Hand-in-Hand Fractional-Stage DC-DC Converters

Hand-in-Hand Fractional-Stage DC-DC Converters

高效率与高功率密度是电力电子领域永恒的追求，然而随着变换器功率等级的不断增长，其损耗、体积、重量以及造价与变换器功率容量之间的正比例关系成为了电力电子领域难以逾越的大山。为了降低变换器的功率容量，提升变换器的整体性能，分数阶功率变换技术（部分功率变换技术）近来被国内外学者广泛关注。正如其名，分数阶功率变换技术中仅部分功率经过需变换器处理，显著降低了系统中变换器的功率容量。然而，传统部分功率变化技术其电路结构如图1所示，其输入输出无法共地，因此复杂的隔离变换器拓扑往往被用以实现非隔离的部分功率变换功能，导致电路控制复杂、成本增加、功率密度降低。

图1 传统部分功率变换电路结构

本文提出了一系列Hand-in-hand Fractional-stage Converter (HFC)电路结构，如图2所示。HFC电路由两个输入源与两个子变换器构成，其中每个输入源作为其中一个变换器的输入，同时所连变换器的输出端又与另外一个输入源串联，由此构成两组串联部分功率变化单元（Vs2&vc1与Vs1&vc2）。两组部分功率变换单元在并联后共同为负载供电，形成了一种独特的Hand-in-Hand结构，其功率流图如图3所示。得益于该结构，分数阶功率变换通过非隔离变换器而实现，解决了现有分数阶变换器因依赖隔离变换器而导致的低效率、低功率密度的问题。除此之外，两部分功率变化单元处理的功率可以根据实际需求灵活分配以调整输入源的工作电流、电压等，实现输入源的多维度管理。本文对HFC的电路原理，拓扑实现以及应用场景进行了详细分析，并以基于双向Buck/Boost的HFC变换器在电池能量管理系统中的应用作为实例，进行了进一步的分析，建模。最后，制作一台1.2kW的实验样机进行实验验证，并与现有分数阶功率变换电路进行对比分析，证实了所提HFC的可行性、先进性以及理论分析的正确性。相关研究成果近期发表在电力电子领域期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》。

图2 HFC电路结构

图3 HFC功率流图

独特的Hand-in-Hand结构赋予了HFC对多个输入源进行独立能量管理的能力，使其在光伏发电、储能系统、脉动功率平抑等应用场景具有广泛的应用前景。

图4 HFC在光伏发电中的应用

图5 HFC在电池储能中的应用

图6 HFC在电容储能中的应用

图7 HFC在混合系统(光储)中的应用

F. Yang, H. Wu, Y. Duan and F. Yang, "Hand-in-Hand Fractional-Stage DC-DC Converters," in IEEE Transactions on Power Electronics, doi: 10.1109/TPEL.2025.3617647.

http://ieeexplore.ieee.org/document/11192664