Minimização de tensão atual para ponte ativa dupla isolada DC

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16980 (2022) Citar este artigo

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Este artigo apresenta uma nova modulação de deslocamento de fase para conversor de corrente contínua (CC-CC) de ponte ativa dupla (DAB) isolada. A técnica proposta visa minimizar o estresse máximo de corrente do conversor, o que poderia aumentar diretamente a eficiência e reduzir as perdas do dispositivo. Esta técnica de modulação controla a potência do conversor através de apenas dois ângulos de mudança de fase ou dois graus de liberdade; um deslocamento de fase é usado entre as pernas de sua primeira ponte e o outro entre as pernas da segunda ponte. Embora a técnica tradicional de deslocamento monofásico (SPS) tenha apenas um grau de liberdade, ela sofre de muitas desvantagens em termos de alto estresse de corrente e fluxo de potência circulante reverso, que diminuem a eficiência do conversor. Por outro lado, aumentar o número de ângulos de deslocamento de fase pode melhorar o desempenho do sistema, mas também aumentar a complexidade do controle. Assim, foi realizada uma análise comparativa entre a técnica de modulação proposta e o SPS tradicional; o novo método apresentou melhor desempenho em termos de redução do estresse atual, aliado à simplicidade de implementação.

Os conversores CC-CC bidirecionais isolados são atualmente o componente chave de muitos dispositivos de alta potência, como sistemas fotovoltaicos1, armazenamentos de energia2,3,4 e veículos elétricos4,5,6. Essas aplicações requerem um conversor de potência leve e pequeno com alta eficiência para aumentar a densidade de potência; além disso, o isolamento galvânico é necessário por razões de segurança. A substituição de transformadores de frequência de linha por transformadores de alta frequência levou a avanços dramáticos em conversores de energia recentes em termos de tamanho, peso e custos do dispositivo7. Entre todos os conversores CC-CC, o tipo ponte ativa dupla (DAB) é superior devido às suas muitas vantagens: fornece um fluxo de potência bidirecional simplesmente alterando o ângulo de defasagem entre a tensão das duas pontes; o layout simétrico simplifica sua modelagem dinâmica; a comutação de tensão zero também é possível para todos os dispositivos de energia sem qualquer circuito adicional ou técnica de controle especial, além do benefício da indutância de vazamento do transformador8,9. A potência do conversor DAB pode ser aumentada construindo configurações multiportas e topologias de modularidade, que podem ser utilizadas como um estágio intermediário no sistema de conversão de energia em média tensão10.

Existem muitas técnicas de controle para este tipo de conversor; eles são baseados no controle de mudança de fase. O controle monofásico (SPS) é o método mais utilizado devido à sua simplicidade11,12. Duas voltagens quadradas são geradas em ambas as pontes, controlando a ativação do par de chaves conectadas em cruz em cada ponte. Apenas um ângulo de mudança de fase deve ser ajustado entre essas duas tensões; a magnitude e a direção da potência podem ser controladas por meio desse ângulo. No entanto, a energia circulante reversa é causada por um alto estresse de corrente no conversor de energia. Assim, as perdas do dispositivo de potência e dos componentes magnéticos são altas, enfraquecendo a eficiência do conversor8. Muitas tentativas foram feitas para aumentar o desempenho desta técnica. Uma relação de serviço variável foi proposta na Ref.13 calculando o valor do ângulo de fase na linha de acordo com a dinâmica do conversor. Alguns estudos focaram em aumentar a faixa de comutação suave14 ou diminuir a potência reativa do conversor15. A técnica de controle de mudança de fase estendida (EPS) foi desenvolvida na Ref.16 para obter um melhor desempenho. Ele usa dois graus de liberdade (isto é, ângulos de fase internos e externos); um deslocamento de fase (o ângulo de fase interno) controla o deslocamento nas chaves diagonais da ponte primária, enquanto o outro atua como na técnica SPS, ou seja, controla a mudança de fase entre as chaves cruzadas da ponte primária e secundária. A técnica de controle EPS diminuiu drasticamente a potência reversa e minimizou o estresse de corrente nos conversores DAB, bem como expandiu a faixa de regulação da potência de transmissão. No entanto, para trocar o fluxo de direção de potência, esse método requer trocar os estados operacionais das duas pontes. A técnica de controle dual-phase-shift (DPS) foi introduzida17 para eliminar a potência reativa e aumentar a eficiência do conversor. Este método usa dois graus de liberdade como o EPS, mas é um pouco diferente, pois o ângulo de deslocamento de fase interno é utilizado em ambas as pontes e não apenas no primário, além do deslocamento de fase externo. Pesquisas estendidas também foram realizadas para aumentar a eficiência DAB via controle de mudança de fase tripla (TPS) na Ref.18, onde três graus de liberdade são usados. Outros estudos propuseram mudanças de fase combinadas e sintonizáveis19 e técnicas de controle de mudança de fase unificada18. No entanto, embora esses métodos aumentem o desempenho do conversor, eles também resultam em controle complexo e análise matemática.