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光伏发电技术 储能系统 DC-DC变换器 ★ 5.0

一种用于光伏应用的低电应力超高压增益二次型Boost变换器

An Ultra High Gain Quadratic Boost Converter With Reduced Electric Stress for Photovoltaic Applications

作者 S. V. K. Naresh · Hussain Shareef · Balram Kumar · Sankar Peddapati
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
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 超高增益二次升压转换器 电流应力 电压应力 效率 光伏系统
语言:

中文摘要

在高增益二次型直流 - 直流变换器中,输入元件通常承受较大的电流应力,而输出元件则承受较高的电压应力。为应对这些挑战,本文提出了一种新型的超高增益二次升压(UHGQB)变换器。通过采用电感输入均流结构,使输入电感上的电流应力最小化。此外,利用开关电容单元来降低输出二极管上的电压应力。本文详细介绍了 UHGQB 变换器的工作原理和稳态分析。此外,与最新的变换器进行比较表明,UHGQB 变换器在各项性能指标方面均优于其他变换器。搭建了一台 400 V、0.5 kW、50 kHz 的 UHGQB 变换器实验室样机,并进行了实验测试,以验证理论分析结果。效率分析证实,在额定功率下其峰值效率达到 95.5%。此外,推导了具有三次方电压增益的扩展型 UHGQB 变换器,并进行了实验验证。宽范围电压增益、低电感电流、低电压应力和高效率等特性,使所提出的 UHGQB 变换器成为光伏系统的理想选择。

English Abstract

In high-gain quadratic DC-DC converters, input components often face significant current stress, while output components endure higher voltage stress. To address these challenges, this article introduces a novel ultra-high gain quadratic boost (UHGQB) converter. By implementing an input current-sharing configuration for inductors, the current stress on the input inductor is minimized. Additionally, a switched capacitor cell is utilized to minimize voltage stress on the output diode. This article presents the detailed operation and steady-state analysis of the UHGQB converter. Further, a comparison with the latest converters shows that the UHGQB outperforms others in terms of various performance metrics. A 400 V, 0.5 kW, and 50 kHz laboratory prototype of the UHGQB converter is tested experimentally to validate the theoretical findings. The efficiency analysis confirmed a peak efficiency of 95.5% at rated power. Furthermore, an extended UHGQB converter is derived for cubic voltage gain and verified experimentally. The features like a wide range voltage gain, low inductor currents, low voltage stress, and higher efficiency make the proposed UHGQB converter an excellent choice for photovoltaic systems.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项超高增益二次型升压变换器技术对我们在光伏逆变器和储能系统领域具有重要战略意义。该技术通过创新的输入电流分担配置和开关电容单元,有效解决了传统高增益变换器中输入端电流应力大、输出端电压应力高的核心痛点,这与我们在分布式光伏和储能应用中面临的实际工程挑战高度契合。

从产品应用角度,该技术在400V输出、0.5kW功率下实现95.5%的峰值效率,这一性能指标对我们的户用光伏系统和小型储能产品线极具吸引力。特别是在低压光伏组件需要升压至高压直流母线的应用场景中,宽范围电压增益特性能够显著提升系统在弱光和复杂工况下的适应性,这对优化我们的MPPT控制策略和提升系统整体发电效率具有直接价值。

技术成熟度方面,论文已完成实验室原型验证并推导出三次方增益的扩展拓扑,表明技术路线具有良好的可扩展性。然而,从工业化角度考虑,我们需要关注以下挑战:50kHz的开关频率在高功率应用中的损耗控制、开关电容单元在长期运行中的可靠性、以及多电感设计对成本和体积的影响。

建议我们的研发团队重点评估该拓扑在5-10kW功率等级的性能表现,探索与我们现有SiC/GaN功率器件平台的集成可能性,并针对光储一体化系统中的宽电压输入场景进行适配性研究。这项技术若能成功产业化,将为我们在高效能DC-DC变换领域构建新的技术壁垒。