Zmodyfikowana konstrukcja przetwornicy DC-DC typu TWCI o dużym wzmocnieniu zredukowanymi elementami i niskim tętnieniem prądu wejściowego dla zastosowań odnawialnych

Przekształcanie światła słonecznego w użyteczną energię

Panele słoneczne i ogniwa paliwowe wytwarzają czystą energię elektryczną, ale zazwyczaj dostarczają niskie napięcia, które nie są bezpośrednio użyteczne dla domowych mikrosieci, pojazdów elektrycznych czy systemów przemysłowych. Aby pokonać tę różnicę, inżynierowie stosują elektroniczne układy „podwyższające”, które zwiększają niskie napięcia do wyższych poziomów wymaganych na magistrali zasilającej. W artykule zaprezentowano nowy typ przetwornicy podwyższającej, która może podnieść napięcie z, na przykład, 24 woltów do około 400 woltów przy wysokiej sprawności, wykorzystując mniejszą liczbę elementów i traktując źródło energii łagodniej niż wiele istniejących rozwiązań.

Dlaczego przetwornice podwyższające mają znaczenie dla czystej energii

W nowoczesnej mikrosieci prądu stałego (DC) wiele urządzeń współdzieli wspólną wysokonapięciową magistralę, często na poziomie kilkuset woltów. Panele słoneczne, akumulatory i ogniwa paliwowe znajdują się jednak zwykle na poziomie kilkudziesięciu woltów. Przetwornice łączące te światy muszą robić więcej niż tylko podnosić napięcie: powinny tracić jak najmniej energii, utrzymywać prąd gładki, aby nie przeciążać paneli i akumulatorów, oraz być przystępne cenowo i kompaktowe. Wiele istniejących konstrukcji o dużym wzmocnieniu spełnia część tych wymagań, ale zawodzi w innych obszarach, cierpiąc z powodu dużych tętnień prądu, złożonych struktur wielostopniowych lub wysokich naprężeń elektrycznych na kluczowych elementach.

Nowy sposób uzyskiwania większego napięcia przy mniejszej liczbie elementów

Autorzy proponują nieizolowaną przetwornicę DC–DC opartą na specjalnym elementcie magnetycznym z trzema uzwojeniami. Ten element, sprzężony induktor z trzema cewkami na jednym rdzeniu, działa jak kompaktowe centrum energetyczne. Poprzez staranne rozmieszczenie dwóch tranzystorów przełączających, kilku diod i pary kondensatorów wokół tego rdzenia, układ stopniowo mnoży napięcie, jednocześnie rozkładając naprężenia między elementy. Konstrukcja osiąga bardzo wysokie napięcia wyjściowe przy umiarkowanych współczynnikach wypełnienia, dzięki czemu nie trzeba wymuszać ekstremalnie długich czasów przewodzenia przełączników, które zwykle zwiększają straty i obniżają niezawodność.

Gładszy prąd i łagodniejsze traktowanie źródła

Wiele wcześniejszych przetwornic o dużym wzmocnieniu pobiera prąd ze źródła w ostrych impulsach. Dla paneli słonecznych i ogniw paliwowych takie impulsy mogą obniżać sprawność i komplikować śledzenie punktu maksymalnej mocy (MPPT), proces utrzymujący je w optymalnym punkcie pracy. W przeciwieństwie do nich nowy układ kieruje prąd wejściowy przez induktor w sposób utrzymujący go prawie ciągłym, z niskim tętnieniem. Szczegółowa analiza poszczególnych faz pracy pokazuje, jak energia jest przemieszczana między rdzeniem magnetycznym a kondensatorami, tak aby źródło zawsze widziało względnie stałe obciążenie. Jednocześnie współdziałanie trzech uzwojeń i kondensatorów ogranicza napięcia występujące na przełącznikach i diodach poniżej poziomu końcowego wyjścia, co pozwala na zastosowanie elementów o niższych parametrach znamionowych — tańszych i bardziej efektywnych.

Staranna konstrukcja, testy i uczciwe porównanie

Naukowcy poszli dalej niż samo założenie koncepcyjne — określili wielkości induktorów i kondensatorów potrzebne do utrzymania prądów i napięć w bezpiecznych granicach oraz jak dobrać odpowiedni rdzeń magnetyczny, aby nie ulegał przegrzaniu ani nasyceniu. Następnie przeanalizowali miejsca, gdzie w rzeczywistym sprzęcie pojawiają się straty, wliczając drobne rezystancje uzwojeń, przełączników, diod i kondensatorów. Korzystając z tych modeli oszacowali sprawność i sprawdzili, jak wrażliwa jest wydajność na elementy gorszej jakości. Bezpośrednie porównanie z wieloma innymi niedawno opublikowanymi przetwornicami pokazuje, że ich rozwiązanie oferuje większe wzmocnienie napięcia przy danym poziomie złożoności, mniejsze naprężenia na przełącznikach oraz znacząco mniejsze tętnienia prądu wejściowego.

Od teorii do działającego prototypu

Aby udowodnić, że koncepcja działa poza symulacjami, zespół zbudował prototyp o mocy 250 watów. Przy napięciu wejściowym 24 V i częstotliwości przełączania 50 kHz sprzęt wygenerował około 400 V na wyjściu. Pomiary napięć i prądów na poszczególnych elementach pokrywały się z przewidywaniami analitycznymi, w tym potwierdzały zmniejszone naprężenia na większości tranzystorów i diod. W szerokim zakresie mocy, od 80 do 400 W, przetwornica utrzymywała sprawność powyżej 90% i osiągnęła szczyt około 95%. Testy potwierdziły również niskie tętnienie prądu wejściowego oraz możliwość użycia standardowych, powszechnie dostępnych komponentów.

Co to oznacza dla przyszłych systemów odnawialnych

Dla czytelników zainteresowanych praktycznym wdrożeniem czystej energii, praca ta pokazuje sposób na przesył większej mocy ze źródeł niskonapięciowych do sieci wysokiego napięcia bez kompromisu w rozmiarze, koszcie czy niezawodności. Poprzez połączenie sprytnego układu uzwojeń magnetycznych z uproszczonym zestawem przełączników i kondensatorów, proponowana przetwornica dostarcza silne podwyższenie napięcia, gładkie zachowanie prądu i wysoką sprawność w kompaktowej obudowie. Takie układy mogą ułatwić integrację paneli słonecznych, ogniw paliwowych i banków akumulatorów z mikrosieciami DC i innymi rozwijającymi się systemami zasilania, pomagając źródłom odnawialnym płynniej włączać się w infrastrukturę przyszłości.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: przetwornica DC-DC, sprzężony induktor, energia odnawialna, mikrosieć DC, duże wzmocnienie napięcia