Conexão série de conversores modulares: metodologia para análise do auto-equilíbrio das tensões e estudo do conversor Flyback a duas chaves

Abstract

A conexão de conversores modulares é uma solução atraente para reduzir os esforços de corrente e tensão sobre os componentes no processamento de energia. Destacam-se em aplicações que requerem boa eficiência, robustez e alta densidade de potência. O principal desafio na modularização de conversores é garantir a adequada distribuição de potência, pois variações paramétricas inerentes aos aspectos construtivos, podem causar desequilíbrio entre os módulos. Assim, muitas soluções na literatura são baseadas em estratégias de controle que garantem o balanço de tensão, corrente e potência entre os módulos. No caso da conexão modular série, o equilíbrio das tensões garante a adequada distribuição de potência entre os módulos, e pode ser obtido através do mecanismo intrínseco de auto-equilíbrio das tensões, dispensando o uso de malhas extras de controle. Este estudo propõem uma metodologia que padroniza, através da característica de saída do conversor, a avaliação do mecanismo de auto-equilíbrio das tensões na conexão modular série. A tese é validada na conexão modular série de conversores Flyback a duas chaves operando no modo contínuo de condução. A opção por este conversor é apresentar uma alternativa de maior potência ao conversor modular Flyback de uma chave. Para o conversor em estudo são apresentados a análise estática e dinâmica do mecanismo de auto-equilíbrio das tensões e o desenvolvimento do modelo de pequenos sinais orientado para o controle da tensão de saída. Os resultados experimentais, obtidos de um protótipo de 1,5kW composto por três módulos, evidenciam a validade da metodologia de análise e da conexão modular de conversores Flyback a duas chaves no modo contínuo de operação.

Abstract : Interesting in medium- and high-voltage dc-dc converters with high-density power has been steadily growing. DC transmission and distribution systems, micro-grids, renewable energy systems, auxiliary power supplies and energy storage systems are example of applications. In this context, series connected modular converters is a good strategy to meet higher power density requirements using low-voltage rating power switches, particularly for converters which have an intrinsic voltage-balancing mechanism. The intrinsic voltage-balancing mechanism allows for operation with a simplified control scheme, although such operation results in slight voltage-unbalance due to mismatching of parameters. Several strategies of series modular connection are reported in the literature, none of them clearly defines the voltage-balancing behavior in steady state. The aim of this study has been to present a methodology to analyze the behavior, in steady state, of voltage-balancing mechanism in the presence of mismatches. The proposed methodology can be applied to other topologies too. Beside that, this study proposes an isolated dc-dc converter, based on the series association of modules, where each module is composed of a two-switch flyback converter operating in continuous conduction mode, as an alternative to high density power and medium-voltage applications. The operation and analysis of the proposed connection were assessed, based on the experiments carried out on a laboratory prototype with three modules: 1,200Vdc total input voltage, 1.5 kW output power and 50kHz switching frequency.