Conversor CC-CC de três portas não isolado derivado da topologia Cuk com célula de ganho

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um conversor CC-CC de três portasnão isolado, baseado na topologia Cuk modificada, projetado para integrar, em um único estágio de conversão, um gerador fotovoltaico, um banco de baterias e uma carga conectada a um barramento CC. A proposta incorpora uma célula de ganho associada a uma estrutura bidirecional, permitindo a operação nos quatro modos clássicos de conversores multiportas?- SISO (Single Input Single Output), DISO (Dual Input Single Output) e SIDO (SingleInput Dual Output, viabilizando o gerenciamento eficiente do fluxo de potência entre as diferentes portas. A estrutura desenvolvida contribui para a redução da ondulação de corrente, a mitigação dos esforços sobre os semicondutores e a simplificação da arquitetura, eliminando a necessidade de múltiplos estágios de conversão e possibilitando soluções de menor volume, custo reduzido e melhor desempenho global. O trabalho abrange desde a fundamentação teórica e a revisão bibliográfica sobre conversores multiportas até a formulação das equações de projeto, incluindo o dimensionamento de indutores e capacitores, bem como a seleção dos semicondutores. A topologia foi analisada em malha aberta e validada por meio de simulações computacionais e ensaios experimentais em protótipo. Os resultados confirmaram a coerência entre os modelos teóricos e os testes práticos, evidenciando o funcionamento adequado em todos os modos de operação. Além disso, a análise demonstrou que o conversor é capaz de elevar as tensões fornecidas por módulos fotovoltaicos e baterias de baixa tensão para níveis compatíveis com barramentos CC, atendendo às necessidades de sistemas de geração distribuída e aplicações em energias renováveis.

Abstract: This work presents the development of a non-isolated three-port DC-DC converter based on a modified Cuk topology, designed to integrate in a single conversion stage a photovoltaic source, a battery bank, and a DC bus load. The proposed structure incorporates again cell combined with a bidirectional cell, enabling operation in the four classical modes of multiport converters, SISO (Single Input Single Output), DISO (Dual Input SingleOutput) and SIDO (Single Input Dual Output, allowing efficient power flow managementamong the different ports. The converter architecture contributes to reducing current ripple, mitigating the stress on semiconductors, and simplifying the overall system design by eliminating the need for multiple conversion stages, thus providing a more compact,cost-effective, and higher-performance solution. The research comprises the theoretical foundation and literature review on multiport converters, the formulation of the design equations, the sizing of inductors and capacitors, and the selection of semiconductor devices.The proposed topology was analyzed in open loop and validated through computational simulations and experimental tests on a prototype. The results confirmed consistency between the theoretical models and the experimental data, demonstrating correct operationin all power flow modes. Furthermore, the study showed that the converter is capable of boosting the voltage levels provided by photovoltaic panels and low-voltage batteries to values suitable for DC bus applications, thereby meeting the requirements of distributed generation systems and renewable energy applications.