Inversor boost diferencial a capacitor chaveado

Abstract

Este trabalho apresenta um novo inversor elevador,bidirecional, monofásico e de estágio único. A topologia denominadainversor boost diferencial a capacitor chaveado é concebida a partir daintegração entre o inversor diferencial boost e estruturas ladder a capacitorchaveado. O inversor boost convencional, mesmo sendo elevador, possuilimitação de ganho devido às perdas. A inserção de células multiplicadorasa capacitor chaveado permite ampliar seu ganho estático sem aumentar osesforços de tensão sobre os interruptores. No entanto, a topologia resultanteé não linear e apresenta elevada quantidade de elementos armazenadores deenergia, o que dificulta sua modelagem. Nesta tese realiza-se a análiseestática e dinâmica do inversor boost diferencial a capacitor chaveado sobdiferentes tipos de modulação. Propõe-se um circuito equivalente e ummodelo de pequenos sinais de ordem reduzida e dinâmica equivalente, alémde uma técnica de linearização de ganho estático que reduzconsideravelmente a distorção harmônica da tensão de saída. O estudo évalidado por simulação e experimentação em dois protótipos com ganho detensão diferentes, sendo um de 250 W e outro de 500 W. Resultadosdemonstram que o inversor proposto é capaz de operar tanto de formaautônoma, alimentando cargas resistivas, indutivas e não-lineares; quantoconectado à rede elétrica da concessionária. O trabalho apresenta, ainda,uma comparação entre o inversor diferencial boost convencional e a versãohíbrida proposta nesta tese. O inversor híbrido tem potencial para aplicaçõesem que se necessite de tensão alternada superior ao barramento de entrada,como em sistemas ininterruptos ou mesmo em fontes renováveis de energia.

Abstract : This work addresses a new step-up inverter,bi-directional, single-phase single-stage. The topology referred asswitched-capacitor differential boost inverter is based on thedifferential boost inverter and switched-capacitor ladder structures.The conventional boost inverter, even being a step-up topology,presents a gain limitation due to losses. The insertion of switchedcapacitormultiplier cells allows increasing its static gain withoutelevating the stresses on its components. However, the resultingtopology is nonlinear and has a high amount of energy storageelements, which makes difficult its modeling. In this thesis, staticand dynamic analysis of the switched-capacitor differential boostinverter is performed under different types of modulation. It isproposed a reduced-order equivalent circuit and a small-signalmodel, as well as a static gain linearization technique that reducesthe harmonic distortion of the output voltage. The study is validatedby simulation and experimentation in two prototypes with differentvoltage gains, one being 250 W and one 500 W. Presented resultsdemonstrate that the proposed inverter is capable of operating instand-alone mode, feeding resistive, inductive and non-linear loads;as well as connected to the electric grid. The work also presents acomparison between the conventional differential boost inverter andthe hybrid version proposed in this thesis. The hybrid inverter isintended to be used in applications whenever an ac voltage largerthan the dc link voltage is needed, such as in uninterrupted systemsor even in renewable energy sources.