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May 21, 2023

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Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13745 (2022) Citare questo articolo

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Per un sistema di accumulo dell'energia è necessario un convertitore CC-CC bidirezionale. L'elevata efficienza e un elevato rapporto di conversione step-up e step-down sono le tendenze di sviluppo. In questa ricerca, è stata derivata una serie di circuiti Cuk bidirezionali ad alto guadagno combinando induttori collegati e Cuk bidirezionale. Dopo aver analizzato e confrontato le caratteristiche di ciascun circuito, è stato proposto un circuito Cuk bidirezionale ad alto guadagno con un induttore tappato (accoppiamento inverso). Il convertitore proposto ha una struttura semplice e un guadagno di tensione elevato sia nella modalità operativa step-down (Buck) che step-up (Boost). Lo stress di tensione di S2 era basso. Lo stress di tensione di S1 ​​era tuttavia elevato e questo costituisce uno svantaggio del convertitore proposto. Sono state esaminate attentamente le caratteristiche del circuito proposto, comprese le caratteristiche del guadagno di tensione e la progettazione dei parametri principali. Abbiamo stabilito un modello di perdita di potenza della nuova topologia e il rapporto di rotazione dell'induttore collegato è stato ottimizzato per un'elevata efficienza. Infine, è stato dimostrato che un'implementazione sperimentale del convertitore da 400 W raggiunge efficienze del 93,5% e 92,4% rispettivamente nelle modalità step-up e step-down. Questi risultati hanno verificato la validità dell'analisi teorica del circuito proposto.

A causa della scarsità di combustibili fossili e dei gravi problemi ambientali degli ultimi anni, sforzi significativi sono stati concentrati sullo sviluppo di tecnologie di generazione distribuita (DG) rispettose dell’ambiente1. L’energia rinnovabile, tuttavia, non produce energia costante a causa delle condizioni meteorologiche. L'accumulo di energia è necessario per fornire energia stabile2. Inoltre, la tensione di una batteria di accumulo è generalmente bassa, compresa tra 12 e 48 V, mentre la tensione di un bus CC è pari o superiore a 400 V per soddisfare i requisiti di un inverter o di una rete CA3. Di conseguenza, affinché i sistemi di accumulo dell’energia possano collegare una batteria a bassa tensione a un bus CC ad alta tensione, è necessario un convertitore CC-CC bidirezionale con un elevato rapporto di conversione della tensione step-up/step-down4. Inoltre, questi convertitori sono stati ampiamente studiati per un'ampia gamma di applicazioni industriali, inclusi sistemi di continuità, veicoli elettrici e alimentatori per l'aviazione5. Il tradizionale convertitore buck-boost può fornire un guadagno ad alta tensione con un ampio rapporto di servizio, che causerà notevoli perdite di conduzione a causa delle grandi ondulazioni di corrente. Inoltre, in letteratura sono stati presentati diversi convertitori DC-DC bidirezionali basati su topologie isolate. Queste topologie richiedono un trasformatore e un numero elevato di dispositivi di commutazione, il che aumenta il costo e le perdite di commutazione, oltre a richiedere schemi di controllo più complicati.

Sono stati proposti molti convertitori CC-CC bidirezionali con un elevato rapporto di conversione step-up/step-down per migliorare il guadagno di tensione e l'efficienza di un convertitore. Il metodo a cascata è stato utilizzato nel riferimento 6 per ampliare la gamma di rapporti di un convertitore bidirezionale il cui guadagno è stato calcolato moltiplicando i guadagni di ciascun convertitore di livello. Tuttavia, l'efficienza era bassa a causa della cascata e si verificava un problema di instabilità. Il convertitore proposto nel riferimento 7 ha migliorato il rapporto di conversione di un convertitore CC-CC bidirezionale collegando il lato a bassa tensione in parallelo e il lato ad alta tensione in serie, ma la struttura del convertitore era complessa. Alcune soluzioni interessanti, come condensatori commutati8,9, induttori commutati10 e induttori accoppiati11, sono state introdotte per un convertitore CC/CC bidirezionale di base per aumentare il rapporto di conversione della tensione. Il convertitore DC-DC risonante modulare a ponte bidirezionale proposto, basato su condensatori commutati, ha raggiunto un elevato rapporto di conversione step-up/step-down attraverso un'unità di condensatori commutati8. Tuttavia, utilizzava un gran numero di interruttori e le sollecitazioni di tensione e corrente sugli interruttori erano elevate a causa della risonanza. Di conseguenza, sebbene il circuito proposto in 9 riducesse il numero di interruttori, il suo intervallo di rapporti di conversione era limitato. Il riferimento 10 ha utilizzato la tecnica dell'induttore accoppiato per costruire un convertitore CC-CC bidirezionale con un elevato guadagno di tensione step-up/step-down. L'ondulazione della corrente era ampia perché la forma d'onda della corrente sul lato a bassa tensione della topologia era un'onda quadra. Inoltre, il riferimento 11 trattava i convertitori CC-CC bidirezionali non isolati basati su induttori a doppio accoppiamento, che potrebbero ottenere un guadagno di tensione elevato e stress di tensione di commutazione ridotti collegando gli avvolgimenti secondari di due induttori accoppiati in serie. Tuttavia, richiedeva un controllo complesso.