Família de conversores c.c./c.c. de alto ganho com chave única

Authors

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2024.1.0001

Keywords:

Chaves semicondutoras de potência, Conversores CC-CC de potência

Abstract

Neste trabalho é apresentada uma família de conversores C.C./C.C. de alto ganho com chave única semicondutora. A variação dos conversores propostos é obtida ao alterar o posicionamento dos capacitores e o alto ganho é atingido através do acoplamento magnético. As perdas por condução são minimizadas devido à blackução dos esforços de tensão na chave pelos circuitos grampeadores. Ainda, todos os diodos operam com comutação sob zero de corrente, eliminando as perdas por recuperação reversa. O artigo apresenta a descrição dos conversores propostos, suas principais equações, formas de onda em modo de condução contínua e uma análise comparativa com conversores similares publicados na literatura. Além disso, os resultados experimentais obtidos de um protótipo projetado para operar com potência nominal de 140 W, frequência de comutação de 100 kHz, tensão de entrada de 14,8 V e tensão de saída de 220 V validam os conversores propostas. A eficiência a carga plena é de 91,84 % e a eficiência máxima 93,77 % foi atingida com 51,27 W.

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Author Biographies

Aline V. C. Pereira, Universidade Federal de Pernambuco

recebeu o grau de Engenheira Eletricista (2014), Mestre (2017) pela Universidade de Pernambuco (UPE) e Doutor em 2021 pela Universidade Federal de Pernambuco. Atualmente atua como professora no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Pernambuco. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em eletrônica de potência. É membro da Associação Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP).

Marcelo C. Cavalcanti, Universidade Federal de Pernambuco

recebeu o grau de Engenheiro Eletricista em 1997 pela Universidade Federal de Pernambuco e os graus de Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Campina Grande em 1999 e 2003, respectivamente. De outubro de 2001 a agosto de 2002, fez Doutorado-sanduíche no Center for Power Electronics Systems, Virginia Tech, USA. Desde 2005, atua como professor no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Pernambuco. Recebeu The Best Paper Award em duas conferências organizadas pelo IEEE: International Conference on Power Electronics and Intelligent Control for Energy Conservation, 2005, e International Symposium on Industrial Electronics, 2011. De setembro de 2012 a agosto de 2013, fez Pós-Doutorado na Universidad de Alcalá, Espanha. Foi membro da Câmara de Desenvolvimento Científico e Tecnológico da FACEPE (Engenharias) de 2013 a 2017. Foi Vice-Presidente da Associação Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP) e Editor da Revista Eletrônica de Potência durante o biênio 2016-2017. Foi Presidente da SOBRAEP durante o biênio 2018-2019. Foi Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFPE (conceito 5 CAPES) durante o quadriênio 2016-2019. Foi membro do Comitê Assessor de Engenharia Elétrica, Eletrônica e Biomédica do CNPq de outubro de 2018 a junho de 2021. Sua área de pesquisa é aplicações de eletrônica de potência em sistemas fotovoltaicos e qualidade da energia elétrica.

Gustavo M. S. Azevedo, Universidade Federal de Pernambuco

recebeu os graus de Engenheiro Eletricista, e de Mestre e Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) em 2005, 2007 e 2011, respectivamente. Trabalhou como pesquisador visitante na Universidade Politécnica da Catalunha, Espanha, de 2008 a 2009 como parte do programa de doutorado sanduíche. Desde janeiro de 2014, atua como Professor Adjunto no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Pernambuco. Tem atuado na área de eletrônica de potência, principalmente nos seguintes temas: microrblackes, geração distribuída, energias renováveis, sistemas fotovoltaicos e qualidade de energia.

Fabricio Bradaschia, Universidade Federal de Pernambuco

nascido em 1983, em São Paulo, SP, Brasil, é engenheiro eletricista (2006), mestre (2008) e doutor (2012) em engenharia elétrica pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), PE, Brasil. De 2008 até 2009, atuou como professor visitante na Universidade de Alcalá (UAH), Madrid, Espanha. Desde 2013, faz parte do Departamento de Engenharia Elétrica da UFPE. Suas áreas de interesse incluem sistemas FV, qualidade de energia, conversores estáticos e métodos de sincronização com a blacke elétrica.

Carolina Albuquerque Caldeira, Universidade Federal de Pernambuco

recebeu os graus de técnico em Eletrônica (2012) pelo Instituto Federal da Paraíba (IFPB) e de Engenheira Eletricista (2018) e Mestre (2020) pela Universidade de Federal da Paraíba (UFPB). Tem experiência na área de eletrônica de potência, com ênfase em armazenamento de energia e mobilidade elétrica.

Eduardo Augusto Oliveira Barbosa, Universidade Federal de Pernambuco

recebeu os graus de Engenheiro Eletricista (2017) e Mestre (2020) pela Universidade de Federal de Pernambuco (UFPE). Tem experiência na área de eletrônica de potência, com ênfase em energias renováveis e microinversores.

References

H.-W. Seong, H.-S. Kim, K.-B. Park, G.-W. Moon, M.-J. Youn, “High Step-Up DC-DC Converters Using Zero-Voltage Switching Boost Integration Technique and Light-Load Frequency Modulation Control”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 3, pp. 1383–1400, 2012, doi: http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2011.2162966. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2162966

S. Sathyan, H. M. Suryawanshi, B. Singh, C. Chakraborty, V. Verma, M. S. Ballal, “ZVS–ZCS High Voltage Gain Integrated Boost Converter for DC Microgrid”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 11, pp. 6898–6908, 2016, doi: http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2016.2582460. DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2582460

R. G. d. A. Cacau, T. B. Lazzarin, M. C. T. Villanueva, I. Barbi, “Study of High Step-Up Gain DC-DC Converters Based on Stacking of Non-Isolated Topologies”, Eletrônica de Potência, vol. 23, no. 4, pp. 505–515, 2018, doi:http://dx.doi.org/10.18618/REP.2018.4.0029. DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2018.4.0029

M. D. Vecchia, J. M. d. Andrade, N. C. D. Pont, A. L. Kirsten, T. B. Lazzarin, “Proposal, Analysis and Experimental Verification of Nonisolated DC-DC Converters Conceived from an Active Switched-Capacitor Commutation Cell”, Eletrônica de Potência, vol. 24, no. 4, pp. 403–412, 2019, doi:http://dx.doi.org/10.18618/REP.2019.4.0031. DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2019.4.0031

B. Andres, L. Romitti, A. M. S. S. Andrade, L. Roggia, L. Schuch, “A High Step-Up Isolated DC-DC Converter Based on Cascaded Greinacher Voltage Multiplier”, Revista Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência, vol. 28, no. 1, pp. 52–62, 2023, doi:http://dx.doi.org/10.18618/REP.2023.1.0038. DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2023.1.0038

E. S. Hass, C. B. Nascimento, “A Simple Self-Clamped High Step-Up DC-DC Converter Employing Coupled Inductor”, Revista Sociedade Brasileira de Eletrônica de Potência, vol. 24, no. 2, pp. 204–213, 2019, doi:http://dx.doi.org/10.18618/REP.2019.2.0009. DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2019.2.0009

B. G. d. Assis, E. P. C. Braga, C. B. Nascimento, E. A. Junior,“High-Voltage-Gain Integrated Boost-SEPIC DC-DC Converter for Renewable Energy Applications”, Eletrônica de Potência, vol. 24, no. 3, pp. 336–344, 2019, doi:http://dx.doi.org/10.18618/REP.2019.3.0025. DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2019.3.0025

Y. Pontes, C. E. d. A. Silva, E. M. S. J ́unior, “High-Voltage Gain DC-DC Converter for Photovoltaic Applications in DC Nanogrids”, Eletrônica de Potência, vol. 25, no. 4, pp. 473–480, 2020, doi:http://dx.doi.org/10.18618/REP.2020.4.0021. DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2020.4.0021

A. Amir, A. Amir, H. S. Che, A. Elkhateb, N. A. Rahim,“Comparative analysis of high voltage gain DC-DC converter topologies for photovoltaic systems”, Renewable Energy, 2018, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2018.09.089. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.09.089

M. Forouzesh, Y. Shen, K. Yari, Y. P. Siwakoti, F. Blaabjerg, “High-Efficiency High Step-Up DC–DC Converter With Dual Coupled Inductors for Grid-Connected Photovoltaic Systems”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 7, pp. 5967–5982, July 2018, doi: http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2017.2746750. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2746750

H. Liu, H. Hu, H. Wu, Y. Xing, I. Batarseh, “Overview of High-Step-Up Coupled-Inductor Boost Converters”, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 4, no. 2, pp. 689–704, 2016, doi: http://dx.doi.org/10.1109/JESTPE.2016.2532930. DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2016.2532930

W. Li, X. He, “Review of Nonisolated High-Step-Up DC/DC Converters in Photovoltaic Grid-Connected Applications”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 4, pp. 1239–1250, April 2011, doi: http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2010.2049715. DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2049715

V. B. Savakhande, C. L. Bhattar, P. L. Bhattar, “Voltage-lift DC-DC converters for photovoltaic application-a review”, in 2017 International Conference on Data Management, Analytics and Innovation (ICDMAI), pp. 172–176, Feb 2017, doi: http://dx.doi.org/10.1109/ICDMAI.2017.8073505. DOI: https://doi.org/10.1109/ICDMAI.2017.8073505

A. N. de Paula, D. de Castro Pereira, W. J. de Paula, F. L. Tofoli, “Na extensive review of nonisolated DC-DC boost-based converters”, in 2014 11th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications, pp. 1–8, Dec 2014, doi: http://dx.doi.org/10.1109/INDUSCON.2014.7059394. DOI: https://doi.org/10.1109/INDUSCON.2014.7059394

F. L. Tofoli, D. d. C. Pereira, W. J. de Paula, D. d. S. Oliveira Junior, “Survey on non-isolated high-voltage step-up dc–dc topologies based on the boost converter”, IET Power Electronics, vol. 8, no. 10, pp. 2044–2057, 2015, doi: http://dx.doi.org/10.1049/iet-pel.2014.0605. DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2014.0605

Q. Zhao, F. Tao, Y. Hu, F. C. Lee, “Active-clamp DC/DC converters using magnetic switches”, in APEC 2001. Sixteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (Cat. No.01CH37181), vol. 2, pp. 946–952 vol.2, 2001.

Q. Zhao, F. C. Lee, “High-efficiency, high step-up DC-DC converters”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 18, no. 1, pp. 65–73, 2003. https://doi.org/10.1109/TPEL.2002.807188 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2002.807188

K. C. Tseng, T. J. Liang, “Novel high-efficiency step-up converter”, IEE Proceedings - Electric Power Applications, vol. 151, no. 2, pp. 182–190, March 2004, doi: http://dx.doi.org/10.1049/ip-epa:20040022. DOI: https://doi.org/10.1049/ip-epa:20040022

D. Van de Sype, K. De Gusseme, W. Ryckaert, A. Van de Bossche, J. Melkebeek, “A single switch buck-boost converter with a high conversion ratio”, in 2005 European Conference on Power Electronics and Applications, pp. 10 pp.–P.10, 2005, doi: http://dx.doi.org/10.1109/EPE.2005.219508. DOI: https://doi.org/10.1109/EPE.2005.219508

H. Hatsuyado, N. Hoshi, “A high boost ratio DC-DC converter for low voltage fuel cell”, in 2014 International Conference on Renewable Energy Research and Application (ICRERA), pp. 674–679, 2014. https://doi.org/10.1109/ICRERA.2014.7016471 DOI: https://doi.org/10.1109/ICRERA.2014.7016471

A. Kianpour, G. Shahgholian, “A floating-output interleaved boost DC–DC converter with high step-up gain”, Automatika, vol. 58, pp. 18–26, 01 2017, doi: http://dx.doi.org/10.1080/00051144.2017.1305605. DOI: https://doi.org/10.1080/00051144.2017.1305605

V. Cardoso, T. B. Lazzarin, G. Waltrich, “Conversor duplo-boost-flyback de alto ganho”, Eletrônica De Potˆencia, vol. 23, no. 3, pp. 382–391, 2018, doi: http://dx.doi.org/10.18618/REP.2018.3.2794. DOI: https://doi.org/10.18618/REP.2018.3.2794

W. Hassan, D. Lu, W. Xiao, “Optimal Analysis and Design of DC-DC Converter to Achieve High Voltage Conversion Gain and High Efficiency for Renewable Energy Systems”, in 2018 IEEE 27th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), pp. 439–444, June 2018, doi: http://dx.doi.org/10.1109/ISIE.2018.8433857. DOI: https://doi.org/10.1109/ISIE.2018.8433857

K. Yari, M. Forouzesh, A. Baghramian, “A novel high voltage gain DC-DC converter with reduced components voltage stress”, in The 6th Power Electronics, Drive Systems Technologies Conference (PEDSTC2015), pp. 173–177, Feb 2015, doi:http://dx.doi.org/10.1109/PEDSTC.2015.7093269. DOI: https://doi.org/10.1109/PEDSTC.2015.7093269

X. Hu, J. Wang, L. Li, Y. Li, “A Three-Winding Coupled-Inductor DC–DC Converter Topology With High Voltage Gain and Reduced Switch Stress”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 2, pp. 1453–1462, Feb 2018, doi: http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2017.2689806. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2689806

S.-J. Chen, S.-P. Yang, C.-M. Huang, Y.-H. Chen, “Interleaved High Step-Up DC–DC Converter with Voltage-Lift and Voltage-Stack Techniques for Photovoltaic Systems”, Energies, vol. 13, no. 10, 2020, doi: http://dx.doi.org/10.3390/en13102537. DOI: https://doi.org/10.3390/en13102537

F. Pereira, A. Martins, A. Carvalho, “Design of a DC-DC converter with high voltage gain for photovoltaic-based microgeneration”, in IECON 2014 - 40th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, pp. 1404–1409, Oct 2014, doi: http://dx.doi.org/10.1109/IECON.2014.7048685. DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.2014.7048685

K. Tseng, J. Chen, J. Lin, C. Huang, T. Yen, “High Step-Up Interleaved Forward-Flyback Boost Converter With Three-Winding Coupled Inductors”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 9, pp. 4696–4703, Sep. 2015, doi: http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2014.2364292. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2364292

M. E. Azizkandi, F. Sedaghati, H. Shayeghi, F. Blaabjerg, “A High Voltage Gain DC–DC Converter Based on Three Winding Coupled Inductor and Voltage Multiplier Cell”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 5, pp. 4558–4567, 2020, doi: http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2019.2944518. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2019.2944518

A. Farzin, M. Etemadi, A. Baghramian, “A New High-Step-Up DC-DC Converter using Three-Windings Transformer and Soft-Switching for use in Photovoltaic Systems”, in 2019 10th International Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC), pp. 207–212, 2019, doi: http://dx.doi.org/10.1109/PEDSTC.2019.8697846. DOI: https://doi.org/10.1109/PEDSTC.2019.8697846

A. Samadian, S. H. Hosseini, M. Sabahi, “A New Three-Winding Coupled Inductor Nonisolated Quasi-Z-Source High Step-Up DC–DC Converter”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 10, pp. 11523–11531, 2021, doi: http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2021.3071847. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2021.3071847

K. Tseng, J. Lin, C. Huang, “High Step-Up Converter With Three-Winding Coupled Inductor for Fuel Cell Energy Source Applications”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 2, pp. 574–581, Feb 2015, doi: http://dx.doi.org/10.1109/TPEL.2014.2309793. DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2309793

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2024-05-06

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[1]
A. V. C. Pereira, M. C. Cavalcanti, G. M. S. Azevedo, F. Bradaschia, C. A. Caldeira, and E. A. O. Barbosa, “Família de conversores c.c./c.c. de alto ganho com chave única”, Eletrônica de Potência, vol. 29, p. e202410, May 2024.

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Vol. 29 (2024)

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Copyright (c) 2024 Aline V. C. Pereira, Marcelo C. Cavalcanti, Gustavo M. S. Azevedo, Fabricio Bradaschia, Carolina Albuquerque Caldeira, Eduardo Augusto Oliveira Barbosa

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