Metodologia para concepção de conversores CC-CC de alto ganho baseados em topologias básicas com indutor acoplado e células multiplicadoras de tensão

Abstract

Devido à infinidade de conversores cc-cc não isolados de alto ganho propostos na literatura, torna-se importante revisá-los e classificá-los de maneira abrangente, bem como derivar métodos para generalizar o uso das técnicas de elevação de ganho comumente empregadas. Motivado por essa necessidade, este trabalho não apenas propõe uma nova família de conversores cc-cc de alto ganho, mas uma metodologia generalizada para derivá-los a partir de qualquer topologia cc-cc clássica, aplicando indutores acoplados e células multiplicadoras de tensão. Para ilustrar a metodologia, são desenvolvidos e analisados conversores cc-cc de alto ganho com base nas topologias básicas (Buck, Boost e Buck-Boost). Esses conversores são comparados em termos de ganho de tensão, volume do indutor acoplado, esforços de tensão, fator de estresse dos dispositivos semicondutores e regulação da potência de saída. A fim de projetar conversores de elevado rendimento e alta densidade de potência, propõe-se a operação dessas estruturas em modo quase-ressonante, viabilizando características de comutação suave em todos os dispositivos semicondutores. Além disso, os modelos de pequenos sinais dos conversores derivados pela metodologia proposta são obtidos de forma generalizada e simplificada, chegando-se a funções de transferência relativamente compactas, o que facilita o projeto das malhas de controle necessárias em aplicações específicas. Por fim, um estudo de caso da aplicação dos conversores propostos a sistemas fotovoltaicos integrados a edifícios é apresentado, permitindo o emprego de todos os conceitos desenvolvidos ao longo do trabalho.

Abstract: Due to the plethora of non-isolated high step-up dc-dc converters proposed in the literature, it has become important to comprehensively review and classify them, as well as to find methods to generalize the usage of the commonly employed voltage boost techniques. Motivated by this necessity, this paper proposes a generalized methodology to create high step-up dc-dc converters based on any classical dc-dc topology by applying a coupled inductor and voltage multiplier cells. To illustrate the methodology, high step-up converters based on the basic dc-dc topologies (Buck, Boost, and Buck-Boost) are developed and analyzed. The converters are compared in terms of voltage gain, coupled inductor volume, voltage stresses, semiconductor component stress factor, and output power regulation. In order to design high efficiency, high density power converters, it is proposed the operation in quasi-resonant mode, making feasible soft-switching features in all the semiconductor devices. In addition, the small-signal models of derived converters by the proposed methodology are obtained in a generalized, simplified way, reaching transfer functions relatively compacts, which facilitates the project of the control loops needed in specific applications. Finally, a case study of the applications of proposed converters to building integrated photovoltaic systems is presented, enabling the usage of all the concepts developed throughout the work.