用于可再生能源的改进型基于TWCI的高升压 DC-DC 变换器，元件减少且输入电流纹波低

把阳光变成可用电能

太阳能电池板和燃料电池能产生清洁电力，但它们通常输出较低电压，无法直接供家庭微电网、电动汽车或工业系统使用。为弥合这一差距，工程师依赖电子“升压”电路，将低电压提升到电源母线上所需的更高电平。本文介绍了一种新型升压变换器，能够以较高效率、较少元件并以比许多现有设计更温和的方式对待能源源端，将例如 24 伏的电压提升到约 400 伏。

为什么升压器对清洁能源很重要

在现代直流（DC）微电网中，许多设备共享一个常见的高压母线，通常在几百伏左右。然而，太阳能电池板、电池和燃料电池通常处于几十伏的低电平。这两者之间的变换器必须不仅仅是提高电压：它们应尽量减少能量损耗，使电流平滑以免给电池板和电池带来应力，并保持成本和体积的可控性。许多现有的高增益设计在实现部分目标时表现良好，但在其他方面存在不足，例如产生较大电流纹波、结构复杂的多级拓扑或关键元件上的高电压应力。

用更少硬件实现更高电压的新方法

作者提出了一种基于特殊三绕组磁性元件的非隔离 DC–DC 变换器。该部件是装在同一磁芯上的三匝耦合电感，类似一个紧凑的能量枢纽。通过将两个电子开关、少数二极管和一对电容器围绕这一枢纽进行精心布置，电路以分级方式倍增电压，同时在元件间分担电压应力。该设计在适度的开关占空比下即可实现非常高的输出电压，因此无需将开关推到极端导通时间，从而避免通常会增加损耗并降低可靠性的工况。

更平滑的电流与对源更温和的处理

许多早期的高增益变换器以尖锐脉冲形式从源端汲取电流。对于太阳能电池板和燃料电池，这些脉冲会降低效率并使最大功率点跟踪变得复杂——后者是保持它们在最佳工作点运行的过程。相比之下，该新电路通过电感引导输入电流，使其近似连续且纹波低。对不同工作阶段的详细分析展示了能量如何在磁芯和电容之间传递，以便源端始终看到相对平稳的负载。同时，三组绕组与电容的相互作用使开关和二极管所承受的电压远低于最终输出电平，从而可以使用额定更低、成本更低且效率更高的器件。

细致的设计、测试与公平比较

研究人员不仅提出了基本思路，还推导出为保持电流与电压在安全范围内所需的电感与电容尺寸，以及如何选择合适的磁芯以防止过热或饱和。随后他们检查了真实硬件中能量的损耗来源，包括绕组、开关、二极管和电容的微小电阻。基于这些模型，他们估算了效率并测试了性能对非理想元件的敏感性。与许多近期发表的其他变换器进行并列比较表明，该方法在给定复杂度下提供更高的电压增益、开关承压更低以及显著更小的输入电流纹波。

从理论到实际原型

为证明该概念在仿真之外也能工作，团队制作了一个 250 瓦的原型。以 24 伏输入和 50 千赫的开关频率，硬件在输出端产生了约 400 伏。各器件上的电压和电流测量值与解析预测高度吻合，包括大多数开关和二极管的应力降低。在 80 至 400 瓦的宽功率范围内，变换器效率保持在 90% 以上，峰值约为 95%。测试还证实了输入电流的低纹波特性以及可使用常见、易得元件的能力。

这对未来可再生系统意味着什么

对于关心清洁能源实际部署的读者，这项工作展示了一种将在不牺牲体积、成本或可靠性的情况下，将更多功率从低电压源输送到高压电网的方法。通过将巧妙的磁绕组方案与精简的开关与电容配置相结合，所提出的变换器在紧凑封装中实现了强大的电压提升、平滑的电流行为和高效率。这类电路能使太阳能电池板、燃料电池和电池组更容易集成到直流微电网和其他新兴电力系统中，帮助清洁能源更无缝地接入未来的基础设施。

引用: 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

关键词: DC-DC 变换器, 耦合电感, 可再生能源, 直流微电网, 高电压增益