Conversor CC-CC bidirecional não isolado de alto ganho baseado em células de indutores e capacitores chaveados

Abstract

Este trabalho apresenta o estudo, projeto e validação experimental de um conversor CC-CC bidirecional não isolado de alto ganho, baseado em uma célula ativa de indutores chaveados e uma célula ativa de capacitores chaveados. O conversor proposto é capaz de operar nos modos elevador e abaixador, mantendo elevado ganho de tensão e reduzido número de componentes em comparação com soluções existentes. O documento aborda a análise estática e dinâmica da topologia proposta, incluindo a modelagem orientada ao controle e o projeto dos controladores de tensão e corrente em ambos os fluxos de potência. A topologia e análise realizada é validada por meio de simulações numéricas e resultados experimentais em um protótipo de 300 W com frequência de comutação de 50 kHz, 48 V no lado de baixa tensão e 380 V no lado de alta tensão. Os resultados demonstraram que o conversor possui alta taxa de conversão tanto no modo elevador como no modo abaixador de tensão, com rendimento satisfatório, de aproximadamente 92%, em ambos os sentidos do fluxo de potência.

Abstract: This work presents the study, design, and experimental validation of a high-gain non-isolated bidirectional DC?DC converter based on an active switched-inductor cell and an active switched-capacitor cell. The proposed converter is capable of operating in both step-up and step-down modes while maintaining a high voltage conversion ratio and a reduced number of components compared to existing solutions. The document addresses the steady-state and dynamic analyses of the proposed topology, including control-oriented modeling and the design of voltage and current controllers for both power flow directions. The proposed topology and the conducted analyses are validated through numerical simulations and experimental results obtained from a 300 W prototype operating at a switching frequency of 50 kHz, with 48 V on the low-voltage side and 380 V on the high-voltage side. The results demonstrate that the converter achieves a high conversion ratio in both step-up and step-down operating modes, with satisfactory efficiency of approximately 92% in both power flow directions.