Contribuições ao estudo de conversores CC–CC com processamento parcial de potência
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Orientador(a): | |
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| 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
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
Não Informado pela instituição
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| 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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Contribuições ao estudo de conversores CC–CC com processamento parcial de potênciaContributions to the study of DC–DC converters with partial power processingEngenharia elétrica (EE)Eletrônica de potência (EP)Processamento parcial de potência (PPP)Processamento de potência ativa e não-ativaElectrical engineeringPower electronicsPartial power processing (PPP)Active and non-active power processingCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAThis 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.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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