Design and analysis methodology for a flyback photovoltaic microinverter with hybrid modulation and GaN technology for operation up to 1 MHz

Abstract

Esta dissertação de mestrado apresenta a metodologia de projeto e análise de um microinversor fotovoltaico de 450 W, baseado na topologia Flyback intercalada (interleaved) utilizando semicondutores de Nitreto de Gálio (GaN) para operação em frequências de até 1 MHz. O trabalho descreve os requisitos necessários para atingir compacidade e eficiência, tais como a otimização de magnéticos em alta frequência, minimização de indutâncias parasitas e conformidade com os padrões de conexão à rede elétrica. Diante destes requisitos, propõe-se uma estratégia de Modulação Híbrida digital que alterna dinamicamente entre os modos de condução Controle Quase-Ressonante Crítico (QRC-BCM) e Descontínuo (QRC-DCM). Enquanto o modo QRC-BCM maximiza a eficiência em cargas elevadas, a transição para o modo QRC-DCM limita a frequência de chaveamento em cargas leves, sendo a comutação no vale (VS) assegurada em toda a faixa operacional através de um algoritmo de compensação polinomial do tempo de ressonância, cujos parâmetros foram obtidos experimentalmente. Para atenuar a oscilação de potência em 120 Hz (típica de sistemas monofásicos), é dimensionado um filtro capacitivo de entrada que garante a estabilidade da tensão do módulo fotovoltaico, enquanto o filtro de saída é projetado para atenuar as componentes de alta frequência decorrentes da comutação do conversor. Ainda, é realizada a implementação de um inversor de desdobramento (unfolding bridge) em baixa frequência para a injeção de corrente na rede. Além do equacionamento teórico, modelagem estática e simulações, o trabalho apresenta resultados experimentais de um protótipo, evidenciando alta eficiência de conversão que atinge valores de até 96%, Fator de Potência (PF) unitário e Distorção Harmônica Total (THD) inferior a 3,5%.

Abstract: This master?s thesis presents the design methodology and analysis of a 450 W photovoltaic microinverter based on the interleaved Flyback topology, using Gallium Nitride (GaN) semiconductors for operation at frequencies up to 1 MHz. The work describes the requirements necessary to achieve compactness and efficiency, such as the optimization of high-frequency magnetics, minimization of parasitic inductances, and compliance with grid connection standards. Given these requirements, a digital Hybrid Modulation strategy is proposed, which dynamically alternates between Quasi-Resonant Control at Boundary Conduction Mode (QRC-BCM) and Discontinuous Conduction Mode (QRC-DCM). While the QRC-BCM mode maximizes efficiency at high loads, the transition to the QRC-DCM mode limits the switching frequency at light loads, ensuring Valley Switching (VS) across the entire operating range through a polynomial resonance time compensation algorithm, whose parameters were obtained experimentally. To attenuate the 120 Hz power oscillation (typical of single-phase systems), an input capacitive filter is dimensioned to guarantee the stability of the photovoltaic module voltage, while the output filter is designed to attenuate the high-frequency components resulting from the converter switching. Furthermore, a low-frequency unfolding bridge inverter is implemented for current injection into the grid. In addition to theoretical equations, static modeling, and simulations, the work presents experimental results of a prototype, evidencing high conversion efficiency reaching values up to 96%, unity Power Factor (PF), and Total Harmonic Distortion (THD) lower than 3.5%.