Registro fonte: Projeto e implementação de um conversor CC-CC isolado com elevado ganho estático e rendimento para aplicação em microinversores fotovoltaicos

Projeto e implementação de um conversor CC-CC isolado com elevado ganho estático e rendimento para aplicação em microinversores fotovoltaicos

The photovoltaic generation has grown significantly worldwide, mainly due to the reduction in module prices and also in the manufacture of inverters. Among the configurations of photovoltaic inverters, the microinverter topology features some advantages for lower power applications, usually involvin...

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Autor principal:	Moraes, Cassiano Ferro
Formato:	Dissertação
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2020
Assuntos:	Conversores de corrente elétrica Circuitos de comutação Geração de energia fotovoltaica Electric current converters Switching circuits Photovoltaic power generation CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia/Tecnologia/Gestão
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4795
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spelling	riut-1-47952020-03-25T06:01:04Z Projeto e implementação de um conversor CC-CC isolado com elevado ganho estático e rendimento para aplicação em microinversores fotovoltaicos Design and implementation of a high voltage ratio and high-efficiency isolated DC-DC converter for photo-voltaic micro inverters applications Moraes, Cassiano Ferro Stein, Carlos Marcelo de Oliveira http://lattes.cnpq.br/5654025919305848 Stein, Carlos Marcelo de Oliveira http://lattes.cnpq.br/5654025919305848 Costa, Jean Patric da http://lattes.cnpq.br/5424651831210420 Mezaroba, Marcello http://orcid.org/0000-0002-9888-5008 http://lattes.cnpq.br/6915611597263768 Conversores de corrente elétrica Circuitos de comutação Geração de energia fotovoltaica Electric current converters Switching circuits Photovoltaic power generation CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia/Tecnologia/Gestão The photovoltaic generation has grown significantly worldwide, mainly due to the reduction in module prices and also in the manufacture of inverters. Among the configurations of photovoltaic inverters, the microinverter topology features some advantages for lower power applications, usually involving one or two modules. This topology generally consists of two conversion stages, and in the first one, a high voltage gain and high-eficiency DC-DC converter is demanded, which is not easy to implement. Compared to other isolated converters, the current-fed half-bridge topology presents some advantages for photovoltaic microinverters applications, such as high static gain through the transformer ratio, low input current ripple, and no unbalance in the transformer flow. In addition, the galvanic isolation reduces shock hazards and problems regarding the module's leakage current. However, similar to other isolated converters, this topology has problems related to the energy stored in the high-frequency transformer leakage inductance, which causes overvoltages across the switches when these are turned off. These voltage spikes generate higher stress, power losses, requiring semiconductors that features high breakdown voltage and also afect the reliability of the converter. Thus, this work presents the design and implementation of a current-fed half-bridge converter with the inclusion of an auxiliary circuit for active-clamping. With this circuit, it is possible to employ semiconductors with lower breakdown levels, which usually have lower conduction resistance, providing a high-eficiency to the converter, which is essential for photovoltaic microinverters applications. In addition, the auxiliary circuit reduces the switching losses, and also stress on the semiconductors, providing the increase of the switching frequency. The converter's operation, as well as the design methodology, are described. Then, the design and simulation of the proposed converter for an input power equal to 350 W are presented. After the implementation, experimental tests were performed with the prototype, and a consistent operation was verified considering the results obtained in simulation. An eficiency equals 95.8% was achieved for the designed operating point. Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) A geração fotovoltaica tem tido um crescimento significativo em âmbito mundial, devido principalmente à redução dos preços dos módulos e também na fabricação dos inversores. Dentre as configurações de inversores fotovoltaicos, os sistemas com microinversores apresentam vantagens para instalações de menor potência, geralmente envolvendo aplicações com um ou dois módulos. Na implementação dessa topologia, a qual geralmente é constituída por dois estágios de conversão, é necessário utilizar conversores CC-CC com elevado ganho de tensão e alto rendimento, o que não é trivial de se obter na prática. Dentre as topologias de conversores isolados, o conversor meia-ponte alimentado em corrente apresenta vantagens para aplicações envolvendo microinversores fotovoltaicos, tais como: elevado ganho estático através da relação de transformação, baixa ondulação na corrente de entrada e inexistência de desbalanço de luxo no transformador, além de que a isolação galvânica reduz riscos de choque elétrico e problemas com a corrente de fuga dos módulos. Entretanto, assim como os demais conversores isolados, essa topologia apresenta problemas vinculados à energia acumulada na indutância de dispersão do transformador de alta frequência, se tendo sobretensões intensas na desativação das chaves do conversor. Esses picos de tensão geram maior estresse, perdas de potência, demandam semicondutores com maior tensão de ruptura e afetam a contabilidade de operação do conversor. Desse modo, esse trabalho tem como objetivo o projeto e implementação de um conversor meiaponte alimentado em corrente com a inclusão de um circuito auxilar para grampeamento ativo dessas sobretensões. Com a célula para grampeamento ativo apresentada, pode-se utilizar semicondutores com menores níveis de ruptura, que geralmente possuem menor resistência de condução, sendo possível obter um elevado rendimento, o que é primordial para um sistema com microinversores fotovoltaicos. Além disso, o circuito auxiliar proporciona redução das perdas por comutação nos semicondutores do conversor meia-ponte, reduzindo estresse e sendo possível aumentar a frequência de chaveamento. O funcionamento do conversor, bem como a metodologia de projeto são descritas. Na sequência é realizado o projeto e simulação do conversor para uma potência de entrada igual 350 W. Após o dimensionamento do conversor foram realizados testes experimentais com o protótipo implementado, sendo verificado uma operação coerente com os resultados obtidos em simulação. Um valor de rendimento de 95,8 % foi obtido para o ponto de operação projetado. 2020-03-24T13:22:51Z 2020-03-24T13:22:51Z 2020-02-17 masterThesis MORAES, Cassiano Ferro. Projeto e implementação de um conversor CC-CC isolado com elevado ganho estático e rendimento para aplicação em microinversores fotovoltaicos. 2020. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2020. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4795 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Pato Branco Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica UTFPR
institution	Universidade Tecnológica Federal do Paraná
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topic	Conversores de corrente elétrica Circuitos de comutação Geração de energia fotovoltaica Electric current converters Switching circuits Photovoltaic power generation CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia/Tecnologia/Gestão
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description	The photovoltaic generation has grown significantly worldwide, mainly due to the reduction in module prices and also in the manufacture of inverters. Among the configurations of photovoltaic inverters, the microinverter topology features some advantages for lower power applications, usually involving one or two modules. This topology generally consists of two conversion stages, and in the first one, a high voltage gain and high-eficiency DC-DC converter is demanded, which is not easy to implement. Compared to other isolated converters, the current-fed half-bridge topology presents some advantages for photovoltaic microinverters applications, such as high static gain through the transformer ratio, low input current ripple, and no unbalance in the transformer flow. In addition, the galvanic isolation reduces shock hazards and problems regarding the module's leakage current. However, similar to other isolated converters, this topology has problems related to the energy stored in the high-frequency transformer leakage inductance, which causes overvoltages across the switches when these are turned off. These voltage spikes generate higher stress, power losses, requiring semiconductors that features high breakdown voltage and also afect the reliability of the converter. Thus, this work presents the design and implementation of a current-fed half-bridge converter with the inclusion of an auxiliary circuit for active-clamping. With this circuit, it is possible to employ semiconductors with lower breakdown levels, which usually have lower conduction resistance, providing a high-eficiency to the converter, which is essential for photovoltaic microinverters applications. In addition, the auxiliary circuit reduces the switching losses, and also stress on the semiconductors, providing the increase of the switching frequency. The converter's operation, as well as the design methodology, are described. Then, the design and simulation of the proposed converter for an input power equal to 350 W are presented. After the implementation, experimental tests were performed with the prototype, and a consistent operation was verified considering the results obtained in simulation. An eficiency equals 95.8% was achieved for the designed operating point.
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