Estratégia macro–micro para o projeto de conversores CC–CC modulares

Abstract

Esta tese de doutorado apresenta uma nova metodologia para o projeto e controle de conversores CC–CC estáticos PWM, fundamentada no conceito macro–micro de atuadores, técnica até então aplicada predominantemente a sistemas mecânicos. O conceito baseia-se na associação de dois conversores com características distintas: um conversor responsável pelo processamento da maior parcela da potência, projetado para operar com elevada ondulação e baixa frequência, visando maximizar a eficiência; e um segundo conversor, que processa a parcela remanescente da potência, projetado para operar em frequência mais elevada e com maior largura de banda, atuando de forma a mitigar a ondulação inerente ao primeiro conversor. Dessa forma, busca-se obter um conversor resultante mais eficiente do que soluções convencionais baseadas em um único estágio com figuras equivalentes de ondulação e largura de banda. Além disso, uma vez que a técnica se baseia no projeto estático dos módulos de forma desacoplada, equações tradicionalmente empregadas no projeto de conversores podem ser diretamente utilizadas, tornando o desenvolvimento de estruturas macro–micro simples e direto. A metodologia ora proposta foi colocada à prova no projeto de um conversor elevador, destinado a elevar a tensão do barramento CC de 50 V para 200 V, processando 500 W de potência. Para esse fim, dois conversores CC–CC do tipo full-bridge foram associados com entradas em paralelo e saídas em série. Além do conversor projetado segundo a metodologia macro–micro, um conversor adicional de estágio único foi desenvolvido de modo a apresentar características equivalentes de largura de banda e ondulação, sendo utilizado como referência para a avaliação dos ganhos de eficiência e do desempenho em termos de ondulação. O protótipo desenvolvido apresentou uma redução de perdas de 1,35% em relação à potência nominal, o que corresponde a uma diminuição de aproximadamente 13,7 % nas perdas totais em comparação ao conversor de referência.

This doctoral thesis presents a novel methodology for the design and control of static PWM DC–DC converters based on the macro–micro actuator concept, a technique previously applied predominantly to mechanical systems. The concept relies on the association of two converters with distinct characteristics: one converter is responsible for processing the largest share of the power and is designed to operate with high ripple and at a low frequency in order to maximize efficiency; a second converter processes the remaining share of the power and is designed to operate at a higher frequency and with a wider bandwidth, acting to mitigate the ripple inherent to the first converter. In this way, the resulting converter is intended to achieve higher efficiency than conventional single-stage solutions with equivalent ripple and bandwidth characteristics. Furthermore, since the technique is based on the decoupled static design of the modules, equations traditionally employed in converter design can be directly applied, making the development of macro–micro structures simple and straightforward. The proposed methodology was experimentally evaluated through the design of a step-up converter intended to raise the DC-bus voltage from 50 V to 200 V while processing 500 W of power. For this purpose, two full-bridge DC–DC converters were connected with their inputs in parallel and outputs in series. In addition to the converter designed according to the macro–micro methodology, a singlestage converter was developed to provide equivalent bandwidth and ripple characteristics and was used as a reference for assessing efficiency gains and ripple performance. The developed prototype achieved a loss reduction equivalent to 1.35,% of the rated power, corresponding to an approximately 13.7,% reduction in total losses compared with the reference converter.