Gewijzigd ontwerp van een TWCI-gebaseerde DC-DC-omzetter met hoge step-up, minder componenten en lage ingangsstroomrimpel voor hernieuwbare toepassingen

Zonnestraling omzetten in bruikbare energie

Zonnepanelen en brandstofcellen wekken schone elektriciteit op, maar leveren doorgaans lage spanningen die niet direct bruikbaar zijn voor thuis-microgrids, elektrische voertuigen of industriële systemen. Om deze kloof te overbruggen vertrouwen ingenieurs op elektronische "step-up" schakelingen die lage spanningen verhogen tot de hogere niveaus die op een voedende bus nodig zijn. Dit artikel introduceert een nieuw type step-up-omzetter die de spanning bijvoorbeeld van 24 volt naar ongeveer 400 volt kan brengen met hoge efficiëntie, met minder onderdelen en met een veel zachtere behandeling van de energiebron dan veel bestaande ontwerpen.

Waarom spanningsversterkers belangrijk zijn voor schone energie

Binnen een modern gelijkstroom (DC) microgrid delen veel apparaten een gemeenschappelijke hoogspanningsbackbone, vaak rond enkele honderden volts. Zonnepanelen, accu's en brandstofcellen bevinden zich echter meestal op enkele tientallen volts. Omzetters tussen deze werelden moeten meer doen dan alleen de spanning verhogen: ze moeten zo min mogelijk energie verspillen, de stromen glad houden om panelen en accu's niet te belasten, en betaalbaar en compact blijven. Veel bestaande hoogvermogensontwerpen halen sommige van deze doelen, maar schieten tekort op andere punten: ze lijden aan grote stroomrimpels, ingewikkelde meertrapsstructuren of hoge elektrische belasting van sleutelcomponenten.

Een nieuwe manier om meer spanning uit minder hardware te halen

De auteurs stellen een niet-geïsoleerde DC–DC-omzetter voor die is opgebouwd rond een speciaal magneetonderdeel met drie wikkelingen. Dit onderdeel, een gekoppelde inductantie met drie spoelen op één kern, werkt als een compact energieknooppunt. Door zorgvuldig twee elektronische schakelaars, een paar diodes en twee condensatoren rond dit knooppunt te rangschikken, vermenigvuldigt de schakeling de spanning in stappen terwijl de belasting over componenten wordt verdeeld. Het ontwerp bereikt zeer hoge uitgangspanningen bij matige schakelvoorwaarden (duty-cycles), zodat het de schakelaars niet hoeft te dwingen tot extreem lange inschakeltijden die gewoonlijk verliezen vergroten en de betrouwbaarheid verminderen.

Gladdere stroom en vriendelijker voor de bron

Veel eerdere hoogvermogensomzetters trekken stroom uit de bron in scherpe pulsen. Voor zonnepanelen en brandstofcellen kunnen deze pulsen de efficiëntie verminderen en het Maximum Power Point Tracking (MPPT)-proces bemoeilijken, het mechanisme dat ze op hun optimale werkpunt houdt. In tegenstelling daarmee leidt de nieuwe schakeling de ingangsstroom door een inductor zodat deze bijna continu blijft, met lage rimpel. Gedetailleerde analyse van de verschillende bedrijfstoestanden laat zien hoe energie tussen de magneetkern en condensatoren wordt verplaatst zodat de bron altijd een relatief stabiele vraag ervaart. Tegelijkertijd zorgt de interactie tussen de drie wikkelingen en condensatoren ervoor dat de spanning die schakelaars en diodes zien ruim onder het uiteindelijke uitgangsniveau blijft, waardoor goedkopere, lager gedimensioneerde en efficiëntere onderdelen gebruikt kunnen worden.

Zorgvuldig ontwerp, testen en eerlijke vergelijking

De onderzoekers gaan verder dan het basisidee en werken uit hoe groot de inductoren en condensatoren moeten zijn om stromen en spanningen binnen veilige grenzen te houden, en hoe een geschikte magneetkern gekozen kan worden zodat deze niet oververhit raakt of verzadigt. Vervolgens onderzoeken ze waar energie in echte hardware verloren gaat, inclusief de kleine weerstanden in wikkelingen, schakelaars, diodes en condensatoren. Met deze modellen schatten ze de efficiëntie en testen ze ook hoe gevoelig de prestaties zijn voor niet-ideale componenten. Een vergelijking naast veel recent gepubliceerde omzetters laat zien dat hun benadering voor een gegeven complexiteitsniveau hogere spanningsversterking biedt, lagere belasting op schakelaars en aanzienlijk kleinere rimpels in de ingangsstroom.

Van theorie naar een werkend prototype

Om aan te tonen dat het concept buiten simulaties werkt, bouwde het team een prototype van 250 watt. Met een ingangs‑spanning van 24 volt en een schakelfrequentie van 50 kilohertz produceerde de hardware ongeveer 400 volt aan de uitgang. Metingen van spanningen en stromen bij elk apparaat kwamen nauwkeurig overeen met de analytische voorspellingen, inclusief de verminderde belasting op de meeste schakelaars en diodes. Over een breed vermogensbereik, van 80 tot 400 watt, hield de omzetter zijn efficiëntie boven 90 procent, met een piek rond 95 procent. De tests bevestigden ook de lage rimpel in de ingangsstroom en de mogelijkheid om standaard, gemakkelijk verkrijgbare componenten te gebruiken.

Wat dit betekent voor toekomstige hernieuwbare systemen

Voor lezers die geïnteresseerd zijn in de praktische uitrol van schone energie, laat dit werk zien hoe meer vermogen van laagspanningsbronnen naar hoogspanningsnetten kan worden gebracht zonder nadelen in omvang, kosten of betrouwbaarheid. Door een slim magneetwikkelschema te combineren met een gestroomlijnde set schakelaars en condensatoren levert de voorgestelde omzetter sterke spanningsverhoging, soepel stroomgedrag en hoge efficiëntie in een compact pakket. Zulke schakelingen kunnen het integreren van zonnepanelen, brandstofcellen en accubanken in DC-microgrids en andere opkomende energiesystemen vergemakkelijken, waardoor schone energiebronnen naadlozer op de infrastructuur van de toekomst kunnen worden aangesloten.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: DC-DC-omzetter, gekoppelde inductantie, hernieuwbare energie, DC-microgrid, hoge spanningsversterking