Estudo do conversor D: análises qualitativa e quantitativa, critérios de dimensionamento e modelagem em espaço de estados

Abstract

Os conversores estáticos são amplamente utilizados no contexto da eletrônica de potência. Da mesma forma que os transformadores têm papel fundamental nas aplicações que envolvem circuitos alimentados em corrente alternada, os conversores estáticos realizam a transformação de magnitudes de tensão em circuitos de corrente contínua. Tais dispositivos podem tanto apresentar em sua saída um valor de tensão superior em relação ao sinal de entrada, atuando como elevadores, quanto inferior, atuando, neste caso, como redutores. Estes também podem apresentar suas saídas ou entradas com um comportamento de fonte de tensão ou corrente, dependendo da topologia utilizada. Este trabalho apresenta um estudo sistematizado do conversor D operando no modo de condução contínua, em regime permanente, incluindo as análises qualitativa e quantitativa, resultando em uma metodologia de dimensionamento do conversor, bem como a sua modelagem em espaço de estados, o que viabiliza estudos de estratégias de controle para o mesmo. Apesar de não se tratar de uma nova topologia, recentemente este conversor foi reintroduzido, devido a sua capacidade de aumentar a eficiência no processo de conversão de energia, especialmente em sistemas fotovoltaicos. Esta pesquisa encontra justificativa dada a inexistência de trabalhos semelhantes especificamente para a topologia do conversor D. Este estudo foi validado a partir de ensaios realizados no software de simulação PSIM, além do MATLAB/SIMULINK. Um protótipo de laboratório foi especialmente construído para fins de validação em uma plataforma de prototipagem rápida, bem como a consequente implementação do mesmo em uma PCI, para utilização em trabalhos futuros.

Power converters are widely used in the context of power electronics. In the same way that transformers have a fundamental role in applications involving AC circuits, power converters modify voltage magnitudes in DC circuits. These devices can either present an output voltage higher than the input voltage, acting as a Boost converter, or lower, acting, in this case, as a Buck converter. The input and output signals can also present either a voltage source or a current source behavior, depending on the topology. This work presents a systematic study of the D converter operating in the continuous conduction mode, in permanent regime, including the qualitative and quantitative analyzes, resulting in a methodology of dimensioning of the converter, as well as its modeling in space of states, which makes feasible studies of control strategies for it. Although this is not a new topology, this converter has recently been reintroduced due to its ability to increase efficiency in the energy conversion process, especially in photovoltaic systems. However, this research is fully justified given the lack of similar work for the D converter topology. This study was validated from tests performed in the PSIM simulation software, in addition to MATLAB / SIMULINK. A laboratory prototype was specially constructed for validation purposes in a rapid prototyping platform, as well as the consequent implementation in a PCI, for use in future works.