Modifiziertes Design eines TWCI-basierten DC-DC-Wandlers mit hohem Übersetzungsverhältnis, reduzierten Bauteilen und geringem Eingangsstrom-Ripple für Anwendungen mit erneuerbaren Energien

Wie Sonnenlicht in nutzbare Energie verwandelt wird

Solarzellen und Brennstoffzellen erzeugen sauberen Strom, liefern aber typischerweise niedrige Spannungen, die nicht direkt in Heim-Mikronetzen, Elektrofahrzeugen oder Industriesystemen verwendbar sind. Um diese Lücke zu schließen, setzen Ingenieure auf elektronische „Step-up“-Schaltungen, die niedrige Spannungen auf die höheren Pegel anheben, die auf einer Stromschiene benötigt werden. Dieser Artikel stellt einen neuen Typ von Step-up-Wandler vor, der die Spannung beispielsweise von 24 Volt auf etwa 400 Volt mit hoher Effizienz anheben kann, dabei weniger Bauteile verwendet und die Energiequelle schonender behandelt als viele bestehende Entwürfe.

Warum Spannungswandler für saubere Energie wichtig sind

In einem modernen Gleichstrom-(DC-)Mikronetz teilen sich viele Geräte einen gemeinsamen Hochspannungsrückgrat, oft im Bereich von einigen hundert Volt. Solarmodule, Batterien und Brennstoffzellen liegen dagegen meist bei einigen Dutzend Volt. Wandler zwischen diesen Welten müssen mehr leisten als nur die Spannung anzuheben: Sie sollten so wenig Energie wie möglich verschwenden, die Ströme glatt halten, um Module und Batterien nicht zu belasten, und gleichzeitig kostengünstig und kompakt bleiben. Viele vorhandene Hochverstärker-Designs erfüllen einige dieser Ziele, versagen aber bei anderen: Sie leiden unter großen Stromwelligkeiten, komplexen mehrstufigen Strukturen oder hoher elektrischer Belastung zentraler Bauteile.

Eine neue Methode, mehr Spannung mit weniger Hardware zu erreichen

Die Autoren schlagen einen nicht-isolierten DC–DC-Wandler vor, der um ein spezielles dreifach gewickeltes magnetisches Bauteil aufgebaut ist. Dieses Bauteil, ein gekoppelte Induktor mit drei Spulen auf einem Kern, fungiert wie ein kompaktes Energiezentrum. Durch die sorgfältige Anordnung von zwei elektronischen Schaltern, einigen Dioden und einem Paar Kondensatoren um dieses Zentrum herum, vervielfacht die Schaltung die Spannung in Stufen und verteilt gleichzeitig die Belastung auf die Bauteile. Das Design erzielt sehr hohe Ausgangsspannungen bei moderaten Schaltzeiten (Duty-Cycles), sodass die Schalter nicht auf extreme Einschaltdauern gedrängt werden müssen, die üblicherweise Verluste erhöhen und die Zuverlässigkeit verringern.

Glatterer Strom und schonendere Behandlung der Energiequelle

Viele frühere hochverstärkende Wandler entnehmen dem Eingang scharfe Stromimpulse. Für Solarmodule und Brennstoffzellen können solche Pulse die Effizienz verringern und die maximale Leistungspunktsuche (Maximum Power Point Tracking) erschweren, also den Mechanismus, der sie im optimalen Betriebsbereich hält. Im Gegensatz dazu leitet die neue Schaltung den Eingangsstrom durch einen Induktor so, dass er nahezu kontinuierlich bleibt und nur geringen Ripple aufweist. Detaillierte Analysen der verschiedenen Betriebsphasen zeigen, wie Energie zwischen dem magnetischen Kern und den Kondensatoren verschoben wird, sodass die Quelle stets eine relativ konstante Nachfrage sieht. Gleichzeitig halten die Wechselwirkungen der drei Wicklungen und der Kondensatoren die Spannungen an Schaltern und Dioden weit unter dem Endausgangsniveau, wodurch niedrigere, günstigere und effizientere Bauteile verwendet werden können.

Sorgfältiges Design, Prüfung und faire Gegenüberstellung

Die Forschenden gehen über die Grundidee hinaus und erörtern, wie groß Induktivitäten und Kapazitäten gewählt werden müssen, um Ströme und Spannungen innerhalb sicherer Grenzen zu halten, und wie ein geeigneter magnetischer Kern ausgewählt werden kann, damit er nicht überhitzt oder in Sättigung gerät. Anschließend untersuchen sie, wo in realer Hardware Energie verloren geht, einschließlich der kleinen Widerstände in Wicklungen, Schaltern, Dioden und Kondensatoren. Mit diesen Modellen schätzen sie die Effizienz ab und testen außerdem, wie empfindlich die Leistung gegenüber weniger idealen Bauteilen ist. Ein direkter Vergleich mit vielen anderen kürzlich veröffentlichten Wandlern zeigt, dass ihr Ansatz bei vergleichbarer Komplexität eine höhere Spannungsverstärkung bietet, geringere Belastungen der Schalter verursacht und deutlich kleinere Eingangsstromwelligkeiten aufweist.

Von der Theorie zum funktionierenden Prototyp

Um zu beweisen, dass das Konzept außerhalb von Simulationen funktioniert, baute das Team einen 250-Watt-Prototyp. Mit einem 24-Volt-Eingang und einer Schaltfrequenz von 50 Kilohertz erzeugte die Hardware etwa 400 Volt am Ausgang. Messungen der Spannungen und Ströme an den einzelnen Bauteilen stimmten eng mit den analytischen Vorhersagen überein, einschließlich der reduzierten Belastung der meisten Schalter und Dioden. Über einen weiten Leistungsbereich von 80 bis 400 Watt hielt der Wandler seine Effizienz über 90 Prozent und erreichte ein Maximum von etwa 95 Prozent. Die Tests bestätigten außerdem den niedrigen Ripple im Eingangsstrom und die Möglichkeit, handelsübliche, leicht verfügbare Bauteile einzusetzen.

Was das für zukünftige Systeme mit erneuerbaren Energien bedeutet

Für Leser, die an der praktischen Einführung sauberer Energien interessiert sind, zeigt diese Arbeit einen Weg auf, mehr Leistung von Niederspannungsquellen in Hochspannungsnetze zu überführen, ohne dabei Abstriche bei Größe, Kosten oder Zuverlässigkeit zu machen. Durch die Kombination eines ausgeklügelten magnetischen Wicklungsschemas mit einer schlanken Auswahl an Schaltern und Kondensatoren liefert der vorgeschlagene Wandler starke Spannungsverstärkung, ruhiges Stromverhalten und hohe Effizienz in einem kompakten Gehäuse. Solche Schaltungen können Solarmodule, Brennstoffzellen und Batteriebänke leichter in DC-Mikronetze und andere aufkommende Energiesysteme integrieren und so dazu beitragen, dass saubere Energiequellen sich nahtloser in die Infrastruktur der Zukunft einfügen.

Zitation: Tehranidoost Tabrizi, M.H., Sabahi, M., Bannae Sharifian, M. et al. Modified design TWCI-based high step-up DC-DC converter with reduced elements and low input current ripple for renewable applications. Sci Rep 16, 8037 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37346-9

Schlüsselwörter: DC-DC-Wandler, gekoppelter Induktor, erneuerbare Energien, DC-Mikronetz, hohe Spannungsverstärkung