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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.

 N2). The equivalent circuits of these stages are shown in Fig. 7./p>