Contribuições ao estudo de conversores CC–CC com processamento parcial de potência

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Santos, Niwton Gabriel Feliciani dos
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
dARK ID: ark:/26339/001300001b13k
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/1/33265
Resumo: This Ph.D. dissertation provides both conceptual and practical contributions regarding the development of new converters with partial power processing applied to the DC–DC stage of grid-connected photovoltaic (PV) systems and on-board chargers (OBCs) for battery-based electric vehicles, focusing mainly on step-up/down topologies. In short, this technique allows only a fraction of the total active power to be processed by the DC–DC converters, enabling the development of more efficient, smaller, and lighter PV inverters and on-board chargers. This Ph.D. dissertation is essentially composed of articles, which have been accepted/published in national and international journals. In Article 1, a review of the characteristics, configurations, topologies, and applications of DC–DC converters with partial power processing is presented, where the restrictions and requirements for the design of step-up/down topologies are also defined. In Article 2, a step-up/down topology based on the forward converter is proposed, which is applied to the string architecture of a 950-W PV system. In Article 3, a comparative analysis between two H-bridge/push–pull converters with partial power processing applied to the step-up/down DC–DC stage of a 2200-W PV system is proposed. In Articles 4 and 5, a topology based on a reconfigurable full-bridge converter is proposed, which is intended for the step-up/down DC–DC stage of an integrated on-board charger. In this case, a four-winding transformer with an adjustable turns ratio is used, allowing operation in a wide voltage regulation range with high performance in terms of conduction losses. In Article 6, a converter based on a switched-capacitor (SC) circuit for the step-down DC–DC stage of a 3-kW on-board charger is proposed. In this case, the proposed converter does not employ transformers or coupled inductors. However, the capacitors of the SC cell provide the required isolation to prevent a short-circuit between the low and high potentials of the load (battery pack). In Article 7, the Fryze power theory is used to develop a mathematical procedure that culminates in the definition of a single factor for the active and non-active power processed by DC–DC converters, the Fryze power factor: a consistent figure of merit similar to the power factor used in AC systems.
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This Ph.D. dissertation is essentially composed of articles, which have been accepted/published in national and international journals. In Article 1, a review of the characteristics, configurations, topologies, and applications of DC–DC converters with partial power processing is presented, where the restrictions and requirements for the design of step-up/down topologies are also defined. In Article 2, a step-up/down topology based on the forward converter is proposed, which is applied to the string architecture of a 950-W PV system. In Article 3, a comparative analysis between two H-bridge/push–pull converters with partial power processing applied to the step-up/down DC–DC stage of a 2200-W PV system is proposed. In Articles 4 and 5, a topology based on a reconfigurable full-bridge converter is proposed, which is intended for the step-up/down DC–DC stage of an integrated on-board charger. In this case, a four-winding transformer with an adjustable turns ratio is used, allowing operation in a wide voltage regulation range with high performance in terms of conduction losses. In Article 6, a converter based on a switched-capacitor (SC) circuit for the step-down DC–DC stage of a 3-kW on-board charger is proposed. In this case, the proposed converter does not employ transformers or coupled inductors. However, the capacitors of the SC cell provide the required isolation to prevent a short-circuit between the low and high potentials of the load (battery pack). In Article 7, the Fryze power theory is used to develop a mathematical procedure that culminates in the definition of a single factor for the active and non-active power processed by DC–DC converters, the Fryze power factor: a consistent figure of merit similar to the power factor used in AC systems.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESEsta tese de doutorado provê contribuições conceituais e práticas quanto ao desenvolvimento de novos conversores CC–CC com processamento parcial de potência aplicados ao estágio CC–CC de sistemas fotovoltaicos (FV) conectados à rede e carregadores on-board de veículos elétricos, focando principalmente em topologias abaixadoras/elevadoras de tensão. Em suma, essa técnica permite que somente uma fração da potência ativa total seja processada pelos conversores, possibilitando o desenvolvimento de inversores FV e carregadores on-board mais eficientes, menores e mais leves. A presente tese é constituída basicamente por artigos científicos, os quais foram aceitos/publicados em periódicos nacionais e internacionais. No Artigo 1, realiza-se uma revisão acerca das características, configurações, topologias e aplicações de conversores CC–CC com processamento parcial de potência, onde também são definidas as restrições e os requisitos para desenvolver topologias abaixadoras/elevadoras de tensão. No Artigo 2, propõe-se uma topologia abaixadora/elevadora de tensão baseada no conversor forward, a qual é aplicada à arquitetura string de um sistema FV de aproximadamente 950 W. No Artigo 3, propõe-se uma análise comparativa entre dois conversores H-bridge/push–pull com processamento parcial de potência aplicados ao estágio CC–CC abaixador/elevador de tensão de um sistema FV de aproximadamente 2200 W. Nos Artigos 4 e 5, desenvolve-se uma topologia baseada em um conversor full-bridge reconfigurável, a qual destina-se ao estágio CC–CC abaixador/elevador de tensão de um carregador on-board integrado. Nesse caso, utiliza-se um transformador de quatro enrolamentos com uma relação de espiras ajustável, o que permite a operação em uma ampla faixa de regulação de tensão com alto desempenho em termos de perdas em condução. No Artigo 6, propõe-se um conversor baseado em um circuito com capacitor chaveado para o estágio CC–CC abaixador de tensão de um carregador on-board unidirecional de 3 kW. Nesse caso, o conversor proposto não emprega transformadores ou indutores acoplados. Contudo, os capacitores da célula capacitiva fornecem a isolação requerida para evitar o curto-circuito entre os potenciais da carga (banco de baterias). No Artigo 7, propõe-se uma nova aplicação à teoria de Fryze das potências, a qual é utilizada para desenvolver uma ferramenta matemática que promove a definição de um fator global para o processamento de potência ativa e não-ativa em conversores CC–CC, o fator de potência de Fryze: uma consistente figura de mérito, semelhante ao fator de potência amplamente utilizado para medir a eficácia de sistemas CA.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaMartins, Mário Lúcio da Silvahttp://lattes.cnpq.br/2730012969211616Zientarski, Jonatan Rafael RakoskiLazzarin, Telles BrunelliGuisso, Ronaldo AntonioRech, CassianoBeltrame, Rafael ConcattoSantos, Niwton Gabriel Feliciani dos2024-10-29T14:29:38Z2024-10-29T14:29:38Z2024-09-27info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/33265ark:/26339/001300001b13kporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2024-10-29T14:29:38Zoai:repositorio.ufsm.br:1/33265Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2024-10-29T14:29:38Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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