Effect of parasitic elements in high-gain step-up boost converter with coupled inductor gain cell

Abstract

Célula de ganho com indutor acoplado é uma técnica muito utilizada para aumentar os níveis de ganho específicos e eficiência de conversores cc-cc não isolados baseados no conversor Boost. A técnica combina indutores acoplados a células multiplicadoras de tensão, resultando em várias vantagens desejáveis, como a redução do número de chaves ativas, a possibilidade de ajustar o ganho estático pela relação de aspirações do indutor acoplado e a reciclagem da energia selecionada no indutor de dispersão, entre outros recursos. Essa técnica é comumente empregada em conversores Boost com alto ganho (10-30) e alto rendimento (>95%). A modelagem desses conversores abordada na literatura muitas vezes se baseia em componentes ideais, resultando em respostas dinâmicas com diferenças consideráveis ??quando comparadas ao comportamento real de um conversor. Esta dissertação aborda uma análise que inclui elementos parasitas na modelagem de conversores Boost integrados a células de ganho com indutor acoplado operando no modo de condução contínua. Esses elementos parasitas causam perdas nos MOSFETs, diodos, capacitores e no indutor acoplado, representados por meio de modelos equivalentes que são introduzidos nos modelos dos conversores. Um protótipo de um conversor Boost com célula de ganho com indutor acoplado foi construído para validar experimentalmente os modelos desenvolvidos. Mesmo que a inclusão de elementos parasitas na modelagem de conversores cc-cc de alto ganho e alto rendimento resulte em equações mais complexas do que aquelas obtidas com modelos ideais, por meio de testes de resposta ao degrau e resposta em realização com frequência o protótipo, Ficou claro que a inclusão desses componentes gera modelos mais precisos.

Abstract: Coupled-inductor gain cell is a technique used to increase the static gain and efficiency levels of dc-dc Boost converters. It combines coupled inductors to voltage multiplier cells resulting in desirable advantages, such as reduced number of active switches, possibility of adjusting the static gain by the turns ratio of the coupled inductor and recycling the energy stored in the leakage inductor, among other interesting features. This technique is commonly employed in high-gain step-up dc-dc converters capable of obtaining high gain (10-30) and high efficiency (>95%). The modeling of these converters addressed in the literature is often based on ideal components, resulting in dynamic responses with considerable differences when compared to a real converter behavior. This thesis addresses an analysis including parasitic elements in the modeling of Boost converters with coupled inductor gain cells operating in continuous conduction mode. These parasitic elements are losses in the MOSFET, diodes, capacitors, and coupled inductor, represented through equivalent models that are introduced into the models of the converters. A prototype of a Boost converter with coupled-inductor gain cell was built to validate experimentally the developed models. Even if the inclusion of parasitic elements in the modeling of high-gain step-up dc-dc converters results more complex equations than those equations obtained with ideal models, through step-response and frequencyresponse tests performed with the prototype became clear that including these components generates more accurate models.