Célula a capacitor chaveado para a redução do ganho estático de retificadores monofásicos boost com correção do fator de potência
| Ano de defesa: | 2025 |
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| Orientador(a): | |
| Banca de defesa: | |
| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR |
| 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.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39334 |
Resumo: | This thesis introduces a novel switched-capacitor cell designed to reduce the voltage gain of single-phase Boost Power Factor Correction (PFC) rectifiers. A key feature of this cell is the inherent voltage balancing across its switched capacitors, which are alternately connected in series and parallel during converter operation. This proposed cell reduces the Boost converter’s voltage gain by half, and its static analysis is thoroughly investigated. Subsequently, the studied cell is applied to a conventional PFC Boost rectifier and an interleaved PFC Boost rectifier. Linearized mathematical models are derived to calculate current stresses, along with simplified transfer functions for closed-loop control implementation. Numerical simulations validate the theoretical calculations. Experimental validation is then performed on two constructed prototypes. For the prototype, designated as a hybrid switched-capacitor PFC Boost rectifier with voltage gain reduction, a maximum efficiency of 96.5% is achieved at 1.4 kW of resistive load power. The second prototype, referred to as a hybrid interleaved switched-capacitor PFC Boost rectifier with voltage gain reduction, achieves an efficiency of 97.21% for approximately 1 kW of resistive load. Both prototypes demonstrate a near-unity input power factor and input current THD compliant with IEC 61000-3-2. In conclusion, the proposed switched-capacitor cell is well-suited for integration with Boost PFC rectifiers, effectively halving the voltage gain compared to the original converter configuration associated with the cell. The proposed cell is designed for applications that do not require higher output voltages in comparison to the input voltage. |
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Célula a capacitor chaveado para a redução do ganho estático de retificadores monofásicos boost com correção do fator de potênciaSwitched-capacitor cell for reducing the voltage gain of single-phase boost PFC rectifiersConversores de corrente elétricaFator de potênciaCircuitos de comutaçãoCapacitadoresRetificadores de corrente elétricaModelos matemáticosEletrônica de potênciaElectric current convertersElectric power factorSwitching circuitsCapacitorsElectric current rectifiersMathematical modelsPower electronicsCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAEngenharia ElétricaThis thesis introduces a novel switched-capacitor cell designed to reduce the voltage gain of single-phase Boost Power Factor Correction (PFC) rectifiers. A key feature of this cell is the inherent voltage balancing across its switched capacitors, which are alternately connected in series and parallel during converter operation. This proposed cell reduces the Boost converter’s voltage gain by half, and its static analysis is thoroughly investigated. Subsequently, the studied cell is applied to a conventional PFC Boost rectifier and an interleaved PFC Boost rectifier. Linearized mathematical models are derived to calculate current stresses, along with simplified transfer functions for closed-loop control implementation. Numerical simulations validate the theoretical calculations. Experimental validation is then performed on two constructed prototypes. For the prototype, designated as a hybrid switched-capacitor PFC Boost rectifier with voltage gain reduction, a maximum efficiency of 96.5% is achieved at 1.4 kW of resistive load power. The second prototype, referred to as a hybrid interleaved switched-capacitor PFC Boost rectifier with voltage gain reduction, achieves an efficiency of 97.21% for approximately 1 kW of resistive load. Both prototypes demonstrate a near-unity input power factor and input current THD compliant with IEC 61000-3-2. In conclusion, the proposed switched-capacitor cell is well-suited for integration with Boost PFC rectifiers, effectively halving the voltage gain compared to the original converter configuration associated with the cell. The proposed cell is designed for applications that do not require higher output voltages in comparison to the input voltage.Apresenta-se nesta tese uma nova célula a capacitor chaveado para reduzir o ganho estático de retificadores Boost PFC monofásicos. Nesta célula pode-se constatar o fato de a tensão ser naturalmente equilibrada entre os capacitores chaveados, que são comutados em série e em paralelo durante a operação do conversor. Esta célula possui a característica de reduzir o ganho estático do conversor Boost pela metade, tendo sido estudada a sua análise estática. Posteriormente, a célula em estudo foi aplicada em um retificador Boost PFC convencional e em um retificador Boost PFC interleaved. Foram obtidos modelos matemáticos linearizados para o cálculo de esforços de corrente, bem como as funções de transferência simplificadas para a implementação do controle em malha fechada. As simulações numéricas validaram os cálculos teóricos. Posteriormente, foram validados experimentalmente os dois protótipos construídos. Para o primeiro, denominado de retificador Boost PFC híbrido a capacitor chaveado com redução do ganho estático, foi obtido um rendimento máximo de 96,5% para 1,4 kW de potência na carga resistiva com fator de potência de entrada aproximadamente unitário. No segundo protótipo, denominado de retificador Boost PFC interleaved híbrido a capacitor chaveado com redução do ganho estático (sigla PFC IB-PFM-HSCC), foi medido um rendimento de 97,21% para cerca de 1 kW de carga resistiva. Ambos os protótipos apresentaram a THD da corrente de entrada em conformidade com a IEC 61000-3-2. Conclui-se, portanto, que a célula a capacitor chaveado proposta pode ser aplicada a retificadores Boost PFC, possibilitando um ganho estático que é a metade do ganho estático do conversor original em que a célula está associada. A célula proposta destina-se a aplicações que não requerem elevadas tensões de saída, comparativamente ao valor da tensão de entrada.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática IndustrialUTFPRBadin, Alceu Andrehttps://orcid.org/0000-0003-3243-4092https://lattes.cnpq.br/8154562267050212Cortez, Daniel Floreshttps://orcid.org/0000-0002-1650-0988https://lattes.cnpq.br/5050752890498527Badin, Alceu Andrehttps://orcid.org/0000-0003-3243-4092https://lattes.cnpq.br/8154562267050212Gules, Rogerhttps://orcid.org/0000-0002-4037-9444https://lattes.cnpq.br/8115378687801645Demonti, Rogershttps://orcid.org/0000-0002-8797-1787http://lattes.cnpq.br/4145360000270118Guisso, Ronaldo Antoniohttps://orcid.org/0000-0003-3776-826Xhttps://lattes.cnpq.br/9960800077672515Oliveira, Sergio Vidal Garciahttps://orcid.org/0000-0002-2862-3870http://lattes.cnpq.br/7485662763949116Campos, Henrique Marin van der Broocke2026-02-05T19:59:37Z2026-02-05T19:59:37Z2025-11-03info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfCAMPOS, Henrique Marin van der Broocke. Célula a capacitor chaveado para a redução do ganho estático de retificadores monofásicos boost com correção do fator de potência. 2026. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39334porhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2026-02-06T06:29:41Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/39334Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2026-02-06T06:29:41Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false |
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This thesis introduces a novel switched-capacitor cell designed to reduce the voltage gain of single-phase Boost Power Factor Correction (PFC) rectifiers. A key feature of this cell is the inherent voltage balancing across its switched capacitors, which are alternately connected in series and parallel during converter operation. This proposed cell reduces the Boost converter’s voltage gain by half, and its static analysis is thoroughly investigated. Subsequently, the studied cell is applied to a conventional PFC Boost rectifier and an interleaved PFC Boost rectifier. Linearized mathematical models are derived to calculate current stresses, along with simplified transfer functions for closed-loop control implementation. Numerical simulations validate the theoretical calculations. Experimental validation is then performed on two constructed prototypes. For the prototype, designated as a hybrid switched-capacitor PFC Boost rectifier with voltage gain reduction, a maximum efficiency of 96.5% is achieved at 1.4 kW of resistive load power. The second prototype, referred to as a hybrid interleaved switched-capacitor PFC Boost rectifier with voltage gain reduction, achieves an efficiency of 97.21% for approximately 1 kW of resistive load. Both prototypes demonstrate a near-unity input power factor and input current THD compliant with IEC 61000-3-2. In conclusion, the proposed switched-capacitor cell is well-suited for integration with Boost PFC rectifiers, effectively halving the voltage gain compared to the original converter configuration associated with the cell. The proposed cell is designed for applications that do not require higher output voltages in comparison to the input voltage. |
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