output Current Ripple Ultra High Step-Down Two-Phase Buck Converter With Low Switching Losses
| 作者 | Ahmad Ghamsari Esfahani · Mahdi Sadeghi · Ehsan Adib · Patrick Wheeler · Ashraf Ali Khan · Mohsin Jamil |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年7月 |
| 技术分类 | 拓扑与电路 |
| 技术标签 | DC-DC变换器 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 降压直流-直流转换器 输出电流纹波 电压增益 转换效率 开关损耗 |
语言:
中文摘要
本文介绍了一种新型双开关降压直流 - 直流转换器。通过将填谷电路与耦合电感相结合,并采用交叉耦合电感技术,所提出的转换器大幅降低了输出电流纹波。这种结构不仅提高了转换器的电压增益,还减轻了二极管上的电压应力。采用双磁元件实现了双相降压机制,提高了转换器效率。此外,该转换器还具备纹波消除能力。所提出的转换器中的一个开关在零电流开关条件下导通,而另一个开关由于其漏源电压较低,开关损耗极小,这既降低了开关损耗,又减少了电容性导通损耗。本文给出了详细的分析和设计指南,以验证所提出转换器的性能。通过一个将 300 V 转换为 24 V、功率为 120 W 的原型转换器进行了实验验证,证实了该电路的运行完整性和理论分析的正确性。
English Abstract
This article introduces a new two-switch step-down dc–dc converter. By integrating Valley-Fill circuit with coupled inductors, and using the cross-coupled inductor technique, the proposed converter achieves a substantial reduction in the output current ripple. This configuration not only improves the voltage gain of the converter but also alleviates voltage stress on diodes. Employing dual magnetic elements provides the realization of a dual-phase buck mechanism, enhancing converter efficiency. Moreover, the converter demonstrates ripple cancellation capabilities. One switch in the proposed converter turns on under zero current switching conditions, while the other incurs minimal switching losses due to its low drain-source voltage, which reduces both switching losses and the capacitive turn-on loss. Detailed analysis and design guidelines are presented to validate the performance of the proposed converter. Experimental validation is provided through a 300 to 24 V 120 W prototype converter, which affirms the circuit's operational integrity and theoretical analysis.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项超高降压比双相Buck变换器技术在光伏和储能系统的直流变换环节具有显著应用价值。该技术通过耦合电感和谷填充电路的集成设计,实现了极低的输出电流纹波和大幅降压能力,这与我们在光伏优化器、储能PCS直流侧变换以及高压直流快充系统中的技术需求高度契合。
该技术的核心优势在于三个方面:首先,双相交错并联机制配合纹波抵消技术可将输出电流纹波降至极低水平,这对提升储能系统电池寿命和光伏MPPT精度具有直接价值;其次,零电流开关(ZCS)和低压应力开关的组合显著降低了开关损耗和电容性开通损耗,在300V到24V、120W的验证原型中展现出优异的效率表现,这对我们追求98%以上系统效率的目标极具吸引力;第三,耦合电感技术在提升电压增益的同时降低了二极管电压应力,有助于选用低压高性能器件,降低系统成本。
从应用场景看,该技术特别适合光伏组串级优化器、储能系统的宽范围直流变换模块以及氢能系统的辅助电源等场景。然而,耦合电感的设计复杂度、磁集成工艺的一致性控制以及双相控制算法的实现是工程化面临的主要挑战。论文提供的120W功率等级验证尚需向千瓦级甚至更高功率扩展,磁性元件的热管理和EMI特性也需深入评估。
建议将此技术纳入我们的先进拓扑研究路线图,优先在分布式光伏优化器和模块化储能系统中进行中试验证,评估其在实际工况下的可靠性和成本竞争力。