Novas topologias de conversores CC-CC isolados ponte completa ZVS-PWM híbridos a capacitor chaveado

Abstract

Este trabalho apresenta uma nova topologia de conversor CC-CC isolado, do tipo ponte completa híbrida a capacitor chaveado (FB-HSC), desenvolvida a partir da integração da célula de comutação Ladder com o conversor ponte completa com comutação suave por tensão nula e modulação por largura de pulso (FB-ZVS-PWM). As principais vantagens desta nova topologia incluem: redução pela metade dos esforços de tensão sobre os interruptores e demais componentes do primário em relação à tensão de barramento, o que possibilita o uso de semicondutores de baixo custo e reduz o nível de interferência eletromagnética (EMI); equalização natural da tensão nos capacitores divisores de tensão, eliminando a necessidade de reguladores de tensão adicionais; comutação suave do tipo ZVS em todos os interruptores em uma ampla faixa de potência de operação; e a utilização de um simples grampeador regenerativo a diodos na entrada, simplificando o circuito de grampeamento da tensão nos diodos de saída. Uma análise completa do conversor é realizada, abrangendo desde as etapas de funcionamento e análise do ganho estático até o levantamento dos esforços de corrente nos semicondutores e a análise detalhada da comutação. Além disso, são abordados a modelagem dinâmica, para caracterizar a resposta do sistema a variações de carga, e o controle digital, focando em estratégias para garantir a estabilidade e o desempenho do conversor em diferentes condições operacionais. A metodologia de projeto é discutida para otimizar a eficiência do conversor. A nova topologia é comparada teoricamente e experimentalmente com o conversor de Três Níveis com ponto neutro grampeado (TL-NPC) clássico. Resultados experimentais obtidos com um protótipo configurável para ambos os conversores, utilizando a mesma placa e componentes, com potência nominal de 2 kW, tensão de entrada de 800 V e tensão de saída de 60 V, operando a uma frequência de chaveamento de 100 kHz, demonstraram uma eficiência máxima de 97,12% para o conversor FB-HSC e 96,49% para o conversor TL-NPC.

Abstract: This work presents a new isolated DC-DC converter topology, a full-bridge switched-capacitor hybrid (FB-HSC) type, developed from the integration of the Ladder switching cell with the full-bridge converter featuring zero-voltage switching and pulse-width modulation (FB-ZVS-PWM). The main advantages of this new topology include: reducing the voltage stress on the switches and other primary components to half the bus voltage, allowing the use of low-cost semiconductors and reducing the level of electromagnetic interference (EMI); natural voltage equalization in the voltage divider capacitors, eliminating the need for additional voltage regulators; ZVS-type soft switching in all switches over a wide range of operating power; and the use of a simple diode-based regenerative clamper at the input, simplifying the clamping circuit for the voltage in the output diodes. A comprehensive analysis of the converter is performed, covering the operating stages, static gain analysis, current stress assessment on semiconductors, and detailed switching analysis. Additionally, dynamic modeling is addressed to characterize the system's response to load and input variations, along with digital control, focusing on strategies to ensure the converter's stability and performance under different operating conditions. The design methodology is discussed to optimize the converter's efficiency. The new topology is theoretically and experimentally compared with the classic Three-Level Neutral-Point Clamped (TL-NPC) converter. Experimental results obtained with a prototype configurable for both converters, using the same board and components, with a nominal power of 2 kW, input voltage of 800 V, and output voltage of 60 V, operating at a switching frequency of 100 kHz, demonstrated a maximum efficiency of 97.12% for the FB-HSC converter and 96.49% for the TL-NPC converter.