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Título: Conversores CA-CC multiníveis do tipo boost com elevado fator de potência e operação em condução descontínua: estudo de topologias monofásicas, trifásicas, não isolados e isoladas
Título(s) alternativo(s): AC-DC multilevel boost converter in discontinuous conduction mode: study of single-phase, three-phase, non isolated and isolated topologies
Autor(es): Granza, Marcelo Henrique
Orientador(es): Gules, Roger
Palavras-chave: Retificadores de corrente elétrica
Transformadores elétricos
Topologia
Redes elétricas
Circuitos elétricos
Conversores de corrente elétrica
Inversores elétricos
Electric current rectifiers
Electric transformers
Topology
Electric networks
Electric circuits
Electric current converters
Electric inverters
Data do documento: 31-Mar-2020
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: GRANZA, Marcelo Henrique. Conversores CA-CC multiníveis do tipo boost com elevado fator de potência e operação em condução descontínua: estudo de topologias monofásicas, trifásicas, não isolados e isoladas. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020.
Resumo: O presente trabalho tem como objetivo o estudo e desenvolvimento de novas topologias baseadas no conversor boost intercalado operando no modo de condução descontínuo. Inicialmente são propostos dois novos retificadores não isolados sendo um com entrada monofásica e outro com entrada trifásica. O principal diferencial das duas novas topologias são a configuração de três níveis, reduzindo os esforços de tensão nos semicondutores. Ainda como características destaca-se a baixa ondulação da corrente de entrada e o alto fator da potência sem a necessidade de malhas de controle de corrente, uma vez que operam no modo de condução descontínuo. A forma da corrente de entrada opera como seguidora da tensão de entrada. Estes retificadores são soluções interessantes para baixas potências, frente a sua facilidade de implementação e custo reduzido. Os dois novos retificadores ainda podem ser integrados as principais células multiníveis como NPC, capacitor flutuante e associação série de conversores. Dentro da literatura, apenas trabalhos que realizaram a integração de retificadores intercalados com a célula NPC foram encontradas, assim doze novas topologias são propostas através da integração dos retificadores propostos com as células multiníveis baseadas na associação série de conversores em meia ponte, ponte completa e forward. Para as topologias em ponte completa e forward, por possuírem dois braços de comutação destaca-se a possibilidade da utilização de retificadores duplo na entrada, dividindo, além dos esforços de tensão pela configuração de três níveis, a divisão de corrente e redução dos esforços de condução. Dentro do trabalho realizou-se a análise dos retificadores não isolados, onde os principais resultados de simulação são apresentados. Um protótipo foi desenvolvido para a obtenção dos resultados experimentais. Para os retificadores integrados, em função da quantidade de topologias propostas, apenas as estruturas baseadas na associação série dos conversores meia ponte e ponte completa foram desenvolvidas, totalizando seis topologias. Entre as seis topologias integradas, a fim de não tornar o texto extenso, apenas os resultados experimentais de três são apresentados. Outro ponto de contribuição do trabalho, são as possibilidades de operação dos conversores com três diferentes modulações, sendo elas modulação PWM multifase convencional, modulação PWM assimétrica e modulação em frequência. Para a modulação PWM assimétrica podem ocorrer assimetrias de tensão nos capacitores, onde são propostas duas técnicas de equilíbrio para tal modulação.
Abstract: This work presents the study and development of new topologies based on interleaved boost operating in discontinuous conduction mode. Firstly, are proposed two new rectifiers, one single-phase and another three-phase, where the main differential is the three-level configuration, reducing the voltage stress across the semiconductors. Other characteristics are the low input current ripple and high-power factor without current control loop due to the discontinuous conduction mode, where the input current follows the input voltage. These rectifiers are an interesting solution for low power applications with low cost and simple implementation. The proposed rectifiers can be integrated with multilevel cells as Neutral Point Clamped (NPC), flying capacitor and series connections of converters. In literature review several works present the integration of interleaved boost with NPC cell only, thus twelve new integrated topologies are proposed in the paper based on the integration of proposed rectifiers with flying capacitor, series connection of half-bridge, series connection of full-bridge and series connection of forward converters. For the fullbridge and forward converters a double input rectifier can be used, dividing the current levels. In the paper the analysis of non-isolated converters is presented. The operation is verified by simulation and a laboratory prototype. For the integrated converters, based on half-bridge and full-bridge series connection are discussed, and experimental results are presented. The proposed converters can operate with three different modulations: classical multi-phase PWM, asymmetrical PWM and frequency modulation. For asymmetrical modulation the voltage in output capacitors are unbalanced, thus are proposed two techniques to solve this problem.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5045
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