Conversores CC-CC não-isolados com alta taxa de conversão baseados no empilhamento de topologias convencionais

Abstract

Esta tese tem como objetivo contribuir no estudo de novas topologias de conversores CC-CC não-isolados abaixadores com alta taxa de conversão. As topologias propostas são geradas a partir do empilhamento de estruturas convencionais e podem ser empregadas em aplicações em que elevados níveis de tensão estão envolvidos. As principais características das topologias propostas são a possibilidade de modularidade da estrutura, balanceamento natural das tensões nos capacitores e reduzidos esforços de tensão nos dispositivos semicondutores, permitindo o uso de interruptores e diodos da baixa tensão. Os conversores propostos também podem ser utilizadas como barramento CC proporcionando um ou mais níveis de tensão de saída, onde diferentes cargas podem ser conectadas em um ou mais capacitores da pilha. Dois tipos de estruturas são estudadas neste trabalho: conversores CC-CC baseados no empilhamento de topologias não-isoladas convencionais e conversores CC-CC baseados no empilhamento de topologias isoladas. Uma análise teórica generalizada com ganho estático, esforços de tensão e corrente nos principais componentes, análise do fluxo de potência e rendimento é apresentada para todas as topologias propostas. Com o objetivo de avaliar o desempenho e validar a análise teórica generalizada, protótipos para os dois tipos de estruturas com 250 W e 4 kW de potência de saída e tensão de entrada de 1200 V foram construídos e testados experimentalmente. Os resultados experimentais obtidos corroboram com a análise teórica e demonstram a viabilidade dos conversores propostos.

Abstract: This thesis aims to contribute to the study of new topologies of step-down nonisolated dc-dc converters with high conversion ratio. The proposed topologies are generatedfrom the stacking of conventional structures and they can be employed in applicationswhere high levels of voltage are involved. The main features of the proposed topologies arethe possibility of modularity, natural voltage balance across the capacitors and reducedvoltage stresses on the semiconductor devices, allowing the use of low voltage switchesand diodes. The proposed converters can also be used as dc bus, providing one or severaloutput voltage levels, where different loads can be connected to one or more capacitorsof the stack. Two types of structures are studied in this work: dc-dc converters based onstacking of conventional non-isolated topologies and dc-dc converters based on stackingof conventional isolated topologies. A generalized theoretical analysis with static gain,voltage and current stresses on the main components, power flow analysis and efficiency ispresented for all the proposed topologies. In order to evaluate performance and validatethe theoretical analysis, prototypes for the two types of structures with 250 W and 4kW of output power and 1200 V input voltage were built and tested experimentally. Theexperimental results obtained corroborate the theoretical analysis and they demonstratethe feasibility of the proposed converters.