Convertitore DC-DC ad elevato rapporto basato su TWCI con componenti ridotti e bassa ondulazione di corrente in ingresso per applicazioni rinnovabili

Trasformare la luce solare in energia utilizzabile

I pannelli solari e le celle a combustibile producono elettricità pulita, ma normalmente forniscono tensioni basse che non sono direttamente utilizzabili da microreti domestiche, veicoli elettrici o sistemi industriali. Per colmare questo divario, gli ingegneri si affidano a circuiti elettronici “elevatori” che aumentano le tensioni basse ai livelli più alti richiesti da un bus di potenza. Questo articolo introduce un nuovo tipo di convertitore boost che può portare la tensione, per esempio, da 24 volt a circa 400 volt con elevata efficienza, usando meno componenti e trattando la sorgente di energia in modo più delicato rispetto a molti progetti esistenti.

Perché i convertitori elevatori sono importanti per l’energia pulita

All’interno di una moderna microrete in corrente continua (DC), molti dispositivi condividono un backbone ad alta tensione, spesso dell’ordine di alcune centinaia di volt. Pannelli solari, batterie e celle a combustibile, invece, si trovano tipicamente a poche decine di volt. I convertitori che collegano questi mondi devono fare più che alzare la tensione: devono dissipare il meno possibile, mantenere le correnti regolari per non sollecitare pannelli e batterie, ed essere economici e compatti. Molti progetti ad alto guadagno soddisfano alcuni di questi obiettivi ma mancano in altri, soffrendo di ampia ondulazione di corrente, strutture multi-stage complesse o elevato stress elettrico sui componenti chiave.

Un nuovo modo per ottenere più tensione con meno hardware

Gli autori propongono un convertitore DC–DC non isolato basato su un particolare componente magnetico a tre avvolgimenti. Questa parte, un induttore accoppiato con tre bobine su un unico nucleo, funziona come un hub energetico compatto. Disponendo con cura due interruttori elettronici, alcuni diodi e un paio di condensatori attorno a questo hub, il circuito moltiplica la tensione per stadi condividendo lo stress tra i componenti. Il progetto raggiunge tensioni di uscita molto elevate con rapporti di lavoro moderati, quindi non è necessario spingere gli interruttori a tempi di conduzione estremi che tipicamente aumentano le perdite e riducono l’affidabilità.

Corrente più uniforme e trattamento più gentile della sorgente

Molti convertitori ad alto guadagno precedenti prelevano corrente dalla sorgente in impulsi netti. Per pannelli solari e celle a combustibile, questi impulsi possono ridurre l’efficienza e complicare il tracciamento del punto di massima potenza (MPPT), il processo che li mantiene nel loro punto ottimale di funzionamento. Al contrario, il nuovo circuito guida la corrente d’ingresso attraverso un induttore in modo da mantenerla quasi continua, con bassa ondulazione. Un’analisi dettagliata delle diverse fasi operative mostra come l’energia venga trasferita tra il nucleo magnetico e i condensatori in modo che la sorgente trovi sempre una domanda relativamente costante. Allo stesso tempo, l’interazione tra i tre avvolgimenti e i condensatori mantiene la tensione vista da interruttori e diodi ben al di sotto del livello di uscita finale, permettendo l’uso di componenti a tensione nominale inferiore, più economici e più efficienti.

Progetto accurato, test e confronto imparziale

I ricercatori vanno oltre l’idea di base per determinare quanto devono essere grandi induttori e condensatori per mantenere correnti e tensioni entro limiti sicuri, e come scegliere un nucleo magnetico adatto in modo che non si surriscaldi o vada in saturazione. Esaminano poi dove si disperde energia nell’hardware reale, incluse le piccole resistenze negli avvolgimenti, negli interruttori, nei diodi e nei condensatori. Utilizzando questi modelli stimano l’efficienza e testano anche la sensibilità delle prestazioni a componenti meno che ideali. Un confronto diretto con molti altri convertitori pubblicati di recente mostra che il loro approccio offre un guadagno di tensione maggiore per un dato livello di complessità, minor stress sugli interruttori e ondulazioni significativamente più basse nella corrente d’ingresso.

Dalla teoria a un prototipo funzionante

Per dimostrare che il concetto funziona anche fuori dalle simulazioni, il team ha costruito un prototipo da 250 watt. Con un ingresso di 24 volt e una frequenza di commutazione di 50 kilohertz, l’hardware ha fornito circa 400 volt in uscita. Le misure delle tensioni e delle correnti su ciascun componente hanno aderito strettamente alle previsioni analitiche, inclusa la riduzione dello stress sulla maggior parte di interruttori e diodi. Su un ampio intervallo di potenze, da 80 a 400 watt, il convertitore ha mantenuto l’efficienza sopra il 90 percento, raggiungendo un picco intorno al 95 percento. I test hanno anche confermato la bassa ondulazione della corrente d’ingresso e la possibilità di utilizzare componenti standard e facilmente reperibili.

Cosa significa questo per i futuri sistemi rinnovabili

Per i lettori interessati alla diffusione pratica dell’energia pulita, questo lavoro dimostra un modo per trasferire più potenza da sorgenti a bassa tensione a reti ad alta tensione senza pagare un prezzo in termini di ingombro, costo o affidabilità. Combinando uno schema di avvolgimenti magnetici ingegnoso con un insieme snello di interruttori e condensatori, il convertitore proposto offre forte incremento di tensione, comportamento della corrente regolare ed elevata efficienza in un pacchetto compatto. Tali circuiti possono facilitare l’integrazione di pannelli solari, celle a combustibile e banchi di batterie nelle microreti DC e in altri sistemi di potenza emergenti, aiutando le fonti di energia pulita a collegarsi in modo più fluido all’infrastruttura del futuro.

Citazione: 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

Parole chiave: convertitore DC-DC, induttore accoppiato, energia rinnovabile, microrete DC, elevato guadagno di tensione