Conversores cc-cc a capacitor variável

Abstract

Um novo princípio de conversão estática, baseado na variação rápida da capacitância, é apresentado. Uma célula de comutação formada por interruptores e capacitores é desenvolvida e integrada aos conversores Buck, Boost e Buck-Boost. A análise estática das topologias é realizada, e os esforços de corrente e tensão sobre os componentes são validados por simulação. Uma topologia isolada, que opera com comutação suave e redução dos esforços de tensão sobre os interruptores, é obtida pela integração entre o conversor Buck e a célula de comutação a capacitor variável. Um equacionamento detalhado para verificar a influência da constante fst nos valores da corrente nos dispositivos semicondutores é desenvolvido. Técnicas de mitigação de perdas, desenvolvidas para conversores a capacitor chaveado, são aplicadas. A análise da comutação é desenvolvida para a versão isolada do conversor tipo Buck a capacitor variável. Os critérios para projeto de comutação com tensão nula nos interruptores do lado de alta tensão são apresentados. A análise teórica e o funcionamento do conversor isolado são validados a partir de um protótipo com potêncianominal. Primeiramente, com 480 W, tensão de alimentação de 400 V e tensão de saída de24 V, com estágio de saída formado por um filtro LC e um retificador de ponte completa,o qual apresentou eficiência máxima de 92,34%. Em seguida, é avaliado para uma potênciade 960 W e tensão de saída de 48 V, operando com um retificador de ponto médio. Nessacondição, a eficiência máxima obtida é de 93,63%. Os resultados obtidos para ambas as estruturas são avaliados e comparados.

Abstract: A new principle of static conversion, based on the abrupt variation of capacitance, is presented. A commutation cell consisting of interrupters and capacitors is developed and integrated into the Buck, Boost and Buck-Boost converters. Static analysis of topologies is performed then the current and voltage stresses on components are validated by simulation. An isolated topology, which operates with soft commutation and reduction of voltage efforts across the interrupters, is obtained by the integration between the Buck converter and the variable capacitor commutation cell. A detailed equation to verify the influence of the constant fst on current values in semiconductor devices is developed. Loss mitigation techniques, developed for switched capacitor converters, are applied. The commutation analysis is developed for the isolated version of the variable capacitor Buck type converter. The criterion for switching design with zero voltage, in the switches on the high voltage side, are presented. The theoretical analysis and the operation of the isolated converter are validated from a prototype. The first one with a nominal power of 480 W, supply voltage of 400 V and output voltage of 24 V, with output stage formed by an LC filter and a full bridge rectifier, which presented maximum efficiency of 92.34%. The second one is evaluated for a power of 960 W and output voltage of 48 V, operating with a midpoint rectifier. In this condition, the maximum efficiency obtained is 93.63%. The results obtained for both structures are evaluated and compared.