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系统并网技术 DC-DC变换器 双向DC-DC ★ 5.0

一种在可选占空比下实现电流纹波抵消的非隔离双向DC-DC变换器

A Non-isolated Bidirectional DC--DC Converter With Current Ripple Cancellation at a Selectable Duty Ratio

作者 Rahul Kumar Garg · Mummadi Veerachary
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期 2024年12月
技术分类 系统并网技术
技术标签 DC-DC变换器 双向DC-DC
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 非隔离双向DC - DC转换器 电流纹波 升降压特性 稳态分析 性能评估
语言:

中文摘要

本文提出了一种非隔离型双向直流 - 直流变换器。该变换器的设计旨在确保低压(<i>LV</i>)侧的两个电感中的电流纹波相互抵消,从而使变换器低压侧的电流平稳且无纹波。与此同时,变换器高压(<i>HV</i>)侧的电流连续且纹波含量低。文献中报道的单向拓扑结构主要通过同步开关实现电流纹波消除,呈现出升降压电压增益特性。然而,所提出的变换器在正向模式下具有升压特性,在反向模式下具有降压特性。该变换器的一些显著特点包括:开关和电容上的电压应力较低,低压侧端口和高压侧端口之间共地。为了分别研究变换器的稳态和动态性能,本文对升压和降压模式进行了稳态分析和小信号建模。本文还在一个输出功率为 150 W、两端口电压分别为 36 V 和 110 V 的实验室样机上对所提出的拓扑结构进行了测试和性能评估。实测性能与理论预测结果高度吻合。

English Abstract

This article proposed a non-isolated bidirectional DC-DC converter. The converter is designed to ensure current ripple through the two inductors on the low voltage (LV) side counter balance each other, resulting in a smooth and ripple free current on the LV side of the converter. Along with that, current on the high-voltage (HV) side of the converter is continuous with low ripple content. The unidirectional topologies reported in literature were focused on current ripple cancellation using synchronous switching exhibited buck-boost voltage gain. However, the proposed converter has step-up characteristic in forward mode and step-down characteristic in reverse mode. Some of the notable characteristics of the converter are: lower voltage stress on switches and capacitors, common ground between LV and HV side ports. The steady-state analysis and small-signal modelling are provided for both step-up and step-down modes in order to investigate the converter steady-state and dynamic performance respectively. This work presents the testing and performance evaluation of proposed topology on a laboratory prototype with 150 W power output and the voltages adopted for two ports are 36 V and 110 V. The measured performance is in close agreement with the analytical predictions.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项非隔离双向DC-DC变换器技术在储能系统和光储一体化应用中具有显著的实用价值。该技术通过低压侧双电感纹波互相抵消的创新设计,实现了电流的平滑输出,这对于延长电池储能系统寿命、提升系统可靠性具有重要意义。

该拓扑的核心优势与我司业务需求高度契合。首先,正向升压、反向降压的特性完美适配光伏储能系统中电池侧(通常36V-48V)与直流母线侧(通常400V-800V)的电压匹配需求。其次,低压侧纹波抑制能力可有效降低电池充放电应力,这对于我司户用储能和工商业储能产品的循环寿命提升具有直接价值。再者,开关和电容的低电压应力特性有助于降低器件成本,提升功率密度,符合我司产品小型化、轻量化的发展方向。

从技术成熟度评估,该论文基于150W原型验证,功率等级较低,距离我司储能变流器动辄数十至数百千瓦的应用场景尚有差距。功率放大过程中可能面临的挑战包括:高功率下的磁性元件设计优化、开关损耗与散热管理、以及电磁兼容性问题。此外,36V/110V的电压配置与我司主流产品规格存在差异,需要重新设计和验证。

技术机遇方面,该拓扑的共地特性简化了控制电路设计,双电感纹波抵消原理可为我司多电平、交错并联等成熟技术路线提供新的设计思路。建议将此技术列入预研跟踪,重点评估其在户用储能双向变流器和电动汽车车载充电系统中的应用潜力,通过仿真和小批量试制验证其工程化可行性。