Conversor de 4 quadrantes a capacitor chaveado com 5 níveis de tensão de saída

Abstract

Neste trabalho é proposto um conversor multinível composto por um par de células P2 de 3 níveis de tensão, onde cada célula constitui uma perna de uma estrutura monofásica que opera nos 4 quadrantes, no qual emprega-se uma técnica de capacitor chaveado. O conversor é abaixador de tensão e sintetiza até 5 níveis de tensão de saída. As células são constituídas por 3 capacitores que processam energia através da comutação de 6 interruptores. Dois capacitores são comuns a ambas as células, de modo que a topologia seja constituída por 4 capacitores de processamento de energia e 12 interruptores. O conversor proposto apresenta o autobalanceamento das tensões dos capacitores de processamento de energia, característica vantajosa frente a outras topologias multiníveis que demandam de estratégias de balanceamento das tensões sobre os capacitores relativamente complexas. A frequência da tensão pulsada na entrada do filtro de saída é 4 vezes a frequência de chaveamento, o que reduz o tamanho do filtro de saída; e os esforços de tensão sobre os semicondutores são, em magnitude, metade da tensão de entrada. Os esforços de corrente nos semicondutores são menores que a corrente de carga, embora desiguais. Este trabalho apresenta a análise estática da variante topológica composta por uma única célula P2 de 3 níveis de tensão, identificada como C4Q-CC-3N. Essa análise demonstra que o C4Q-CC-3N possuí uma faixa de operação limitada, o que justifica o estudo da topologia proposta, identificada como C4Q-CC-5N. Os valores médios do C4Q-CC-5N são obtidos utilizando-se a técnica de espaço de estados. As ondulações de tensão nos capacitores e de corrente nos indutores, bem como os esforços de corrente nos semicondutores e capacitores são obtidos analisando-se as formas de onda sobre esses componentes. Além disso, é obtido um modelo de pequenos sinais de segunda ordem, o qual descreve a dinâmica do sistema. O equacionamento é adaptado para a operação como inversor de tensão e a teoria é verificada, quantitativamente, comparando-se resultados de simulações com valores teóricos previstos pelas equações desenvolvidas para ambos os modos de operação: conversor cc-cc e inversor de tensão. Por fim, são apresentados resultados experimentais obtidos com um protótipo de 115 W operando como inversor, com tensão de entrada de 48 V, tensão eficaz de saída de 110 V / 50 Hz e frequência de chaveamento de 10 kHz. Os resultados validam o princípio de funcionamento proposto.<br>

This work proposes a multilevel converter composed of a pair of 3-level P2 cells, where each cell constitutes a leg of a 4-quadrants single-phase structure, using a switched capacitor technique. The converter is a step-down converter that synthesizes up to 5 output voltage levels. The cells consist of 3 power processing capacitors switched by 6 power switches. Two capacitors are shared by both cells. Thus, the topology consists of 4 power processing capacitors and 12 power switches. The proposed converter presents a self voltage balancing on the power processing capacitors, an advantageous feature compared to other multilevel topologies that require relatively complex strategies for voltage balancing. The frequency of the pulsed voltage at the output filter input is four times the switching frequency, which reduces the size of the output filter; and the current stresses on semiconductors are, in magnitude, half of the input voltage. The current stresses on semiconductors are lower than the load current, although unequal. This work presents the static analysis of the topological variant composed by a single 3-level P2 cell, identified as the half-bridge converter. This analysis shows that the half-bridge converter has a limited operating range, justifying the study of the proposed topology, identified as the full-bridge converter. The mean values of the fullbridge are obtained using the state-space technique. The voltage ripples on capacitors and current ripples on inductors as well as current stresses on semiconductors and capacitors are obtained analyzing the waveforms on these components. Furthermore, a second-order small-signals model is obtained, which describes the system dynamics. The equations are adapted for operation as a voltage inverter, and the theory is verified, quantitatively, comparing simulation data with the theoretical values predicted by the developed equations for both operations modes: dc-dc converter and voltage inverter. Finally, is presented the experimental data obtained from a prototype of 115 W operating as a voltage inverter with an input voltage of 48 V, RMS output voltage of 110 V / 50 Hz, and switching frequency of 10 kHz. The experimental data validates the principle of operation.