AC-AC hybrid boost switched-capacitor converter

Abstract

Esta dissertação apresenta a análise e o projeto de um conversor boost híbrido a capacitor chaveado operando como um transformador CA-CA de estado sólido não isolado. A topologia é um resultado da integração de uma célula de comutação indutiva básica com uma célula a capacitor chaveado do tipo ladder e realiza a conversão direta de energia com elevado ganho de tensão. A análise teórica apresenta as principais características operacionais do conversor híbrido, incluindo o modelo médio do circuito elétrico equivalente e o cálculo de esforços de corrente nos componentes, considerando o modo de carga parcial dos capacitores. Uma metodologia de projeto é apresentada, detalhando a modulação utilizada e os critérios de escolha dos capacitores, interruptores, do indutor e da frequência de comutação. O estudo é validado através de simulações e experimentação de um protótipo monofásico em dois pontos de operação na frequência da rede elétrica: conversão 55/220 V e 110/400 V com potências nominais de 1 kVA e 2 kVA, respectivamente. A máxima eficiência obtida é 93,9% para cargas resistivas. Os testes experimentais comprovam a operação com diferentes frequências de rede, cargas indutivas e cargas não lineares. Testes adicionais confirmam o funcionamento da estrutura em outros 14 diferentes pontos de conexão de entrada e saída.

Abstract: This master thesis presents the analysis and design of a hybrid boost switched capacitor converter operating as an AC-AC solid-state non-isolated transformer. The topology is a result of the integration between a basic inductive switching cell with a switched capacitor ladder cell and performs the direct energy conversion with a high gain output voltage. The theoretical analysis presents the main operational characteristics of the hybrid converter, including the equivalent average electric circuit model and the current stresses calculation considering the partial charge operating mode of the capacitors. A design methodology is presented, focusing on the modulation technique and criteria for determining capacitors, semiconductor devices, inductor and switching frequency. Simulation and experimental results validate the study with a single phase prototype in two different operation points at the grid frequency: 55/220 V and 110/400 V voltage conversion with 1 kVA and 2 kVA rated power, respectively. The maximum measured efficiency is 93.9% for a resistive load. Additional tests prove the operation at different grid frequencies and loads (inductive and non-linear). Tests also confirm the operation of this structure in another 14 different input and output connections.