Proposta, análise e implementação de técnicas de comutação sob tensão nula aplicadas a fontes cc-cc isoladas para telecomunicações
| Ano de defesa: | 2003 |
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| Autor(a) principal: | |
| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Santa Maria
Brasil Engenharia Elétrica UFSM Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Centro de Tecnologia |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
|
| Departamento: |
Não Informado pela instituição
|
| País: |
Não Informado pela instituição
|
| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.ufsm.br/handle/1/26990 |
Resumo: | Dc-dc isolated converters with Zero-Voltage-Switching are proposed and studied in this thesis. Special attention is focused on converters with series switches connections, which allow the use of switches designed for half of dc bus voltage. A new modulation entitled as interleaved-Phase-Shift-Modulation is proposed, which is applied to two half-bridges converter connected in series. The main characteristics of the proposed modulation in relation to the pulse-width-Modulation are the input capacitors voltage equalization and the switches currents symmetrical sharing. This way, low frequency voltage oscillations are eliminated, making possible the implementation of faster control law, and better switches utilization can be obtained, producing higher efficiency. It is proposed an optimization process to design auxiliary circuits of low cost which perform Zero-Voltage-Switching in entire load range. The utilized circuit is composed of inductors connected in series and in parallel with the transformer(s). The optimization method is applied to half-bridge converters connected in series with soft commutation in entire load range with different modulations, and to the fullbridge isolated converter. By the use of the optimization process, it is obtained the set of series and parallel inductances values, which maximize the converters efficiency. Theoretical and experimental results obtained from the converters with output of 60V/25A demonstrate that converters with optimized designs can present efficiency even 2% higher than converters with non-optimized designs. Moreover, it is demonstrated that by utilizing an optimization process, converters with soft commutation in entire load range can present efficiency higher than converter with soft commutation in only a load range, despite the inclusion of auxiliary shunt inductors. An alternative for the use of phase-shift-modulation in half-bridge converter connected in series is presented. The proposed converter utilizes a three-level boost rectifier, which performs the input current power factor correction and maintains the dc bus voltage equally shared. The series converter, with phase-shift modulation is connected on the rectifier output. The main advantages of the phase-shift modulation utilization in relation to the pulsewidth- modulation are the symmetrical current share through the switches and the smaller current peaks on auxiliary circuits, resulting in smaller reactive energy in the converter and higher efficiency. A comparative study among the full-bridge converter and converters with series arrangement of half-bridges with different modulations is performed, considering the efficiency and the cost of the converters as parameters. As a result it can be observed the best performance and smaller cost of the full-bridge converter for 400V applications, while for 800V applications, the series converters present higher efficiency and smaller cost, considering the actual technology. |
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Proposta, análise e implementação de técnicas de comutação sob tensão nula aplicadas a fontes cc-cc isoladas para telecomunicaçõesComutação sob tensão nulaConversor multinívelIntercalação da modulação por deslocamento de faseOtimização de circuito auxiliarZero-voltage-switchingMultilevel converterInterleaved-phase-shift- modulationAuxiliary circuit optimizationCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICADc-dc isolated converters with Zero-Voltage-Switching are proposed and studied in this thesis. Special attention is focused on converters with series switches connections, which allow the use of switches designed for half of dc bus voltage. A new modulation entitled as interleaved-Phase-Shift-Modulation is proposed, which is applied to two half-bridges converter connected in series. The main characteristics of the proposed modulation in relation to the pulse-width-Modulation are the input capacitors voltage equalization and the switches currents symmetrical sharing. This way, low frequency voltage oscillations are eliminated, making possible the implementation of faster control law, and better switches utilization can be obtained, producing higher efficiency. It is proposed an optimization process to design auxiliary circuits of low cost which perform Zero-Voltage-Switching in entire load range. The utilized circuit is composed of inductors connected in series and in parallel with the transformer(s). The optimization method is applied to half-bridge converters connected in series with soft commutation in entire load range with different modulations, and to the fullbridge isolated converter. By the use of the optimization process, it is obtained the set of series and parallel inductances values, which maximize the converters efficiency. Theoretical and experimental results obtained from the converters with output of 60V/25A demonstrate that converters with optimized designs can present efficiency even 2% higher than converters with non-optimized designs. Moreover, it is demonstrated that by utilizing an optimization process, converters with soft commutation in entire load range can present efficiency higher than converter with soft commutation in only a load range, despite the inclusion of auxiliary shunt inductors. An alternative for the use of phase-shift-modulation in half-bridge converter connected in series is presented. The proposed converter utilizes a three-level boost rectifier, which performs the input current power factor correction and maintains the dc bus voltage equally shared. The series converter, with phase-shift modulation is connected on the rectifier output. The main advantages of the phase-shift modulation utilization in relation to the pulsewidth- modulation are the symmetrical current share through the switches and the smaller current peaks on auxiliary circuits, resulting in smaller reactive energy in the converter and higher efficiency. A comparative study among the full-bridge converter and converters with series arrangement of half-bridges with different modulations is performed, considering the efficiency and the cost of the converters as parameters. As a result it can be observed the best performance and smaller cost of the full-bridge converter for 400V applications, while for 800V applications, the series converters present higher efficiency and smaller cost, considering the actual technology.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESNesta tese são propostos e estudados conversores cc-cc isolados com comutação sob tensão nula. Especial atenção é dedicada aos conversores com conexão série de semicondutores, que possibilitam o uso de interruptores projetados para suportar metade da tensão do barramento cc. Um novo tipo de modulação intitulada intercalação da modulação por deslocamento de fase é proposta, sendo aplicada a dois conversores meia-ponte conectados em série. As principais características da modulação proposta em relação à modulação por largura de pulso são a equalização de tensão nos capacitores de entrada e a divisão simétrica de corrente nos interruptores. Desta forma, eliminam-se oscilações de baixa freqüência de tensão, possibilitando a implementação de leis de controle mais rápidas e obtém-se um melhor fator de utilização dos interruptores, possibilitando a obtenção de eficiências mais elevadas. É proposto um processo de otimização o projeto de circuitos auxiliares de baixo custo que possibilitam comutação sob tensão nula em toda a faixa de carga. O circuito utilizado é composto por indutores conectados em série e em paralelo com o(s) transformador(es). O processo de otimização é aplicado a conversores em meia-ponte conectados em série com comutação suave em toda a faixa de carga com diferentes tipos de modulação, e ao conversor em ponte-completa isolado. Através do processo de otimização obtém-se o conjunto de valores de indutores séries e paralelos, que maximizam a eficiência dos conversores. Resultados teóricos e experimentais para conversores com saída de 60V-25A demonstraram que conversores com projetos otimizados podem apresentar eficiência até 2% superior à de conversores com projetos não otimizados. Além disto, é demonstrado que com o uso de um processo de otimização, conversores com comutação suave em toda a faixa de carga podem apresentar eficiência superior à de conversores com comutação suave em somente uma faixa de carga, apesar da inclusão de indutores paralelos auxiliares. Uma alternativa para a implementação de modulação por deslocamento de fase em conversores meia-ponte conectados em série é apresentada. O conversor proposto utiliza na entrada um retificador boost três níveis, o qual realiza a correção do fator de potência da corrente de entrada e mantém a tensão regulada do barramento cc com divisão simétrica. O conversor série com modulação por deslocamento de fase é conectado na saída do circuito retificador. As principais vantagens da utilização da modulação por deslocamento de fase em relação à modulação por largura de pulso são a divisão simétrica de corrente nos interruptores e os menores picos de corrente nos circuitos auxiliares, resultando em menor energia reativa no conversor e maior eficiência. Um estudo comparativo entre o conversor em ponte completa e conversores com conexão série de conversores meia-ponte com diferentes modulações é efetuado, considerando como parâmetro a eficiência e o custo dos conversores. Como resultado verifica-se a melhor performance e menor custo do conversor em ponte completa para aplicações de 400V, enquanto que para tensão de 800V os conversores série apresentam maior eficiência e menor custo, com a tecnologia atual.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaPinheiro, José Reneshttp://lattes.cnpq.br/2333794966860226Deschamps, EduardoAntunes, FernandoHey, Hélio LeãesPinheiro, HumbertoBaggio, José Eduardo2022-11-18T12:53:16Z2022-11-18T12:53:16Z2003-08-13info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/26990ark:/26339/001300000rn5gporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2022-11-18T12:53:16Zoai:repositorio.ufsm.br:1/26990Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2022-11-18T12:53:16Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false |
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Dc-dc isolated converters with Zero-Voltage-Switching are proposed and studied in this thesis. Special attention is focused on converters with series switches connections, which allow the use of switches designed for half of dc bus voltage. A new modulation entitled as interleaved-Phase-Shift-Modulation is proposed, which is applied to two half-bridges converter connected in series. The main characteristics of the proposed modulation in relation to the pulse-width-Modulation are the input capacitors voltage equalization and the switches currents symmetrical sharing. This way, low frequency voltage oscillations are eliminated, making possible the implementation of faster control law, and better switches utilization can be obtained, producing higher efficiency. It is proposed an optimization process to design auxiliary circuits of low cost which perform Zero-Voltage-Switching in entire load range. The utilized circuit is composed of inductors connected in series and in parallel with the transformer(s). The optimization method is applied to half-bridge converters connected in series with soft commutation in entire load range with different modulations, and to the fullbridge isolated converter. By the use of the optimization process, it is obtained the set of series and parallel inductances values, which maximize the converters efficiency. Theoretical and experimental results obtained from the converters with output of 60V/25A demonstrate that converters with optimized designs can present efficiency even 2% higher than converters with non-optimized designs. Moreover, it is demonstrated that by utilizing an optimization process, converters with soft commutation in entire load range can present efficiency higher than converter with soft commutation in only a load range, despite the inclusion of auxiliary shunt inductors. An alternative for the use of phase-shift-modulation in half-bridge converter connected in series is presented. The proposed converter utilizes a three-level boost rectifier, which performs the input current power factor correction and maintains the dc bus voltage equally shared. The series converter, with phase-shift modulation is connected on the rectifier output. The main advantages of the phase-shift modulation utilization in relation to the pulsewidth- modulation are the symmetrical current share through the switches and the smaller current peaks on auxiliary circuits, resulting in smaller reactive energy in the converter and higher efficiency. A comparative study among the full-bridge converter and converters with series arrangement of half-bridges with different modulations is performed, considering the efficiency and the cost of the converters as parameters. As a result it can be observed the best performance and smaller cost of the full-bridge converter for 400V applications, while for 800V applications, the series converters present higher efficiency and smaller cost, considering the actual technology. |
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