Metodologia para derivação de conversores cc-cc elevadores de alto ganho baseados em conexões diferenciais

Authors

  • Jéssika Melo de Andrade 1 Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharias da Mobilidade, Joinville – SC, Brasil https://orcid.org/0000-0003-2974-5711
  • Marcos Antonio Salvador Instituto Federal de Santa Catarina, Campus Jaraguá do Sul, Rau – SC, Brasil. https://orcid.org/0000-0002-6273-5622
  • Roberto Francisco Coelho Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica, Florianópolis – SC, Brasil https://orcid.org/0000-0002-4672-0885
  • Telles Brunelli Lazzarin Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica, Florianópolis – SC, Brasil.

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2024.1.0003

Keywords:

Células de Ganho, Conexão Diferencial, Conversores cc-cc Elevadores de Alto Ganho, Processamento Parcial de Potência

Abstract

Este artigo apresenta uma metodologia para síntese de topologias de alto ganho a partir da conexão diferencial entre conversores cc-cc básicos. Tais conversores básicos podem ser iguais ou diferentes, mas devem compartilhar referência comum entre entrada e saída e tensões de saída de mesma polaridade. Além da metodologia e da análise de alguns dos conversores sintetizados em modo de condução contínua, o artigo discute sobre processamento parcial de potência, redução de componentes, adição de células de ganho, modelagem e estratégias de controle. A metodologia proposta é verificada por meio de dez protótipos derivados da conexão diferencial entre conversores básicos, considerando tensão de entrada de 20 V, razão cíclica de 0,75 e potência nominal de 100 W. Três novos conversores cc-cc de ultra alto ganho também são sintetizados a partir da inserção de células de ganho nos conversores diferenciais propostos, sendo dois deles avaliados experimentalmente, apresentado rendimentos máximos próximo de 97%.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Jéssika Melo de Andrade, 1 Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharias da Mobilidade, Joinville – SC, Brasil

nasceu em Florianópolis, Brasil, em julho de 1994, se formou em Sistemas Eletrônicos no Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC) em Florianópolis, no ano de 2015. Recebeu o título de Mestre e Doutora em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) em Florianópolis, no ano de 2018 e 2022, respectivamente. Atualmente é professora no Departamento de Engenharias da Mobilidade na UFSC – Joinville e docente permanente no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEEL) da UFSC, além disso, atua como pesquisadora no Instituto de Eletrônica de Potência (INEP). Seus interesses incluem modelagem e controle aplicados a eletrônica de potência, conversores/inversores com células de ganho, energia renovável e áreas afins. A Profª Jéssika é membro SOBRAEP.

Marcos Antonio Salvador, Instituto Federal de Santa Catarina, Campus Jaraguá do Sul, Rau – SC, Brasil.

nasceu em Blumenau, Brasil em 1985. Possui graduação (2012) e mestrado (2014) em engenharia elétrica pela Fundação Universidade Regional de Blumenau (FURB). Concluiu o doutorado (2020) na área de concentração de processamento de energia, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Foi professor celetista na FURB (2014 - 2016), onde lecionou na graduação e atuou em pesquisas. Foi professor na Faculdade de tecnologia SENAI Blumenau de 2014 a 2017. Possui experiência profissional na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Eletrônica. Atualmente é professor do Instituto Federal de Santa Catarina no Campus Jaraguá do Sul - Rau. Suas áreas de interesse incluem modelagem e controle de conversores estáticos, conversores cc-cc de alto ganho, armazenamento de energia, instrumentação eletrônica, eletrônica embarcada e programação aplicada a engenharia.

Roberto Francisco Coelho, Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica, Florianópolis – SC, Brasil

nasceu em Florianópolis, em agosto de 1982. Recebeu o título de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, SC, Brasil, em 2006, 2008 e 2013, respectivamente. Atualmente é professor do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da mesma instituição, onde desenvolve trabalhos relacionados ao processamento de energia proveniente de fontes renováveis e ao controle e estabilidade de microrredes. Prof. Roberto é membro da SOBRAEP e do IEEE.

Telles Brunelli Lazzarin, Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica, Florianópolis – SC, Brasil.

nasceu em Criciúma, Santa Catarina, Brasil, em 1979. Recebeu o grau de Engenheiro Eletricista, Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, Brasil, em 2004, 2006 e 2010, respectivamente. Atualmente é professor no Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da UFSC. A área de concentração do Prof. Telles é em eletrônica de potência, com ênfase em energias renováveis (principalmente eólica de pequeno porte), inversores de tensão e conversores estáticos a capacitor chaveado. Prof. Telles é membro da SOBRAEP e do IEEE

References

G. R. Previero, S. A. O. da Silva, L. P. Sampaio, and D. H. Wollz, “Emulador Eletrônico de um Sistema de Geração Eólica Baseado no GSIP Interligado à Rede Elétrica Trifásica”, Eletrônica de Potência, vol. 28, no. 2, pp. 131–140, May 2023 https://doi.org/10.18618/REP.2023.2.0007 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2023.2.0007

C. Chan, S. H. Chincholkar and W. Jiang, "Adaptive Current-Mode Control of a High Step-Up DC–DC Converter," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 9, pp. 7297-7305, Sept. 2017, https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2628780 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2628780

M. F. Guepfrih, G. Waltrich, and T. B. Lazzarin, “Comparação Entre Três Conversores CC-CC Não-Isolados de Elevado Ganho Estático Derivados do Conversor Boost”, Eletrônica de Potência, vol. 28, no. 3, pp. 216–227, Jul. 2023, https://doi.org/10.18618/REP.2023.3.0006 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2023.3.0006

P. H. C. da S. B. Loureiro and A. M. S. S. Andrade, “Avaliação de Conversores Boost-Flyback Empilhados com Dois e Três Enrolamentos e Multiplicador de Tensão”, Eletrônica de Potência, vol. 28, no. 1, pp. 42–51, Feb. 2023, https://doi.org/10.18618/REP.2023.1.0045 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2023.1.0045

M. Forouzesh, Y. P. Siwakoti, S. A. Gorji, F. Blaabjerg and B. Lehman, "Step-Up DC–DC Converters: A Comprehensive Review of Voltage-Boosting Techniques, Topologies, and Applications," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 12, pp. 9143-9178, Dec. 2017, https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2652318 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2652318

N. C. D. Pont, M. D. Vecchia, and T. B. Lazzarin, “Célula Ladder de Capacitor Chaveado em Conexão Cascata”, Eletrônica de Potência, vol. 26, no. 4, pp. 409–419, Dec. 2021, https://doi.org/10.18618/REP.2021.4.0029 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2021.4.0029

B. Axelrod, Y. Berkovich and A. Ioinovici, "Switched-Capacitor/Switched-Inductor Structures for Getting Transformerless Hybrid DC–DC PWM Converters," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 55, no. 2, pp. 687-696, March 2008, https://doi.org/10.1109/TCSI.2008.916403 DOI: https://doi.org/10.1109/TCSI.2008.916403

H. Liu and F. Li, "A Novel High Step-up Converter With a Quasi-active Switched-Inductor Structure for Renewable Energy Systems," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 7, pp. 5030-5039, July 2016, https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2480115 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2480115

P. H. C. da S. B. Loureiro, T. M. K. Faistel, A. Toebe, P. C. V. Luz, and A. M. S. S. Andrade, “Conversor Boost com Células a Capacitor Chaveado e Indutor Acoplado”, Eletrônica de Potência, vol. 26, no. 3, pp. 279–289, Sep. 2021, https://doi.org/10.18618/REP.2021.3.0005 DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2021.3.0005

M. M. Haji-Esmaeili, M. Naseri, H. Khoun-Jahan and M. Abapour, "Fault-Tolerant and Reliable Structure for a Cascaded Quasi-Z-Source DC–DC Converter," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 8, pp. 6455-6467, Aug. 2017, https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2621411 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2621411

M. A. Salvador, T. B. Lazzarin and R. F. Coelho, "High Step-Up DC–DC Converter With Active Switched-Inductor and Passive Switched-Capacitor Networks," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 7, pp. 5644-5654, July 2018, https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2782239 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2782239

J. M. de Andrade, R. F. Coelho and T. B. Lazzarin. Partial Power Processing and Efficiency Analysis of dc-dc Differential Converters. Energies 2022, 15, 1159. https://doi.org/10.3390/en15031159 DOI: https://doi.org/10.3390/en15031159

J. M. de Andrade, M. A. Salvador, R. F. Coelho and T. B. Lazzarin, "General Method for Synthesizing High Gain Step-Up DC–DC Converters Based on Differential Connections," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 12, pp. 13239-13254, Dec. 2020, https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.2996501 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.2996501

S. Xu, R. Shao, L. Chang and M. Mao, "Single-Phase Differential Buck–Boost Inverter With Pulse Energy Modulation and Power Decoupling Control," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 6, no. 4, pp. 2060-2072, Dec. 2018, https://doi.org/10.1109/JESTPE.2018.2832213 DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2018.2832213

K. Jyotheeswara Reddy and N. Sudhakar, "High Voltage Gain Interleaved Boost Converter With Neural Network Based MPPT Controller for Fuel Cell Based Electric Vehicle Applications," in IEEE Access, vol. 6, pp. 3899-3908, 2018, https://doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2785832 DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2785832

S. Choi, V. G. Agelidis, J. Yang, D. Coutellier and P. Marabeas, "Analysis, design and experimental results of a floating-output interleaved-input boost-derived DC-DC high-gain transformer-less converter," in IET Power Electronics, vol. 4, no. 1, pp. 168-180, January 2011, https://doi.org/10.1049/iet-pel.2009.0339 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2009.0339

J. R. R. Zientarski, M. L. d. S. Martins, J. R. Pinheiro and H. L. Hey, "Series-Connected Partial-Power Converters Applied to PV Systems: A Design Approach Based on Step-Up/Down Voltage Regulation Range," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 9, pp. 7622-7633, Sept. 2018, https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2765928 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2765928

F. S. Garcia, J. A. Pomilio and G. Spiazzi, "Modeling and Control Design of the Interleaved Double Dual Boost Converter," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 8, pp. 3283-3290, Aug. 2013, https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2203770 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2203770

D. Coutellier, V. G. Agelidis and S. Choi, "Experimental verification of floating-output interleaved-input DC-DC high-gain transformer-less converter topologies," 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference, Rhodes, 2008, pp. 562-568, https://doi.org/10.1109/PESC.2008.4591989 DOI: https://doi.org/10.1109/PESC.2008.4591989

L. Yang, T. Liang and J. Chen, "Transformerless DC–DC Converters With High Step-Up Voltage Gain," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 8, pp. 3144-3152, Aug. 2009, https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2022512 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2022512

Y. Tang, T. Wang and Y. He, "A Switched-Capacitor-Based Active-Network Converter With High Voltage Gain," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 6, pp. 2959-2968, June 2014, https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2272639 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2272639

Y. Tang, T. Wang and D. Fu, "Multicell Switched-Inductor/Switched-Capacitor Combined Active-Network Converters," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 4, pp. 2063-2072, April 2015, https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2325052 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2325052

M. Maalandish, S. H. Hosseini, S. Ghasemzadeh, E. Babaei and T. Jalilzadeh, "A Novel Multiphase High Step-Up DC/DC Boost Converter With Lower Losses on Semiconductors," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 7, no. 1, pp. 541-554, March 2019, https://doi.org/10.1109/JESTPE.2018.2830510 DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2018.2830510

M. Maalandish, S. H. Hosseini and T. Jalilzadeh, "High step-up dc/dc converter using switch-capacitor techniques and lower losses for renewable energy applications," in IET Power Electronics, vol. 11, no. 10, pp. 1718-1729, 28 8 2018, https://doi.org/10.1049/iet-pel.2017.0752 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2017.0752

Z. Saadatizadeh, P. C. Heris, E. Babaei and M. Sabahi, "A New Nonisolated Single-Input Three-Output High Voltage Gain Converter With Low Voltage Stresses on Switches and Diodes," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 6, pp. 4308-4318, June 2019, https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2864710 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2864710

C. G. Zogogianni, E. C. Tatakis and V. Porobic, "Investigation of a Non-isolated Reduced Redundant Power Processing DC/DC Converter for High-Power High Step-Up Applications," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 6, pp. 5229-5242, June 2019, https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2868165 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2868165

H. Shen, B. Zhang and D. Qiu, "Hybrid Z-Source Boost DC–DC Converters," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 1, pp. 310-319, Jan. 2017, https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2607688 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2607688

J. M. de Andrade, R. F. Coelho, T. B. Lazzarin, "High step‐up dc–dc converter based on modified active switched‐inductor and switched‐capacitor cells," in IET Power Electronics, vol. 13, no. 14, pp. 3127-3137, Nov. 2020, https://doi.org/10.1049/iet-pel.2020.0064 DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2020.0064

J. M. de Andrade, R. F. Coelho, T. B. Lazzarin. High step-up dc-dc converter based on the differential connection of basic converters and switched-capacitor cells. Int J Circ Theor Appl. 2021; 49: 2555–2577, https://doi.org/10.1002/cta.3003 DOI: https://doi.org/10.1002/cta.3003

J. M. de Andrade, R. Francisco Coelho and T. B. Lazzarin, "New High Step-up dc-dc Converter with Quasi-Z-Source Network and Switched-Capacitor Cell," 2020 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), New Orleans, LA, USA, 2020, pp. 2062-2066, https://doi.org/10.1109/APEC39645.2020.9124305 DOI: https://doi.org/10.1109/APEC39645.2020.9124305

Published

2024-04-22

How to Cite

[1]
J. M. de Andrade, M. A. Salvador, R. F. Coelho, and T. B. Lazzarin, “Metodologia para derivação de conversores cc-cc elevadores de alto ganho baseados em conexões diferenciais”, Eletrônica de Potência, vol. 29, p. e202409, Apr. 2024.

Issue

Section

Original Papers