《Electric Power Systems Research》：A SEPIC-?uk derived hybrid converter with single-input inductor and dual DC/AC outputs for microgrid applications
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為應對微電網中直流和交流混合負載對經濟高效功率轉換方案的需求，研究人員提出并深入研究了SEPIC-?uk衍生混合變換器（SCDHC）。該拓撲通過集成SEPIC和?uk變換器，共享單輸入電感，并采用VSI替代傳統控制開關，實現了直流電壓增益翻倍、降低了開關應力、簡化了控制，且具備固有的直通保護能力。仿真與80W樣機實驗均證實了其在變負載下穩定輸出直流和交流電的能力，為微電網應用提供了一種性能優越的緊湊型單電源雙輸出解決方案。
在全球對氣候變化和化石燃料枯竭的擔憂日益加劇的背景下，可再生能源系統，特別是直流微電網，因轉換損耗低、效率高、與可再生能源集成更易等優勢，正受到越來越多的關注。然而，一個現實挑戰也隨之而來：現代建筑和住宅中的電器負載正日益趨向于直流和交流的混合模式。這就像我們家中既有需要直流電（DC）的手機、電腦和LED燈，也有需要交流電（AC）的冰箱、空調和洗衣機。為了給這些不同類型的負載同時供電，傳統的解決方案往往需要兩套獨立的轉換器：一套將直流電降壓或升壓的DC-DC變換器，和一套將直流電轉換為交流電的DC-AC逆變器。這種“各自為政”的方案不僅增加了系統的體積、成本和復雜性，還可能導致諸如循環電流、負載不均衡等問題，影響了整體可靠性和效率。
為了尋求更優解，科研人員將目光投向了“混合變換器”——一種能夠從單一直流輸入同時輸出直流和交流電能的集成化解決方案。近年來，基于Boost、?uk、SEPIC等經典拓撲的混合變換器被相繼提出，但它們各有短板：有的電壓增益有限，有的無法實現降壓輸出，有的則在追求高性能的同時犧牲了成本和控制復雜度，從而影響了其實用性和可靠性。
為了克服現有混合變換器的這些局限性，來自孟加拉國達卡科技大學電氣與電子工程系的Md. Sohel Rana、Md. Anwarul Abedin、Waqas Hassan、Md. Alamgir Hossain和Alamgir Hossain團隊進行了一項創新性研究。他們提出了一種名為“SEPIC-?uk衍生混合變換器（SCDHC）”的新型拓撲，巧妙地結合了SEPIC和?uk變換器的優點，并使用一個單相電壓源逆變器（VSI）橋來替代傳統的控制開關。他們的研究成果發表在了專業期刊《Electric Power Systems Research》上。
為了探究SCDHC的性能，研究人員采用了理論分析、計算機仿真和實物實驗相結合的方法。首先，他們在連續導通模式（CCM）下對SCDHC的穩態行為進行了嚴謹的數學建模，推導出了其直流電壓增益、交流輸出電壓、開關應力和被動元件設計等關鍵公式。其次，為了生成該變換器所需的復雜開關脈沖，研究團隊設計并實現了一種基于現場可編程門陣列（FPGA）的內存高效控制方案，利用Verilog硬件描述語言進行編程，以精確控制開關的通斷時序。最后，他們制作了一個80瓦的實驗室原型機，通過實際測量來驗證理論分析和仿真結果的正確性。
研究結果從多個角度證實了SCDHC的優異性能。
在穩態性能方面，理論推導和實驗驗證表明，SCDHC的直流電壓增益公式為 Vdcout/Vin= 2DST/(1-DST)，其中DST為直通占空比。這一結果表明，其直流電壓增益是傳統SEPIC或?uk變換器（增益為 D/(1-D)）的兩倍。同時，其直流輸出具有非反相的降壓-升壓特性，當DST小于33%時工作在降壓模式，大于33%時工作在升壓模式。交流輸出的峰值電壓則為 vacout(pk)= (Mi/(1-DST))Vin，其中Mi為調制指數，且控制參數需滿足 Mi+ DST≤ 1 的約束條件。
在開關策略與控制方面，研究采用了一種改進的單極性正弦脈寬調制（SPWM）策略來調節功率流。該策略通過比較三角載波與直流偏置信號（用于控制DST）及正弦調制波（用于控制Mi）的絕對值，自然地生成了直通區間（STI）、功率區間（PI）和零區間（ZI），從而實現了對直流和交流輸出的獨立調節。這種控制方案被高效地集成在了FPGA平臺上。
在仿真驗證中，研究人員通過MATLAB/Simulink仿真，成功展示了SCDHC在多種工況（如升壓模式DST=0.5， Mi=0.5；降壓模式DST=0.2， Mi=0.8）下的穩定工作波形。仿真結果清晰地顯示了直流和交流輸出電壓、電流波形，以及開關器件的電壓電流應力。當直流或交流負載發生50%的階躍變化時，兩個輸出端均能保持穩定，展現出良好的交叉調節性能。總諧波失真（THD）低于1.35%，遠優于標準。效率分析表明，在典型工況下，SCDHC的最大效率可達94%以上。
在實驗驗證方面，團隊成功搭建了80W的硬件原型。實驗測得的結果，包括直流輸出電壓、交流輸出電壓波形、開關節點電壓以及二極管電流等，均與仿真結果高度吻合。例如，在12V輸入下，通過調節DST=0.5和Mi=0.5，成功獲得了24V直流和12V（峰值）交流輸出；而調節至DST=0.11和Mi=0.89，則得到了10.2V直流降壓輸出和12V交流輸出，充分證明了其寬范圍調節能力和實際可行性。
總結與討論部分指出，本文提出的SCDHC拓撲通過有效整合SEPIC和?uk變換器的結構，并采用VSI開關橋，成功實現了比現有同類拓撲高出一倍的直流電壓增益。這一優勢意味著在達到相同輸出電壓時，所需占空比更小，從而有助于降低開關應力。同時，該拓撲繼承了SEPIC/?uk類變換器輸入輸出電流連續、紋波小的優點，并且由于直通狀態是其正常工作模式的一部分，因此對交流輸出側而言具有固有的直通保護功能，無需額外的死區補償電路，提高了系統可靠性。與傳統的分立式DC-DC和DC-AC方案或現有混合拓撲相比，SCDHC在開關器件數量、電壓增益、控制復雜度和可靠性方面表現出綜合優勢。
這項研究的重要意義在于，它為解決微電網中直流/交流混合負載的高效、緊湊供電問題提供了一種新穎且實用的電路解決方案。所提出的SCDHC不僅具有理論創新性，其良好的仿真和實驗結果也驗證了其工程應用的潛力。論文中詳盡的穩態分析、控制策略設計以及效率評估，為后續的優化設計和在更廣泛功率等級及場景下的應用奠定了堅實的基礎。
