Conversor CC-CC de elevado ganho autogrampeado baseado na configuração boost empregando indutor acoplado

Bibliographic Details
Main Author: Hass, Eduardo Silva
Publication Date: 2017
Format: Master thesis
Language: por
Source: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
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Summary: This work presents a new topology of a DC-DC converter based on a boost configuration employing coupled inductor. The main features of the proposed circuit are high voltage gain, high efficiency and the absence of a clamping circuit to limit the voltage peaks in the semiconductor devices. The converter is also constituted of two stacked capacitors in the output. Therefore, besides the duty cycle and the turn ratio, the total gain is obtained by the sum of the voltage of the two capacitors, characterizing the high voltage gain. In regard to the efficiency, considered high in this work, this is due to the fact that, although the converter operates with pulsating current at its input source, it can be designed for intermediate duty cycle and presents switching similar to zero voltage switching. In addition to the high step-up and high efficiency, the system presents natural characteristics of active voltage clamping on the semiconductor devices, characterizing it as a self-clamped converter. As for the mathematical model, the steady state and dynamic analysis are also presented. Beyond the developed project methodology, the converter is implemented in closed-loop. Three control techniques are designed and applied in closed-loop. First, the traditional linear proportional-integral control (PI) and two other nonlinear techniques, the sliding mode control and the piecewise affine system control. Accordingly, a comparative analysis of the converter working with the three techniques is presented. One of the main applications of the proposed converter is for electrical energy processing systems that need to be integrated into AC grids, such as energy from photovoltaic systems. Finally, simulation results are presented for the converter operating with an input voltage of 48 V, output voltage of 400 V, switching frequency of 100 kHz and output power of 300 W.
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In regard to the efficiency, considered high in this work, this is due to the fact that, although the converter operates with pulsating current at its input source, it can be designed for intermediate duty cycle and presents switching similar to zero voltage switching. In addition to the high step-up and high efficiency, the system presents natural characteristics of active voltage clamping on the semiconductor devices, characterizing it as a self-clamped converter. As for the mathematical model, the steady state and dynamic analysis are also presented. Beyond the developed project methodology, the converter is implemented in closed-loop. Three control techniques are designed and applied in closed-loop. First, the traditional linear proportional-integral control (PI) and two other nonlinear techniques, the sliding mode control and the piecewise affine system control. Accordingly, a comparative analysis of the converter working with the three techniques is presented. One of the main applications of the proposed converter is for electrical energy processing systems that need to be integrated into AC grids, such as energy from photovoltaic systems. Finally, simulation results are presented for the converter operating with an input voltage of 48 V, output voltage of 400 V, switching frequency of 100 kHz and output power of 300 W.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Este trabalho apresenta uma nova topologia de um conversor CC-CC baseada na configuração boost empregando indutor dividido. As principais características do circuito proposto são o elevado ganho de tensão, o elevado rendimento e a ausência de um circuito grampeador para limitar os picos de tensão sobre os dispositivos semicondutores. O conversor também é constituído por dois capacitores empilhados (“stacked”) em sua saída. Desta forma, além da razão cíclica e da relação de transformação do indutor, o ganho total é obtido através da soma das tensões destes dois capacitores, caracterizando o elevado ganho do sistema. Quanto ao rendimento, considerado neste trabalho como sendo elevado, isso se dá pelo fato de que, embora o conversor opere com corrente pulsante em sua fonte de entrada, ele pode ser projetado com razão cíclica intermediária e apresenta comutação do interruptor controlado próxima a uma comutação sob tensão nula. Além do elevado ganho e elevado rendimento, o sistema também apresenta características naturais de grampeamento ativo da tensão sobre os dispositivos semicondutores, caracterizando-o como um conversor autogrampeado. Quanto ao modelo matemático, tanto a análise estática como a dinâmica são apresentadas. Portanto, além da metodologia de projeto desenvolvida, neste trabalho o conversor é implementado em malha fechada. Três técnicas de controle são projetadas e aplicadas. Primeiro o tradicional controle linear proporcional integral (PI) e depois outras duas técnicas de controle não lineares, o controle por modo deslizantes e o controle conhecido como Piecewise Affine System. Assim, uma análise comparativa com o conversor operando com as três técnicas é apresentada. Uma das principais aplicações do conversor proposto é para o processamento de energia elétrica de sistemas que necessitam ser integrados às redes de energia em corrente alternada (CA), tais como a energia proveniente de sistemas fotovoltaicos. Para finalizar, resultados de simulação são apresentados com o circuito operando com tensão de entrada de 30 V e 48 V, tensão de saída de 400 V, frequência de comutação de 100 kHz e potência de saída de 300 W.Universidade Tecnológica Federal do ParanáPonta GrossaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUTFPRNascimento, Claudinor Bitencourthttp://lattes.cnpq.br/1112255828947803Corrêa, Fernanda Cristinahttp://lattes.cnpq.br/1495216809511536Sá Junior, Edilson Mineiro deAgostini Junior, EloiKaster, Maurício dos SantosNascimento, Claudinor BitencourtHass, Eduardo Silva2018-05-25T16:21:18Z2018-05-25T16:21:18Z2017-12-18info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfHASS, Eduardo Silva. Conversor CC-CC de elevado ganho autogrampeado baseado na configuração boost empregando indutor acoplado. 2017. 132 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Ponta Grossa, 2017.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3200porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2018-05-25T16:21:18Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/3200Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.bropendoar:2018-05-25T16:21:18Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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