Модифицированная конструкция повышающего DC-DC преобразователя на основе TWCI с уменьшенным числом элементов и низкой пульсацией входного тока для возобновляемых источников

Преобразование солнечного света в пригодную для использования энергию

Солнечные панели и топливные элементы вырабатывают чистую электроэнергию, но обычно дают низкие напряжения, которые напрямую не подходят для домашних микросетей, электромобилей или промышленных систем. Чтобы устранить этот разрыв, инженеры используют электронные схемы «повышения», которые увеличивают низкое напряжение до уровня, требуемого на силовой шине. В этой статье представлен новый тип повышающего преобразователя, который может поднять напряжение, например, с 24 вольт примерно до 400 вольт с высокой эффективностью, используя меньше компонентов и оказывая более мягкое воздействие на источник энергии по сравнению со многими существующими решениями.

Почему повышатели напряжения важны для чистой энергетики

В современной постояннотоковой (DC) микросети многие устройства подключены к общей высоковольтной шине, часто на уровне нескольких сотен вольт. Однако солнечные панели, аккумуляторы и топливные элементы обычно работают при нескольких десятках вольт. Преобразователи между этими уровнями должны не только повышать напряжение: они должны минимизировать потери энергии, сглаживать токи, чтобы не перегружать панели и аккумуляторы, а также быть доступными и компактными. Многие существующие конструкции с большим коэффициентом повышения достигают некоторых из этих целей, но уступают по другим — страдают от больших пульсаций тока, сложных многоступенчатых схем или высокого электрического напряжения на ключевых компонентах.

Новый способ получить больше напряжения при меньшем количестве аппаратуры

Авторы предлагают неизолированный DC–DC преобразователь, основанный на специальном магнитном элементе с тремя обмотками. Этот элемент, связанный индуктор с тремя катушками на одном сердечнике, выступает в роли компактного энергетического узла. Правильно расположив два электронных ключа, несколько диодов и пару конденсаторов вокруг этого узла, схема поэтапно умножает напряжение, распределяя электрические нагрузки между элементами. Конструкция обеспечивает очень высокие выходные напряжения при умеренных скважностях переключения (duty cycle), поэтому не требует экстремально длительных включений ключей, которые обычно увеличивают потери и снижают надежность.

Более гладкий ток и более щадящее обращение с источником

Многие ранние высокоусилительные преобразователи потребляют ток из источника короткими импульсами. Для солнечных панелей и топливных элементов такие импульсы могут снижать эффективность и усложнять отслеживание точки максимальной мощности (MPPT), процесс, который удерживает их в оптимальном режиме работы. В отличие от этого, новая схема направляет входной ток через дроссель таким образом, что он остается практически непрерывным, с мало пульсациями. Детальный анализ различных этапов работы показывает, как энергия перетекает между магнитным сердечником и конденсаторами, так что источник всегда видит относительно стабильную нагрузку. Одновременно взаимодействие трех обмоток и конденсаторов удерживает напряжение на ключах и диодах значительно ниже окончательного выходного уровня, что позволяет применять компоненты с меньшим номиналом, дешевле и эффективнее.

Тщательная разработка, тестирование и честное сравнение

Исследователи вышли за рамки базовой идеи и определили, какие индуктивности и емкости необходимы, чтобы удерживать токи и напряжения в безопасных пределах, а также как выбрать подходящий магнитный сердечник, чтобы он не перегревался и не насыщался. Затем они изучили, где именно теряется энергия в реальном оборудовании, включая небольшие сопротивления в обмотках, ключах, диодах и конденсаторах. Используя эти модели, они оценили КПД и также проверили чувствительность характеристик к менее идеальным компонентам. Сравнение с множеством недавно опубликованных преобразователей показывает, что их подход обеспечивает больший коэффициент повышения при заданном уровне сложности, меньшую нагрузку на ключи и существенно меньшие пульсации входного тока.

От теории к рабочему прототипу

Чтобы доказать работоспособность концепции вне моделирования, команда собрала прототип мощностью 250 ватт. При входном напряжении 24 вольта и частоте переключения 50 килогерц аппарат получил около 400 вольт на выходе. Измерения напряжений и токов на каждом узле близко совпали с аналитическими предсказаниями, включая снижение нагрузки на большинство ключей и диодов. В широком диапазоне мощностей, от 80 до 400 ватт, преобразователь сохранял КПД выше 90 процентов с пиковой эффективностью около 95 процентов. Испытания также подтвердили низкую пульсацию входного тока и возможность использовать стандартные, легко доступные компоненты.

Что это означает для будущих возобновляемых систем

Для тех, кого интересует практическое внедрение чистой энергетики, эта работа демонстрирует способ передавать больше мощности от низковольтных источников в высоковольтные сети без потерь в размерах, стоимости или надежности. Объединив продуманную схему намотки магнитного элемента с оптимизированным набором ключей и конденсаторов, предлагаемый преобразователь обеспечивает мощное повышение напряжения, плавную работу по току и высокий КПД в компактном корпусе. Такие схемы облегчают интеграцию солнечных панелей, топливных элементов и аккумуляторных батарей в DC микросети и другие развивающиеся силовые системы, помогая чистым источникам энергии более бесшовно подключаться к инфраструктуре будущего.

Цитирование: 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

Ключевые слова: DC-DC преобразователь, связанный индуктор, возобновляемая энергия, DC микросеть, высокий коэффициент повышения напряжения