Isolated bidirectional DC-DC converter based on the integration of the full-bridge ZVS-PWM and current-fed push-pull converter for DC microgrid applications

Abstract

Esta dissertação de mestrado apresenta a proposta de um Conversor CC-CC Bidirecional Isolado baseado na integração dos conversores CC-CC ZVS-PWM Ponte Completa e Push-Pull alimentado em corrente, grampeado com um conversor Buck. A energia acumulada na indutância de dispersão do transformador ocasiona sobretensões nos MOSFETs do estágio Push-Pull, essas tensões são reguladas pelo conversor Buck. Assim, a energia que seria dissipada em grampeadores passivos usuais é parcialmente regenerada pelo conversor de grampeamento. De maneira geral, o conversor proposto serve como solução para a aplicação em uma microrrede CC, conectando um banco de baterias de íons de lítio a um barramento CC principal de distribuição de energia. Portanto, a revisão do estado da arte abrange microrrede CC, módulos fotovoltaicos, baterias de íon de lítio, técnicas de controle de transferência de energia como controle por droop e principalmente conversores CC-CC bidirecionais isolados. Ademais, a análise matemática, dimensionamento e resultados experimentais de um protótipo de 2000 W serviram para atestar todas as teorias apresentadas neste trabalho. Finalmente, o conversor projetado apresentou uma eficiência máxima de 95,1% quando as baterias estão sendo carregadas e 91,8% quando estão sendo descarregadas. Além disso, estudos teóricos como ganho estático parametrizado, características de saída, técnica de modulação, modelagem e controle de corrente das baterias são demonstrados para enriquecer o conteúdo científico desse trabalho na área de eletrônica de potência e servir como base para o estudo de conversores CC-CC bidirecionais isolados na aplicação de microrredes CC.

Abstract: This master thesis presents the proposal of an Isolated Bidirectional DC-DC Converter based on the integration of a DC-DC Full-Bridge ZVS-PWM and Current-Fed Push-Pull converters, clamped with a Buck Converter to regenerate energy stored in the transformer leakage inductance that is normally dissipated in passive snubber circuits. The converter was designed to be applied in a DC microgrid connecting a Lithium-ion battery bank with the DC bus. Therefore, this thesis presents a review in the state of the art about DC microgrid, photovoltaic modules, Lithium-ion batteries, power transfer control techniques such as droop control and isolated bidirectional DC-DC converters. Moreover, the mathematical analysis, sizing and experimental results of a 2000 W prototype are developed to attest all theories presented in this paper. The designed converter presented a maximum efficiency of 95.1% when the batteries are being charged and 91.8% when they are being discharged. In addition, theoretical analysis about the proposed converter like the parameterized static gain, output characteristics, modulation technique, converter modeling and the battery current control are demonstrated to enrich the scientific content of this work in the power electronics field, so the designed converter can be reference in the study of isolated bidirectional DC-DC converters in DC microgrid applications.