基于模块化通用直流-交流/直流转换器的双输出混合转换器

为家庭和社区供电

随着越来越多的住宅、建筑和街区安装太阳能电池板、电池和电动汽车，需要能高效调配电力的智能硬件。许多未来的微电网将同时并列存在传统交流（ac）配线和新兴的直流（dc）线路。本研究提出了一种新型电力转换器，能从一个紧凑的设备同时为交流和直流电路供电，帮助本地能源系统变得更简单、更安全且更经济。

为何交流与直流都重要

当下大多数家用电器与公共电网使用交流，但许多可再生能源和电子设备本质上以直流工作。在住宅或社区微电网中，这通常意味着需通过多级转换器链来调整电压并在交流与直流之间转换。每增加一个转换阶段，就会带来成本、能量损耗和复杂性的上升。与此同时，欧洲及其他地区正在大力减少碳排放并鼓励本地“能源社区”，居民共享清洁电力。这些趋势推动了对既承载交流又承载直流的混合网络，以及可重用、可扩展的模块化电子设备的兴趣。

一台设备替代两台

传统上，要从太阳能阵列或电池同时供给交流与直流，需要两个模块：一个用于升降直流电压，另一个将直流变为交流。作者在早期“通用”转换器理念的基础上进行改造，使得单一功率级能够同时完成这两项任务。该设备由四个相同的构建模块组成，称为升降压单元（buck-boost）。其中三单元产生建筑或小型电网需要的三相交流，而第四单元维持直流输出在设定水平。巧妙之处在于，将交流系统的中性线直接连接到直流输出的正极，因此交流与直流共享相同的电气参考点，而无需笨重的隔离变压器。

新型转换器的工作特性

在每个单元内部，快速电子开关以及小型电感和电容整形电流，根据需要实现升压或降压。三个位于“交流”角色的单元产生平滑的正弦波形，这些波形叠加在直流偏置上，而第四个单元则保持直流电平稳定。由于共享中性点，交流负载只看到波形的纹波部分，而直流负载看到的是稳定值。研究人员在逼近实际工况下对转换器进行了仿真，并搭建了实验室原型。在测试中，单一直流源同时提供1千瓦的三相交流功率和800瓦的直流功率。交流电压保持平衡且近似正弦，直流输出在交流或直流负载突然接入或断开时仍能接近目标电平。

安全、接地与可靠性

在交流与直流混合系统中，接地选择对安全至关重要。对于传统的非隔离双转换器，将交流中性线和直流一端接地可能无意中形成回路，使得大量故障电流循环，因此设计者通常会添加电气隔离。在该新设计中，交流中性点与直流正极在物理上为同一节点，因此内部仅有一个节点接地且不存在隐蔽回路。这消除了额外隔离硬件的需求，也可降低与杂散直流电流相关的长期腐蚀问题。原型的热成像表明，最热的部件是功率开关，这是预期之内；但其温度保持在安全范围内，并可通过改进散热进一步降低。

对未来电网的意义

研究表明，模块化单级转换器能从单一直流源可靠地为交流和直流网络供电，同时保持波形洁净和电压受控。对于非专业读者，核心信息是同一小套电子“积木”可以重复使用并扩展，以为微电网或能源社区中的不同类型负载供电。这减少了硬件数量，简化了接地与保护，并通过避免额外转换步骤可能提升总体效率。配合闭环控制和电网同步，这类转换器有望成为未来低碳本地能源系统的关键构件。

引用: Gutiérrez-Escalona, J., González-Antúnez, J.J., Roncero-Clemente, C. et al. Dual-output hybrid converter based on the modular universal dc-ac/dc converter. Sci Rep 16, 15203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45619-6

关键词: 混合微电网, 电力转换器, 交流 直流 配电, 模块化电子学, 可再生能源系统