Conversor Sepic de alto ganho e alto rendimento com transformador de três enrolamentos com característica inversa e componentes magnéticos otimizados

Abstract

Diversas aplicações industriais e comerciais demandam conversão um estágio de alta elevação de tensão elétrica contínua. Recentemente, o crescimento da potência elétrica instalada na forma de energia solar fotovoltaica fomenta o estudo e desenvolvimento de conversores CC-CC, responsáveis por elevar a tensão dos módulos fotovoltaicos e realizar o seguimento do ponto de máxima potência destes. Dentre os possíveis modos de conectar os módulos fotovoltaicos à rede elétrica, o uso de conversores CC-CC para cada módulo individual mostra-se atrativa por possibilitar maior aproveitamento da potência gerada pelos módulos fotovoltaicos em situações de sombreamento parcial dos módulos. Conversores CC-CC tradicionais, como o Boost, são incapazes de promover a elevação de tensão requerida com alta eficiência, de forma que são propostas na literatura que diversas topologias avançadas de conversores CC-CC capazes de atingir alto ganho de tensão com alta eficiência. Este trabalho apresenta um conversor CC-CC baseado no conversor SEPIC, utilizando um transformador de três enrolamentos e circuito de grampeamento da tensão sobre o interruptor para conseguir elevado ganho de tensão empregando baixo número de componentes ao de alto esforço de tensão sobre o transformador e os diodos. Ao utilizar capacitores para remover a componente contínua da corrente que circula nos enrolamentos, o projeto do transformador é otimizado, retirando a necessidade de entreferro e diminuindo a quantidade de espiras nos enrolamentos. O ganho estático tensão elevado proporcionado pela célula de multiplicação de tensão resulta em esforço de tensão reduzido no interruptor e permite o uso de interruptores com baixa resistência de condução. Esses fatores, somados ao baixo número de diodos, resultam em uma topologia de alto ganho de tensão, alto rendimento e baixa complexidade. São descritas as etapas de operação do conversor e são desenvolvidas as expressões dos esforços de corrente e dos esforços tensão sobre seus componentes, condições para comutação suave dos diodos e operação no modo de condução contínua. A partir destas expressões são discutidas as diretrizes de projeto e feita a análise de perdas do conversor. Também é desenvolvido o modelo do conversor no domínio da frequência e utilizado no projeto do controlador da tensão de entrada. Um protótipo de 300 W é montado, a partir do qual são obtidas as formas de onda de corrente e tensão, os resultados em malha fechada da tensão de entrada e os resultados de eficiência do conversor. É alcançada a eficiência máxima de 96,8%. Por fim, o conversor proposto é comparado a outros conversores recém publicados na literatura.