tocado

Nov 08, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13745 (2022) Citar este artigo

1070 acessos

Detalhes das métricas

Um conversor DC-DC bidirecional é necessário para um sistema de armazenamento de energia. Alta eficiência e uma alta taxa de conversão step-up e step-down são as tendências de desenvolvimento. Nesta pesquisa, uma série de circuitos Cuk bidirecionais de alto ganho foi derivada combinando indutores tapados e Cuk bidirecional. Após analisar e comparar as características de cada circuito, foi proposto um circuito Cuk bidirecional de alto ganho com um indutor tapado (acoplamento reverso). O conversor proposto possui estrutura simples e alto ganho de tensão tanto no modo de operação abaixador (Buck) quanto elevador (Boost). O estresse de tensão de S2 foi baixo. O estresse de tensão de S1 foi alto, no entanto, e isso é uma desvantagem do conversor proposto. As características do circuito proposto foram minuciosamente examinadas, incluindo as características de ganho de tensão e o projeto dos principais parâmetros. Estabelecemos um modelo de perda de potência da nova topologia, e a relação de giro do indutor de derivação foi otimizada para alta eficiência. Finalmente, uma implementação experimental de 400 W do conversor mostrou atingir eficiências de 93,5% e 92,4% nos modos de aumento e redução, respectivamente. Essas descobertas verificaram a validade da análise teórica do circuito proposto.

Devido à escassez de combustíveis fósseis e às sérias questões ambientais nos últimos anos, esforços significativos têm sido concentrados no desenvolvimento de tecnologias de geração distribuída (GD) ecologicamente corretas1. A energia renovável, no entanto, não produz energia consistente por causa das condições climáticas. O armazenamento de energia é necessário para fornecer energia estável2. Além disso, a tensão de uma bateria de armazenamento é normalmente baixa, na faixa de 12 a 48 V, enquanto a tensão de um barramento CC é de 400 V ou superior para atender aos requisitos de um inversor ou rede CA3. Como resultado, para que os sistemas de armazenamento de energia conectem uma bateria de baixa tensão a um barramento CC de alta tensão, é necessário um conversor CC-CC bidirecional com uma alta taxa de conversão de tensão elevador/redução4. Além disso, esses conversores foram pesquisados ​​extensivamente para uma ampla gama de aplicações industriais, incluindo sistemas de alimentação ininterrupta, veículos elétricos e fontes de alimentação para aviação5. O conversor buck-boost tradicional pode fornecer um alto ganho de tensão com uma grande taxa de serviço, o que causará perdas de condução consideráveis ​​devido às grandes ondulações de corrente. Além disso, vários conversores CC-CC bidirecionais baseados em topologias isoladas têm sido apresentados na literatura. Essas topologias requerem um transformador e um grande número de dispositivos de chaveamento, o que aumenta o custo e as perdas de chaveamento, além de exigir esquemas de controle mais complicados.

Muitos conversores DC-DC bidirecionais com uma alta taxa de conversão step-up/step-down foram propostos para melhorar o ganho de tensão e a eficiência de um conversor. O método cascata foi utilizado na referência 6 para ampliar a faixa de relação de um conversor bidirecional cujo ganho foi calculado multiplicando os ganhos de cada conversor de nível. A eficiência era baixa, porém, por causa da cascata, e havia um problema de instabilidade. O conversor proposto na referência 7 melhorou a taxa de conversão de um conversor CC-CC bidirecional conectando o lado de baixa tensão em paralelo e o lado de alta tensão em série, mas a estrutura do conversor era complexa. Algumas soluções atraentes, como capacitores comutados8,9, indutores comutados10 e indutores acoplados11, foram introduzidos para um conversor CC/CC bidirecional básico para aumentar a taxa de conversão de tensão. O conversor DC-DC ressonante modular baseado em capacitor chaveado ponte bidirecional proposto alcançou uma alta taxa de conversão step-up/step-down através de uma unidade capacitora chaveada8. No entanto, ele empregou um grande número de interruptores e os estresses de tensão e corrente nos interruptores eram altos devido à ressonância. Como resultado, embora o circuito proposto em 9 reduzisse o número de chaves, sua faixa de conversão era limitada. A Referência 10 empregou a técnica do indutor acoplado para construir um conversor CC-CC bidirecional com alto ganho de tensão elevador/redutor. A ondulação da corrente era grande porque a forma de onda da corrente no lado de baixa tensão da topologia era uma onda quadrada. Além disso, a referência 11 discutiu conversores CC-CC bidirecionais não isolados baseados em indutores de acoplamento duplo, que poderiam alcançar um alto ganho de tensão e tensões de tensão de comutação reduzidas conectando os enrolamentos secundários de dois indutores acoplados em série. No entanto, exigia um controle complexo.