Convertisseur DC-DC à fort gain basé sur TWCI modifié avec éléments réduits et faible ondulation de courant d’entrée pour applications renouvelables

Transformer la lumière du soleil en énergie utilisable

Les panneaux solaires et les piles à combustible produisent de l’électricité propre, mais fournissent généralement des tensions faibles qui ne sont pas directement utilisables par les micro-réseaux domestiques, les véhicules électriques ou les systèmes industriels. Pour combler cet écart, les ingénieurs s’appuient sur des circuits électroniques « élévateurs » qui augmentent les faibles tensions jusqu’aux niveaux requis sur un bus d’alimentation. Cet article présente un nouveau type de convertisseur élévateur capable d’augmenter la tension, par exemple de 24 volts à environ 400 volts, avec une grande efficacité, en utilisant moins de composants et en sollicitant la source d’énergie plus en douceur que de nombreuses conceptions existantes.

Pourquoi les élévateurs de tension comptent pour les énergies propres

Dans un micro-réseau à courant continu (DC) moderne, de nombreux appareils partagent une colonne haute tension commune, souvent de l’ordre de quelques centaines de volts. Les panneaux solaires, batteries et piles à combustible se situent toutefois généralement à quelques dizaines de volts. Les convertisseurs entre ces mondes doivent faire plus que simplement élever la tension : ils doivent dissiper le moins d’énergie possible, lisser les courants pour éviter de fatiguer panneaux et batteries, et rester abordables et compacts. Beaucoup de conceptions à fort gain satisfont certains de ces objectifs mais échouent sur d’autres, souffrant d’importantes ondulations de courant, de structures multi-étages complexes ou de contraintes électriques élevées sur des composants clés.

Une nouvelle manière d’extraire plus de tension avec moins de matériel

Les auteurs proposent un convertisseur DC–DC non isolé construit autour d’un composant magnétique spécial à trois enroulements. Cette pièce, une inductance couplée avec trois bobines sur un même noyau, agit comme un hub d’énergie compact. En disposant judicieusement deux interrupteurs électroniques, quelques diodes et une paire de condensateurs autour de ce hub, le circuit multiplie la tension par étapes tout en répartissant les contraintes entre les composants. La conception atteint des tensions de sortie très élevées avec des cycles de service modérés, de sorte qu’il n’est pas nécessaire de pousser les interrupteurs à des temps de conduction extrêmes qui augmenteraient habituellement les pertes et réduiraient la fiabilité.

Courant plus lisse et sollicitation plus douce de la source

Beaucoup d’anciens convertisseurs à fort gain prélèvent le courant à la source par impulsions brusques. Pour les panneaux solaires et les piles à combustible, ces impulsions peuvent réduire l’efficacité et compliquer le suivi du point de puissance maximale, le processus qui les maintient à leur meilleur rendement. En revanche, le nouveau circuit fait circuler le courant d’entrée à travers une inductance de manière quasi continue, avec une faible ondulation. Une analyse détaillée des différentes phases de fonctionnement montre comment l’énergie est déplacée entre le noyau magnétique et les condensateurs afin que la source perçoive toujours une demande relativement stable. Parallèlement, l’interaction entre les trois enroulements et les condensateurs maintient la tension appliquée aux interrupteurs et aux diodes bien en dessous du niveau de sortie final, permettant l’utilisation de composants moins sollicités, moins chers et plus efficaces.

Conception soignée, tests et comparaison équitable

Les chercheurs vont au-delà de l’idée de base pour déterminer la taille des inductances et des condensateurs nécessaires afin de maintenir courants et tensions dans des limites sûres, et comment choisir un noyau magnétique approprié pour éviter la surchauffe ou la saturation. Ils examinent ensuite où l’énergie est perdue dans le matériel réel, y compris les faibles résistances des enroulements, des interrupteurs, des diodes et des condensateurs. À l’aide de ces modèles, ils estiment l’efficacité et testent également la sensibilité des performances à des composants moins idéaux. Une comparaison côte à côte avec de nombreux autres convertisseurs publiés récemment montre que leur approche offre un gain de tension supérieur pour un niveau de complexité donné, une moindre sollicitation des interrupteurs et des ondulations du courant d’entrée sensiblement réduites.

De la théorie au prototype fonctionnel

Pour démontrer que le concept fonctionne en dehors des simulations, l’équipe a construit un prototype de 250 watts. Avec une entrée de 24 volts et une fréquence de commutation de 50 kilohertz, le matériel a produit environ 400 volts en sortie. Les mesures des tensions et courants sur chaque composant correspondaient de près aux prédictions analytiques, notamment la réduction des contraintes sur la plupart des interrupteurs et des diodes. Sur une large plage de puissances, de 80 à 400 watts, le convertisseur a maintenu une efficacité supérieure à 90 %, atteignant un pic d’environ 95 %. Les tests ont également confirmé la faible ondulation du courant d’entrée et la possibilité d’utiliser des composants standard facilement disponibles.

Ce que cela signifie pour les futurs systèmes renouvelables

Pour les lecteurs intéressés par le déploiement pratique des énergies propres, ce travail démontre une manière de transférer davantage d’énergie depuis des sources basse tension vers des réseaux haute tension sans pénalité en taille, coût ou fiabilité. En combinant un schéma d’enroulement magnétique ingénieux avec un ensemble épuré d’interrupteurs et de condensateurs, le convertisseur proposé offre un fort gain de tension, un comportement de courant lisse et une haute efficacité dans un boîtier compact. De tels circuits peuvent faciliter l’intégration des panneaux solaires, des piles à combustible et des bancs de batteries dans les micro-réseaux DC et autres systèmes de puissance émergents, aidant les sources d’énergie propres à se connecter plus aisément à l’infrastructure du futur.

Citation: 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

Mots-clés: convertisseur DC-DC, inductance couplée, énergie renouvelable, micro-réseau DC, haut gain de tension