Estudo de conversores CC-CC com reduzido ganho de tensão

Abstract

Esta tese estuda topologias para conversores CC-CC abaixadores de reduzido ganho de tensão usados em data centers e outras aplicações similares em termos de ganho. Primeiramente é feita uma revisão bibliográfica das arquiteturas do sistema elétrico de data centers e de topologias para o estágio CC-CC abaixador destes sistemas e de conversores para alimentação de FPGAs. Após isso, é feita uma breve revisão dos conversores diferenciais, apresentando os tipos, conceitos e aplicações. Também é realizada uma revisão da célula ladder de capacitor chaveado, na qual são apresentadas a análise estática e uma metodologia de projeto. Por último foi revisado o conversor buck síncrono interleaved, muito usado nessas aplicações pela divisão dos esforços de corrente. Dois conceitos são estudados para gerar as topologias abaixadoras, uma deles utiliza o conceito de conversores diferenciais, onde a saída é a diferença de tensão entre dois conversores clássicos. A característica estática é analisada usando diferentes conversores, e são apresentados exemplo de projeto, resultados de simulação e experimentais usando a configuração buck-buck, no qual se obteve conversão de até 400 V para 3,3 V. O segundo conceito é baseado na célula ladder de capacitor chaveado. A célula básica é modificada para a conexão em cascata da célula. O trabalho analisa a conexão, e faz validações através de resultados de simulação e experimentais. Esta conexão, tem ganho exponencial de base dois em função do número de células, tendo potencial para estágios intermediários de conversão. Também foi apresentada a conexão mista entre a ladder e a cascata, que combina vantagens das duas conexões. A teoria da conexão cascata foi validada através de simulações e resultados experimentais em um protótipo com conversão de 200 V para 50 V e 100 W. Por fim, foi realizada uma proposta de conversão de 48 V para 1 V, que é bastante comum em aplicações de data centers. Ela foi composta de dois estágios, o primeiro usando a conexão mista de capacitor chaveado, que se mostrou mais eficiente que a cascata e a ladder em uma comparação, que realiza a conversão de 48 V para 3 V, e o segundo que usa um conversor buck síncrono interleaved de três fases, para fazer a conversão de 3 V para 1 V e o controle da tensão de saída. A potência testada foi de 30 W, e o rendimento máximo obtido foi de 87,22%.

Abstract: This thesis investigate topologies for high step-down conversion ratio DC-DC converters for data centers and other applications. Firstly, a bibliographic review of architectures applied in data-centers and FPGAs electrical system and the topologies for the step-down DC-DC stage of these systems. After that, is presented a review of the differential converters, presentating the types, concepts and applications. It is also realized a review of the ladder cell of the switched capacitor converter, showing the static analysis and a design methodology. Finally the buck synchronous interleaved converter, widely used in these applications by sharing the current stresses, was revised. Two concepts are studied to generate the step-down topologies, one of them uses the concept of differential converters, in which the output is the voltage difference between two classic converters. A static analysis is made using different converters, and a design exemple, simulation and experimental results using a buck-buck configuration are presented, which is applied to obtain a 400 V for 3.3 V conversion. The second concept is based on the switched capacitor ladder cell. The basic cell is modified for the cascading connection. The work presents the connection analysis, and validations through simulation experimental results. This connection has an exponential gain, having potential for intermediate conversion stages. The mixed connection between the ladder and the cascade was also presented, which combines the advantages of the two connections. The cascade connection theory was validated through simulations and experimental results in a prototype with a conversion from 200 V to 50 V and 100 W. Finally, a proposal for a conversion from 48 V to 1 V was carried out. It was composed of two stages, the first using the switched capacitor mixed connection, which proved to be more efficient than the cascade and ladder, which realises the conversion from 48 V to 3 V, and the second used a three-phase buck synchronous interleaved converter carried out the 3 V to 1 V conversion and the output voltage control. The maximum output power was 30 W, and the maximum efficiency obtained was 87.22%.