Conversores cc-cc não-isolados elevadores baseados na conexão diferencial de conversores com tensão de saída de mesma polaridade

Abstract

Nos últimos anos, os conversores cc-cc de alto ganho vêm sendo fortemente demandados para aplicações que requeiram níveis de tensão elevados na saída a partir de uma fonte de entrada de baixa amplitude, tais como: fontes renováveis, células combustível, sistemas de armazenamento de energia, entre outras. Dessa forma, esta tese propõe uma nova metodologia para derivação de conversores cc-cc de alto ganho baseados nas conexões diferenciais de conversores básicos que apresentem a mesma polaridade da tensão de saída. A análise dos conversores é feita mediante a divisão em dois grupos: o positivo, que inclui os conversores nos quais as tensões de entrada e de saída apresentam a mesma polaridade (por exemplo buck, boost, SEPIC e zeta) e o grupo negativo, que engloba os conversores cujas tensões de entrada e saída apresentam polaridades diferentes (por exemplo, buck-boost e Cuk). Além da derivação e análise desses conversores no modo de condução contínua, o estudo também aborda um novo ponto de vista para algumas topologias já publicadas na literatura. Ademais, o trabalho discute sobre o processamento parcial de potência, redução de componentes, adição de células de ganho para elevar o ganho de tensão, diferentes tipos de modulação, modelagem dinâmica usando circuitos equivalentes de Thévenin e uma modelagem simplificada. A metodologia proposta é verificada por meio de onze protótipos derivados de conversores básicos, considerando tensão de entrada de 20 V, razão cíclica de 0,75, frequência de comutação de 50 kHz e potência nominal de 100 W. Os resultados experimentais confirmam as análises teóricas e evidenciam que os conversores pertencentes ao grupo negativo possuem melhor rendimento quando comparados aos conversores do grupo positivo. Além disso, são derivados cinco novos conversores cc-cc de ultra alto ganho que proporcionam ganhos estáticos de 15 a 30 vezes. As topologias são comparadas entre si e as três mais promissoras em termos de rendimento teórico são escolhidas para validação experimental, as quais são testadas para uma tensão de entrada de 20 e 30 V, potência nominal de 200 W e frequência de comutação de 50 kHz. Por meio da análise dos resultados experimentais, dois dos três conversores selecionados apresentaram resultados satisfatórios em relação a ganho de tensão e rendimento.

Abstract: In the last few years, high gain dc-dc converters have been heavily demanded for applications that require high output voltage levels from a low amplitude input source, such as: renewable sources, fuel cells, storage systems energy, among others. In this way, this thesis proposes a new methodology to generate high-gain step-up dc-dc converters based on differential connections of basic converters that present the same polarity of output voltages. Converters are analyzed by division into two groups: the positive group, that includes converters in which the input and output voltages have the same polarity (for example, buck, boost, SEPIC and zeta) and the negative group, which encompasses converters whose input and output voltages have different polarities (for example, buck-boost and Cuk). Besides the derivation and analysis of these converters in continuous conduction mode, the study also addresses a new point of view for some topologies already published in the literature. Furthermore, the thesis discusses about the partial power processing, reduction of components, addition of gain cells to increase the voltage gain, different types of modulations, dynamic modeling using equivalent Thévenin circuits and a simplified modeling. The proposed methodology is verified through eleven prototypes derived from basic converters considering input voltage of 20 V, duty cycle of 0.75, switching frequency of 50 kHz, and a rated power of 100 W. The experimental results confirm the theoretical analyzes and show that the converters belonging to the negative group have better efficiency when compared to the converters of the positive group. Moreover, five new ultra-high gain cc-cc converters are derived and after compared in relation of theoretical efficiency, the three most promising are chosen for experimental validation considering an input voltages from 20 to 30 V and static gains from 15 up to 30 times, rated power of 200 W and, switching frequency of 50 kHz. Through the analysis of the experimental results, two of the three selected converters presented satisfactory results in relation to voltage gain and efficiency.