Conversores CC-CC e CA-CC isolados da família SEPIC com reduzidos esforços de tensão sobre os semicondutores

Abstract

Esta tese propõe a análise completa para o modo de condução descontínua (MCD) de uma topologia isolada baseada no conversor SEPIC convencional. O conversor proposto é explorado nas versões CC-CC e CA-CC e, em ambos os casos, pode ser abaixadora ou elevadora. Também nas duas conversões as estruturas têm a possibilidade de inserção de módulos (sendo cada módulo composto por um interruptor, um indutor de saída e um diodo), o que proporciona a diminuição dos esforços de tensão sobre os semicondutores, uma vez que a tensão de entrada é dividida pela quantidade de módulos utilizados. Pode-se destacar que a divisão dos esforções de tensão como sendo a principal vantagem da estrutura proposta. Na versão como retificador, a operação em MCD traz como vantagem a característica de ter uma corrente senoidal com elevado fator de potência e baixo conteúdo harmônico da fonte de alimentação sem o emprego de uma malha de controle da corrente de entrada, tendo em vista a característica típica dos retificadores do tipo SEPIC operando no MCD de emular uma resistência elétrica para a fonte, simplificando assim o circuito de controle, sendo necessária apenas a malha de controle da tensão de saída. A estrutura do retificador também apresenta o conceito bridgeless, tendo os interruptores do lado CA, o que oferece um menor número de componentes no caminho da corrente durante um período de comutação, contribuindo assim com o rendimento. Com o objetivo de validar os estudos teóricos das estruturas CC-CC e CA-CC, são apresentados os resultados experimentais para três protótipos construídos, sendo o primeiro protótipo CC-CC composto por dois módulos, o segundo protótipo CC-CC composto por quatro módulos e o terceiro protótipo CA-CC composto por dois módulos. Com base nos resultados obtidos, a estrutura CC-CC se mostrou atrativa para operar como segundo estágio de fontes de alimentação ou então operar em diversas configurações de microrredes CC, enquanto a estrutura CA-CC opera como fonte de alimentação de um único estágio. Os parâmetros utilizados para projetar os conversores CC-CC e CA-CC foram: 400 V e 800 V de tensão de entrada para o primeiro e segundo protótipo CC-CC, respectivamente, e 220 V eficaz para o protótipo CA-CC; 120 V de tensão de saída; 500 W de potência de saída e frequência de comutação de 50 kHz.

Abstract: This doctoral dissertation proposes a complete analysis for the discontinuous conduction mode (DCM) of an isolated dc-dc and ac-dc topologies based on the conventional SEPIC converter. The proposed converters can operate as step-down/step-up modes likewise the conventional SEPIC. Also, the proposed structure can be generalized by inserting modules (each module being composed of a switch, an output inductor, and a diode), which provides a reduction in the voltage stress across the semiconductors, since the input voltage is divided by the number of modules used. It can be highlighted that the reduction of voltage stress across the semiconductors as the main advantage of the proposed structure. In the rectifier version, the DCM operation has the advantage of having a sinusoidal current with a high-power-factor and low harmonic distortion of the power supply without the use of a control loop, considering the typical characteristic of SEPIC-type rectifiers operating in the DCM to emulate an electrical resistance for the source, thus simplifying the control circuit. The structure of the rectifier also features the bridgeless concept, with the switches on the ac-side, which offers a smaller number of components in the current path during a switching period, thus contributing to the reduction of the losses. To validate the theoretical studies of the dc-dc and ac-dc structures, the experimental results for three built prototypes are presented, with the first dc-dc prototype consisting of two modules, the second dc-dc prototype consisting of four modules, and the third ac-dc prototype consisting of two modules. Based on the results obtained, the dc-dc structure proved to be attractive to operate as second-stage power supplies or to operate in several dc micro-grid configurations, while the ac-dc structure operates as a single-stage power supply. The parameters used to design the dc-dc and ac-dc converters were: 400 V and 800 V of input voltage for the first and second dc-dc prototype, respectively, and 220 V RMS for the ac-dc prototype; 120 V of output voltage; 500 W of output power and 50 kHz of switching frequency.