Conversores CC-CC não isolados de elevado ganho estático concebidos com acoplamento magnético

Abstract

A expansão das energias renováveis nas décadas recentes, que é consequência de políticas de incentivo ao uso de fontes menos poluentes, da maturação da tecnologia presente em sistemas de fontes renováveis e da diminuição de custos de implantação, aliada ao desenvolvimento tecnológico dos dispositivos semicondutores, fez surgir em escala igual um aumento dos conversores contemporâneos de energia. Com base nesse panorama, este trabalho versa sobre a proposição de conversores com elevada taxa de conversão, aliando reduzida ondulação na corrente de entrada com processamento de potência na escala de 1 kW, para uma tensão de saída da ordem de 800 volts. Para isto foi realizado um estudo sobre as técnicas de elevado ganho de tensão, por meio do apontamento das características predominantes, que permitiram estabelecer as diferenças entre os métodos analisados. A partir disso foram propostos três novos conversores. O estudo dos conversores propostos apoiou-se na tríade: análise das etapas de operação (ganho estático em modo de condução contínua e descontínua, análise dinâmica, análise de desempenho com outros conversores tipo-boost), metodologia de projeto e, por fim, uma validação experimental. O conversor I possibilitou um ganho estático da ordem de 13 vezes, enquanto os conversores II e III foram além, com taxa de conversão superior a 16 vezes. A corrente de entrada para o conversor I, devido ao indutor acoplado na entrada, deu-se do tipo contínua-pulsante. Já os conversores II e III, dada a característica interleaved, apresentaram reduzida ondulação de corrente. Os três conversores permitiram uma tensão de saída de 800 V, todos processando uma potência de 1 kW. O rendimento experimental (em plena carga) foi da ordem de 87,00%, 93,68% e 92,86%, respectivamente, para o conversor I, II e III. Esses resultados apontam para a utilização dos novos conversores em fontes de energias renováveis, células combustíveis, sistemas armazenadores de energia, dentre outras aplicações.

Abstract: An increased demand of novel power converters has emerged with the expansion of renewable energies in recent decades as a result of policies to encourage the use of clean sources, the maturation of technology present in renewable sources systems and the reduction of deployment costs, combined with the technological development of semiconductor devices. Based on this overview, this work deals with the conception of converters with high conversion rate, combining reduced current ripple at the input with power processing in the range of 1 kW for an output voltage on the order of 800 volts. For that, a study was conducted on techniques of high voltage gain, by pointing out the predominant characteristics, which allowed to establish the differences between the analyzed methods. From that study, three new converters were proposed. The study of the proposed converters was based on the triad: analysis of the operational stages (static gain in CCM and DCM, dynamic analysis, performance analysis with other type-boost converters), design methodology and finally, a practical/experimental test. Converter I enabled a static gain of the order of 13 times, while converters II and III went further with conversion rate exceeding 16 times. The input current for converter I, due to the coupled inductor to the input, was of continuous-pulsating type. On the other hand, the converters II and III, given the interleaved characteristic, presented reduced current ripple. All converters allowed an output voltage of 800 V, either processing a power level of 1 kW. The efficiency (at full load) was on the order of 87.00%, 93.68% and 92.86%, respectively, for converter I, converter II and converter III. These results point to the use of new converters in renewable energies, fuel cells, energy storage systems, among other applications.