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储能系统技术 储能系统 DC-DC变换器 ★ 5.0

具有低输入电流纹波和宽范围软开关能力的隔离型高升压电流馈电DC-DC变换器

Isolated High Step-Up Current-Fed DC-DC Converter With Low Input Current Ripple and Wide Full-Soft-Switching Capability

作者 Parham Mohseni · Saeed Pourjafar · Oleksandr Matiushkin · Oleksandr Husev · Dmitri Vinnikov
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期 2025年2月
技术分类 储能系统技术
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 电流馈电隔离型DC-DC变换器 高频变压器 零电压开关 软关断 辅助电路
语言:

中文摘要

本文提出了一种电流馈电型隔离式高升压直流 - 直流变换器,该变换器的功率开关管承受的电压应力较低。所提出的拓扑结构利用高频(HF)变压器实现了输入与输出之间的电气隔离。变压器的漏感被用于在功率开关管导通期间实现零电压开关(ZVS),并在较宽的工作范围内使功率二极管实现零电流开关(ZCS)。此外,在该拓扑结构中,功率开关管之间采用适当的调制方式(移相调制(PSM)或移相调制与脉冲频率调制(PFM)相结合),可使初级功率开关管实现软关断。另外,通过这种调制技术,输入电感所经历的有效频率是功率开关管开关频率的两倍,从而使所需输入电感的尺寸减小至原来的一半。同时,辅助电路能显著消除开关管两端因输入电感电流与变压器漏感电流差异而产生的电压尖峰。为了验证该变换器的性能,本文进行了理论分析,并与其他变换器进行了比较。最后,为验证理论分析的正确性,搭建了所提出的变换器,其输入电压范围为 20 - 50 V,工作在 100 - 280 kHz 的恒定/可变开关频率下,输出电压为 360 V,最大输出功率为 400 W。

English Abstract

This paper presents a current-fed isolated, high step-up dc-dc converter that has the low voltage stress on the power switches. The suggested configuration achieves isolation between the input and output using a High-Frequency (HF) transformer. The leakage inductance of the transformer is harnessed to achieve Zero Voltage Switching (ZVS) during power switch turn-on and Zero Current Switching (ZCS) for power diodes across a broad range of operation. Furthermore, within this configuration, proper modulation (Phase Shift Modulation (PSM) or PSM with Pulse Frequency Modulation (PFM) combined with PSM) between the power switches enables the primary power switches to have soft turn-off conditions. Additionally, through this modulation technique, the input inductor experiences an effective frequency that is twice that of the power switches' switching frequency, leading to a reduction in the required size of the input inductor to half. Also, the auxiliary circuit eliminates the voltage spikes across the switches significantly, which occur due to the current difference between the input inductor and the leakage inductance of the transformer. To demonstrate the performance of the converter, the theoretical analysis along with comparisons to other converters are presented. Finally, to validate the theoretical analysis, the proposed converter is constructed to handle input voltages ranging from 20-50 V and operating at constant/variable switching frequency of 100-280 kHz, resulting in an output voltage of 360 V, and a maximum output power of 400 W.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项电流馈电型隔离高升压DC-DC变换器技术具有重要的应用价值。该技术针对低压侧到高压侧的能量转换场景,与我司光伏储能系统、氢能电解制氢等业务存在天然契合点。

在技术价值层面,该拓扑实现了20-50V低压输入到360V高压输出的大幅升压,这对于我司分布式储能系统中的电池侧DC-DC变换器、燃料电池升压模块以及低压光伏优化器等产品具有直接借鉴意义。其核心优势在于三个方面:首先,通过相移调制技术使输入电感工作频率倍增至开关频率的两倍,可将电感体积减半,这对提升系统功率密度至关重要;其次,全范围软开关能力(开关管ZVS、二极管ZCS)显著降低开关损耗,有助于提升系统效率至95%以上;第三,低输入电流纹波特性可减轻对电池等低压源的应力,延长系统寿命。

从应用成熟度评估,400W功率等级的实验验证表明该技术处于实验室向工程化过渡阶段。对于我司储能变流器(PCS)中的双向DC-DC模块,需要将功率等级扩展至数十千瓦甚至兆瓦级,这涉及高频变压器设计、多模块并联控制等工程挑战。同时,辅助电路用于抑制电压尖峰的方案需要评估其在大功率应用下的可靠性和成本效益。

技术机遇在于,随着800V储能系统和高压直流母线架构的推广,该类高升压比变换器的市场需求持续增长。建议我司技术团队跟踪该技术路线,评估其在氢能DC-DC变换器和新一代储能系统中的应用潜力,特别是在相移加变频混合调制策略方面的深度开发,以形成差异化竞争优势。