A High-Gain Dual-Switch Non-Isolated Boost Converter: Analysis, Control, and Experimental Validation
本文提出了一种高增益双开关非隔离升压变换器（DSNIBC），该变换器利用开关电感拓扑结构和相互依赖的占空比，在保持适度应力的同时实现了卓越的电压增益，并通过综合理论分析、小信号建模以及在光伏最大功率点追踪（MPPT）条件下的实验测试进行了验证。
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在现代世界中，电力很少能以完全符合设备需求的形式直接到达。太阳能电池板产生的是低电压直流电，而许多电子系统和电动汽车组件则需要更高的电压才能高效运行。为了弥补这一差距，工程师们依赖于一类被称为直流-直流（DC-DC）转换器的设备。这些电路充当电压升压器，将适中的输入电压提升到更高的水平。然而，试图通过一个标准的转换器来实现极高的电压提升，就像试图通过一次精疲力竭的纵跳来攀登一座陡峭的山峰。随着设备被迫在极端设置下运行以达到高电压，它会遭受显著的能量损失、过热以及内部组件的压力，这可能导致失效或效率低下。
为了解决这个问题，研究人员开发了各种复杂的结构，利用额外的组件将攀登过程分解为更小、更易处理的步骤。虽然这些方案很有效，但它们往往引入了一个新问题：它们需要如此多的额外部件，导致系统变得臃于事、昂贵且难以控制。因此，挑战在于寻找一种既能实现高电压增益，又不会使设计过于复杂或牺牲可靠性的方法。德里国立理工学院的一支工程师团队通过创造一种新型转换器解决了这一问题，该转换器在高性能与相对简单的结构之间取得了平衡，为太阳能系统和电池供电电网等低功率应用提供了实用的解决方案。
研究人员提出了一种名为双开关非隔离升压转换器的新设计。与依赖单个开关来控制能量流动的传统转换器不同，这种新设备使用两个协同工作的有源开关。通过仔细安排这两个开关的开启和关闭时机，电路可以在其电感器中储存能量，并以一种比旧设计更有效地倍增电压的方式释放能量。这项创新的关键在于开关之间的相互作用。根据它们运行的具体时序，该转换器可以以三种截然不同的模式运行。在最有效的模式下，一个开关的运行时间比另一个长，这使得电路能够在保持开关处于适中、压力较小的运行水平的同时，实现高电压增益。这种方法避免了导致标准转换器过热或效率低下的极端设置。
为了确保设计在现实世界中可行，该团队并未止步于理论。他们在实验室中制作了一个物理原型，以在实际运行条件下测试这一概念。该设备由标准电子元件组成，包括两个金属开关、五个二极管、两个电感器和一个电容器，并由一个小型数字微控制器进行控制。目标是将较低的输入电压（例如12伏特）提升至48伏特，这是许多现代电子系统的常见要求。在测试期间，研究人员使原型面临各种挑战，包括电源的突然变化和电气负载的转移。结果表明，即使在输入波动或电力需求快速变化时，该转换器也能保持稳定的输出电压。该设备能够以极小的纹波（即不希望出现的波动）来调节电压，且内部组件能够承受电气压力而不发生故障。
研究的一个关键部分涉及理解如何控制这两个开关以获得最佳性能。研究人员发现，其中一个开关对输出电压的影响远大于另一个。通过将主要控制角色分配给这个主导开关，并利用第二个开关提供补充支持，他们创建了一种既灵活又稳健的控制策略。这种方法使系统能够快速响应变化而不会变得不稳定。他们还将转换器置于模拟的太阳能环境中进行测试，将其连接到最大功率点跟踪算法。这种设置模拟了太阳能电池板在一天中随阳光强度变化时的行为。原型成功追踪了来自模拟源的最大可用功率并相应调整其运行，证明了该设计非常适合可再生能源应用。
研究结论认为，这种新型转换器在性能与复杂性之间提供了良好的平衡。它实现了高电压增益，而不需要其他高增益设计中那种过多的组件，也不会迫使开关在导致磨损的极端极限下运行。实验验证确认了理论预测是准确的，原型成功地从12伏特源输出了稳定的48伏特电压。研究人员证明，通过使用具有特定控制策略的双开关，可以创造出一种紧凑、高效且可靠的功率转换器。虽然目前的工作侧重于低功率应用，但其研究结果为从电动汽车到电信设备等一切需要可靠电压转换的领域，指明了一条通往更高效功率管理系统的路径。
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