Metodologia aplicada à derivação e modelagem de conversores CC-CC diferenciais de alto ganho

Abstract

Este trabalho apresenta uma nova metodologia aplicada à síntese de conversores cc-cc de alto ganho. Esta metodologia baseia-se na ligação de dois conversores cc-cc não-isolados, em que as tensões de saída são respectivamente positivas e negativas em relação a um terminal comum. Assim, qualquer carga conectada entre os terminais positivo e negativo é submetida a uma tensão diferencial equivalente à soma das tensões de saída de cada conversor. Ao considerar a aplicação da metodologia apenas aos conversores cc-cc não-isolados, é possível obter oito topologias diferenciais a partir da combinação entre os conversores com tensões de saída positiva (Buck, Boost, SEPIC, ZETA) e negativa (Buck-Boost e Cuk). Por conseguinte, essas topologias são analisadas em modo de condução contínua, discutindo diferentes estratégias de comando, distribuição do processamento de potência, e redução do número de componentes. A metodologia proposta é verificada experimentalmente através das oito topologias derivadas pela combinação dos conversores básicos, considerando uma tensão de entrada de 24 V, frequência de chaveamento de 50 kHz e potência nominal de 200 W. Adicionalmente, este trabalho mostra que a metodologia proposta pode ser expandida a partir da inserção de células de ganho de tensão, resultando em topologias com ganhos ainda maiores. Neste sentido, um novo conversor de alto ganho, proposto com base nos conversores ZETA e Cuk com célula de ganho foi avaliado experimentalmente sob tensões de entrada de 20 V e 30 V, potência nominal de 200 W e frequência de chaveamento de 50 kHz, proporcionando um ganho estático da ordem de treze vezes, e rendimento máximo da ordem de 96,33%. Por fim, uma vez que os conversores diferenciais apresentam grande quantidade de elementos armazenadores de energia, uma nova abordagem baseada no uso dos circuitos equivalentes de Thévenin é utilizada para modelá-los dinamicamente, reduzindo os esforços matemáticos empregados. A validação da modelagem é averiguada confrontando resultados de simulação e experimentação para as oito combinações envolvendo os conversores cc-cc não-isolados clássicos. Os resultados obtidos em resposta a pequenos degraus de razão cíclica revelam uma pertinente representatividade entre os modelos obtidos e o comportamento prático dos conversores.

Abstract: This work presents a new methodology applied to the synthesis of high-gain dc-dc converters. This methodology is based on the connection of two non-isolated dc-dc converters, in which the output voltages are respectively positive and negative in respect to a common terminal. Thus, any load connected between the positive and negative terminals is subjected to a differential equivalent voltage resulting from the sum of the output voltages of each converter. On limiting the application of the methodology only to the non-isolated basic dc-dc converters, it is possible to obtain eight differential topologies from the combination between the converters. Therefore, these topologies are analyzed in continuous conduction mode, considering different command strategies, power processing distribution, and reduction in the number of components. The proposed methodology is verified experimentally through the eight topologies derived from the combination of the basic converters, regarding an input voltage of 24 V, switching frequency of 50 kHz, and a nominal power of 200 W. In addition, the proposed methodology can be expanded from the insertion of voltage gain cells, resulting in topologies to increase the voltage gain. Thus, a new high gain converter, based on the ZETA and Cuk converters with a gain cell, under input voltages of 20 V and 30 V, the nominal power of 200 W and the switching frequency of 50 kHz, was experimentally evaluated providing a static gain of thirteen times and peak efficiency about of 96.33%. Finally, since the differential converters have a large amount of energy storage elements, a new approach based on the use of Thévenin equivalent circuits is used to obtain the dynamic models of them, reducing the mathematical efforts employed. The validation of the modeling is verified by comparing simulation and experimental results of all combinations involving the non-isolated basic dc-dc converters. The results obtained in response to small steps of the duty cycle reveal the relevant similarity between the obtained models and the practical behavior of the converters.