Methodology for design and static-dynamic analysis of current source rectifiers: comparative evaluation and experimental validation

Abstract

Entre os conversores atualmente utilizados para conversão AC-CC, os retificadores a diodo (DR) e os retificadores de fonte de tensão (VSRs) são os mais comuns devido à sua disponibilidade, custo e eficiência. No entanto, os retificadores fonte de corrente (CSRs) oferecem diversas vantagens, incluindo proteção contra curto-circuito, ausência do sistema de pré-carga, característica abaixadora de tensão, mínima ondulação de corrente na saída e eliminação dos capacitores do barramento CC. Esses benefícios podem reduzir o tamanho do conversor e melhorar a qualidade da energia, mas os CSRs estão tipicamente associados a altas perdas de conversão. Avanços recentes em aplicações que poderiam se beneficiar das vantagens dos CSRs, além de novos dispositivos que melhoram sua eficiência, trouxeram um renovado interesse por essa configuração. Apresentando uma nova metodologia para análise estática e dinâmica, esta tese propõe uma abordagem inovadora para o design de componentes do CSR, esquemas de modulação, análise de perdas, modelagem e estratégias de controle. Essas metodologias são validadas por meio de investigação experimental, demonstrando sua eficácia na otimização do sistema. Além disso, é apresentada uma comparação com outras topologias, demonstrando que, em certas aplicações e condições, os CSRs são uma escolha atraente. Embora a tese apresente novos métodos de projeto, análise estática e dinâmica, esta não se concentra em um aspecto específico dos CSRs, mas oferece uma visão geral do tema em seu estado-da-arte, proporcionando insights práticos para engenheiros.

Abstract: Among the converters currently used for AC-DC conversion, diode rectifiers (DR) and voltage source rectifiers (VSRs) are the most common due to their availability, cost, and efficiency. However, current source rectifiers (CSRs) offer several advantages, including short-circuit protection, no requirement for pre-charging, step-down characteristics, minimal output current ripple, and the avoidance of DC bus capacitors. These benefits can reduce overall size and enhance power quality, but CSRs are typically associated with high conversion losses. Recent advancements in applications that could benefit from the CSRs advantages, and new devices that improve their efficiency, have brought renewed interest to this configuration. Introducing a novel methodology for static and dynamic analysis, this thesis sets out a new approach of design parameters of CSR components, modulation schemes, losses analysis, modelling, and control strategies validating these innovative methodologies and system optimization in experimental investigation. Additionally, a comparison with other topologies is presented, demonstrating that in certain applications and conditions, CSRs are an attractive choice. Although the thesis present novel methods of design, static and dynamic analysis, it is not focusing on a specific aspect of CSRs but provides an overview of the topic and its state-of-art, offering practical insights for engineers.