CAREER: Hybrid Multimode Resonant Switched-Capacitor Converters for Renewable Energy and Point-of-Load Power Delivery

职业:用于可再生能源和负载点电力输送的混合多模谐振开关电容器转换器

基本信息

  • 批准号:
    1554265
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-02-15 至 2022-01-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The field of power electronics is expected to grow in scope and importance in coming decades due to the rising need for renewable energy generation and storage, increasing adoption of electrified transportation, and to broadly reduce energy consumption of end-load applications. This research effort targets circuit, system, and implementation details of new families of power electronics based on resonant and multimode operation of switched-capacitor (SC) families of DC-DC converters. The work holds promise in facilitating greatly increased utilization of high-energy-density passive devices (capacitors and inductors) while leveraging exponential (Moore's Law) semiconductor scaling, and transformational benefits of wide-bandgap transistors. Specific research will address next-generation energy management circuits and architectures for photovoltaic systems, and large-scale battery arrays used in electrified transportation and grid-embedded energy storage. The work will also extend more generally to a variety of applications that demand high power-efficiency in a variety of load conditions, high power-density (small size), low cost, and robust variable regulation capability. Research and teaching are integrated through the training and involvement of Dartmouth graduate and undergraduate students, specific outreach modules that will engage k-12 students and the general public, and teaching activities that integrate research topics and findings in the curriculum.Resonant or hybrid operation of switched-capacitor (SC) DC-DC converters is growing increasingly attractive as the approach benefits from many of the fundamental advantages SC topologies have compared to more traditional magnetics-based topologies (e.g. buck or boost), but it can eliminate many specific limitations or disadvantages of the SC architecture. In particular, we address key knowledge gaps related to achieving highly-efficient variable voltage regulation by using the native switching capability of SC topologies merged with resonating or soft-charging inductors. We will explore the prospects of merged-multiphase interleaving that have the potential to reduce size and cost, while increasing efficiency and power-density. Variable regulation is essential for most point-of-load applications, but also promising as a way to implement distributed granular maximum power point tracking (MPPT) in photovoltaic systems, and online spectroscopic diagnostic capability in large-scale electrochemical storage systems. We will also explore multi-mode operation to extend high efficiency across a wide load range for a range of circuit topologies spanning moderate-low voltage and higher voltage applications using wide-bandgap devices.
由于对可再生能源发电和存储的需求不断增长、电气化运输的日益普及以及广泛降低终端负载应用的能耗,预计电力电子领域的范围和重要性将在未来几十年内不断扩大。这项研究工作的目标是基于开关电容器 (SC) 系列 DC-DC 转换器的谐振和多模式操作的新型电力电子产品系列的电路、系统和实现细节。这项工作有望大大提高高能量密度无源器件(电容器和电感器)的利用率,同时利用指数(摩尔定律)半导体缩放以及宽带隙晶体管的转型优势。具体研究将涉及光伏系统的下一代能源管理电路和架构,以及用于电气化运输和电网嵌入式能源存储的大规模电池阵列。这项工作还将更广泛地扩展到各种需要在各种负载条件下实现高功率效率、高功率密度(小尺寸)、低成本和强大的可变调节能力的应用。通过达特茅斯研究生和本科生的培训和参与、让 k-12 学生和公众参与的特定外展模块以及将研究主题和发现融入课程的教学活动,研究和教学得以整合。共振或混合运作开关电容器 (SC) DC-DC 转换器越来越有吸引力,因为与更传统的基于磁性的拓扑(例如降压或升压)相比,该方法受益于 SC 拓扑的许多基本优势,但它可以消除许多特定限制或SC架构的缺点。特别是,我们通过使用与谐振或软充电电感器合并的 SC 拓扑的本机开关能力来解决与实现高效可变电压调节相关的关键知识差距。我们将探索合并多相交错的前景,它有可能减小尺寸和成本,同时提高效率和功率密度。可变调节对于大多数负载点应用至关重要,而且也有望成为在光伏系统中实现分布式粒度最大功率点跟踪 (MPPT) 以及在大规模电化学存储系统中实现在线光谱诊断功能的一种方法。我们还将探索多模式操作,以在宽负载范围内扩展使用宽带隙器件的一系列电路拓扑的高效率,这些电路拓扑涵盖中低电压和更高电压的应用。

项目成果

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