Unidirectional converters with switched-capacitors and multistate switching cells

Abstract

Abstract: This work proposes new rectifier topologies with high voltage gain, low input harmonic content and reduced voltage and current stress in the semiconductor devices. The structures proposed in this work integrate switched-capacitor cells and multistate switching cells to achieve higher voltage gains and higher output power. Switched-capacitor cells use switches to associate capacitors in series and parallel in different stages, providing high voltage gain, modularity, divided voltage across the capacitors and switches and self-balanced capacitor voltages. Multistate switching cells use intercell transformers to divide the total input current between the converter legs, thus reducing the current stress across the switches. They also have a multilevel input characteristic, which reduces the input current harmonic content and the size of input filters. The use of these techniques can increase the power levels without affecting the control complexity of the system. They also allow the use of devices with lower costs by dividing the voltage and current in the components and providing a multilevel voltage characteristic in the input. This work presents a dc-dc converter to introduce the concept and then expands it into single-phase and three-phase converters that integrate multistate switching cells with switched-capacitor cells. The steady-state and dynamic analysis of the three topologies are performed and supported by simulation results and experimental results performed on converters that use the integration of three-state switching cells and symmetrical ladder switched-capacitor cells. The converters were experimentally validated with modular prototypes. The dc-dc module was build in a way that made it possible to add more modules to test the ac-dc single-phase and the three-phase prototype. In the dc-dc converter it was possible to convert 100 V to 1200 V with a 1 kW output power. It was possible to test the ac-dc topology by adding a diode bridge in the module input and electrolytic capacitors in its output. The single-phase rectifier converted a 127 V input to a 1200 V output with a 1.3 kW output power. By replacing the boost diodes in the modules by MOSFETs and associating the modules in parallel, it was possible to test the three-phase rectifier with a 220 V input voltage, 1200 V output and 4 kW. All prototypes achieved a 1200 V output with reduced voltage stress on the devices and shared currents in the intercell transformer windings. The dc-dc and the three-phase converters achieved efficiency levels in the range of 97%, whereas the single-phase efficiency was lower than 96% due to the power losses on the diode bridge. In the dc-dc and three-phase converter, most of the losses were MOSFET switching losses. The proposed concept was validated by the experiments, but the experiments also show in which aspects the proposed concept can be improved in future works. The proposed concept can be suitable for high-voltage gain applications, such as renewable energy systems due to its gain profile and shared voltage and current in the devices

Este trabalho propõe novas topologias de retificadores com elevado ganho em tensão, corrente de entrada com baixo conteúdo harmônico e esforços de tensão e corrente reduzidos nos dispositivos semicondutores. As estruturas propostas neste trabalho integram células de capacitor chaveado e células de comutação multiestados com o fim de obter maiores ganhos de tensão e capacidade de potência. Células de capacitor chaveado usam interruptores para associar capacitores em série e em paralelo em diferentes estágios, assim fornecendo elevado ganho em tensão, modularidade, divisão da tensão nos capacitores e interruptores e, por fim, capacitores com tensões naturalmente equilibradas. Células de comutação multiestados usam um transformador de interfase para dividir a corrente total de entrada entre os braços do conversor, assim reduzindo os esforços de corrente nos interruptores. Também apresentam uma característica de entrada multinível, que reduz o conteúdo harmônico da corrente de entrada e o tamanho dos filtros. Este trabalho propõe topologias geradas a partir desses princípios e realiza a análise de um conversor CC-CC, um retificador monofásico e um trifásico propostos baseados no conceito introduzido. As análises estática e dinâmica das três topologias são realizadas e resultados de simulação e experimentais são usados para validar o estudo teórico. Os conversores foram validados experimentalmente com protótipos modulares. O módulo CC-CC foi construído de forma que possibilitou a adição de mósulos para realizar os testes como conversor CA-CC monofásico e trifásico. No conversor CC-CC foi possível converter uma entrada de 100 V em 1200 V processando 1 kW. Foi prossível testar o retificador monofásico ao adicionar uma ponte de diodos na entrada do módulo e capacitores eletrolíticos na saída. O retificador monofásico foi projetado para uma entrada de 127 V e uma saída de 1200 V, processando 1.3 kW. Ao trocar os diodos do boost por interruptores ativos e associando os módulos em paralelo, foi possível testar o retificador trifásico com uma entrada de 220 V, saída de 1200 V e 4 kW. Todos os protótipos atingiram o valor de 1200 V de tensão de saída com esforços de tensão reduzidos nos dispositivos e correntes divididas nos enrolamentos do transformador intercélulas. Os conversores CC-CC e o trifásico atingiram rendimentos na faixa de 97%, enquanto o rendimento do monofásico foi abaixo de 96% devido às perdas na ponte de diodos. Nos conversores CC-CC e trifásico a maior parte das perdas é na comutação dos MOSFETs. O conceito proposto foi validado nos experimentos, mas esses experimentos também serviram para mostrar pontos de aprimoramento para trabalhos futuros. O conceito proposto demonstra possibilidade de uso em aplicações renováveis devido à sua característica de ganho com possibilidade de compartilhamento de tensão e corrente nos dispositivos.