BR102018003393B1

BR102018003393B1 - DEVICE APPLIED TO NON-ISOLATED BIDIRECTIONAL STATIC POWER CONVERTER

Info

Publication number: BR102018003393B1
Application number: BR102018003393-0A
Authority: BR
Inventors: Menaouar Berrehil El Kattel; Robson Mayer; Sergio Vidal Garcia Oliveira
Original assignee: Robson Mayer; Menaouar Berrehil El Kattel
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2023-10-31
Also published as: BR102018003393A2

Abstract

o ?dispositivo aplicado a conversor bidirecional estático de potência não isolado? objetiva melhorar um conversor cc-cc e/ou ca-cc de maneira a obter um projeto estrutural comparativamente simples, compacto, robusto e eficiente. inúmeras topologias de conversores monofásicos e trifásicos ca-cc estão presentes no mercado para diversas aplicações, no entanto, grande parte apresenta fluxo de energia unidirecional e limitações na transferência de potência, volume ou grandes filtros para mitigação de interferência eletromagnética. o presente conversor eletrônico oferece quatro importantes melhorias: a) redução do volume dos elementos passivos, resultando em maior compactação do conversor e elevação da densidade de potência, onde a ondulação de tensão/corrente sobre os elementos de filtro pode apresentar frequência de duas vezes o número de módulos empregados da freqüência de comutação dos interruptores; b) redução dos esforços nos semicondutores, melhorando o rendimento do conversor e aumentando a eficiência do sistema; c) com a implementação do indutor acoplado, permite o compartilhamento de corrente de forma igualitária entre os semicondutores, reduzindo os desequilíbrios e custos com sensoriamento e controle do conversor, principalmente para aplicações em baixas e médias potências; d) possibilita fluxo de energia bidirecional entre suas duas portas (e1 e e2) e a flexibilidade de conectar fontes em cc ou ca a sua porta e1.the ?device applied to non-isolated static bidirectional power converter? aims to improve a dc-dc and/or ac-dc converter in order to obtain a comparatively simple, compact, robust and efficient structural design. Numerous topologies of single-phase and three-phase ac-dc converters are present on the market for various applications, however, most present unidirectional energy flow and limitations in power transfer, volume or large filters to mitigate electromagnetic interference. the present electronic converter offers four important improvements: a) reduction in the volume of the passive elements, resulting in greater compactness of the converter and increased power density, where the voltage/current ripple on the filter elements can present a frequency of twice the number of modules used for the switching frequency of the switches; b) reducing stress on semiconductors, improving converter performance and increasing system efficiency; c) with the implementation of the coupled inductor, it allows the sharing of current equally between the semiconductors, reducing imbalances and costs with sensing and controlling the converter, mainly for low and medium power applications; d) allows bidirectional power flow between its two ports (e1 and e2) and the flexibility of connecting dc or ac sources to its e1 port.

Description

001 A presente patente de invenção trata-se de um conversor bidirecional de energia que é empregado para converter uma forma de potência à outra forma.001 The present invention patent concerns a bidirectional energy converter that is used to convert one form of power to another form.

002 A atual invenção é para dois módulos e permite a conexão de fontes CC e CA monofásicas.002 The current invention is for two modules and allows the connection of single-phase DC and AC sources.

003 A adição de mais um módulo permite a conexão de uma fonte CA trifásica ou outra fonte CC de entrada.003 The addition of one more module allows the connection of a three-phase AC source or another DC input source.

004 A presente invenção tem por finalidade propor um conversor que possa operar com níveis mais elevados de potência em relação aos conversores boost tradicionais para correção do fator de potência e que apresenta menores elementos de filtro, indutores e capacitores.004 The purpose of the present invention is to propose a converter that can operate at higher power levels compared to traditional boost converters for power factor correction and that features smaller filter elements, inductors and capacitors.

005 Outra finalidade do invento é permitir fluxo bidirecional de energia entre sua entrada e saída ou vice-versa, e permitir a conexão de fonte em corrente contínua ou corrente alternada em uma de suas entradas, ampliando seu campo de aplicação, aumentando a versatilidade e utilidade. Ainda outra finalidade da invenção é propor um conversor que é mais barato e mais viável que os conversores bidirecionais com funcionalidade de correção do fator de potência convencionais, para um nível de potência e tensão determinada.005 Another purpose of the invention is to allow bidirectional flow of energy between its input and output or vice versa, and to allow the connection of a direct current or alternating current source to one of its inputs, expanding its field of application, increasing versatility and usefulness . Yet another purpose of the invention is to propose a converter that is cheaper and more viable than conventional bidirectional converters with power factor correction functionality, for a given power and voltage level.

006 A presente invenção propõe um conversor CC-CC e CA-CC para baixa e alta potência que tanto pode estar configurado como um conversor no modo boost ou modo buck, com reduzidos esforços de corrente através dos interruptores controlados. Quando a alimentação for por fonte CA o conversor opera no modo análogo ao boost com correção do fator de potência, produz baixa ondulação de corrente e reduzida distorção harmônica.006 The present invention proposes a DC-DC and AC-DC converter for low and high power that can be configured as a converter in boost mode or buck mode, with reduced current efforts through the controlled switches. When powered by an AC source, the converter operates in a mode analogous to boost with power factor correction, producing low current ripple and reduced harmonic distortion.

007 Esta topologia de conversor eletrônico de potência converte energia de uma fonte em corrente contínua (CC) quando é conectada aos terminais X1, X2 e ao terminal Y1 ou de uma fonte em corrente alternada (CA) quando é conectada aos terminais X1 e X2 para corrente contínua nos terminais Z2 e Z1 com outra amplitude e formato. Este conversor permite a transferência de energia de forma bidirecional e não isolada. Quando uma fonte em corrente alternada é conectada aos terminais X1 e X2, o conversor pode operar como regulador ativo com elevado fator de potência, baixa distorção harmônica ou regulando esta tensão em amplitude e frequência.007 This power electronic converter topology converts power from a source to direct current (DC) when it is connected to terminals X1, X2 and terminal Y1 or from a source to alternating current (AC) when it is connected to terminals X1 and direct current at terminals Z2 and Z1 with another amplitude and format. This converter allows energy transfer in a bidirectional and non-isolated manner. When an alternating current source is connected to terminals X1 and X2, the converter can operate as an active regulator with high power factor, low harmonic distortion or regulating this voltage in amplitude and frequency.

008 O conversor utiliza dispositivos semicondutores controlados na condução e bloqueio (interruptores) e não controlados (diodos), alem de elementos passivos (capacitores e indutores) para fazer o processamento da energia, que pode ser entre fontes/acumuladores de energia e a carga ou vice-versa.008 The converter uses semiconductor devices controlled in conduction and blocking (switches) and uncontrolled (diodes), in addition to passive elements (capacitors and inductors) to process the energy, which can be between energy sources/accumulators and the load or vice versa.

009 Na configuração com dois módulos possui sempre quatro elementos magnéticos, onde os indutores L2 e L3 estão acoplados negativamente e construídos sobre o mesmo elemento magnético, assim como os indutores L5 e L6. Já os indutores L1 e L4 são construídos sobre outros elementos magnéticos e não acoplados, portanto separados de L2, L3 e L5, L6. A topologia também possui sempre um elemento capacitivo representado como C1 (capacitor) que fica conectado ao barramento CC e sempre apresenta no mínimo 8 interruptores de potência representados como S1a, S2a, S3a, S4a, S1b, S2b, S3b e S4b com seus respectivos diodos em antiparalelo D1a, D2a, D3a, D4a, D1b, D2b, D3b e D4b, para facilitar o entendimento.009 In the configuration with two modules it always has four magnetic elements, where inductors L2 and L3 are negatively coupled and built on the same magnetic element, as well as inductors L5 and L6. Inductors L1 and L4 are built on other magnetic and uncoupled elements, therefore separate from L2, L3 and L5, L6. The topology also always has a capacitive element represented as C1 (capacitor) which is connected to the DC bus and always has at least 8 power switches represented as S1a, S2a, S3a, S4a, S1b, S2b, S3b and S4b with their respective diodes in antiparallel D1a, D2a, D3a, D4a, D1b, D2b, D3b and D4b, to facilitate understanding.

010 Na configuração com três módulos, o conversor possui três elementos magnéticos acoplados negativamente e três não acoplados, possui um elemento capacitivo que fica conectado ao barramento CC e 12 interruptores de potência com seus respectivos diodos em antiparalelo. Pode operar com fonte CA trifásica, com outra fonte CC ou três diferentes fontes CC a cada uma das suas entradas.010 In the configuration with three modules, the converter has three negatively coupled and three uncoupled magnetic elements, a capacitive element that is connected to the DC bus and 12 power switches with their respective diodes in antiparallel. It can operate with a three-phase AC source, with another DC source or three different DC sources for each of its inputs.

011 Capacitores, baterias ou fontes de tensão de energia renovável também podem ser usados como as fontes de tensão em corrente contínua. A Fig. 01 é uma representação diagramática de um sistema para conversão de potência, o conversor bidirecional com dois módulos.011 Capacitors, batteries or renewable energy voltage sources can also be used as direct current voltage sources. Fig. 01 is a diagrammatic representation of a power conversion system, the bidirectional converter with two modules.

012 O presente invento tem um campo amplo de aplicações, sendo utilizado especialmente onde uma tensão CC ou CA deve ser convertida em uma tensão CC estável e controlada, na indústria em geral e no campo aeroespacial. Tais campos de aplicação são, por exemplo, em fontes de alimentação CA-CC, CCCC, nobreaks, acionamento e tração veicular no sistema elétrico de tração de veículos elétricos, veículos híbridos e a célula à combustão, carregadores de bateria, em fontes de telecomunicação, na geração distribuída de energia, na geração de energia fotovoltaica e na aplicação em satélites, em fontes de alimentação para a adequação de tensão entre os subsistemas elétricos. Em geral, onde a carga demanda tensões, frequentemente, diferentes da fonte de alimentação.012 The present invention has a wide field of applications, being used especially where a DC or AC voltage must be converted into a stable and controlled DC voltage, in general industry and in the aerospace field. Such fields of application are, for example, in AC-DC power supplies, CCCC, UPS, vehicle drive and traction in the electrical traction system of electric vehicles, hybrid and combustion cell vehicles, battery chargers, in telecommunications sources , in distributed energy generation, in photovoltaic energy generation and in application in satellites, in power supplies to adjust voltage between electrical subsystems. In general, where the load demands voltages, often different from the power supply.

013 O conversor bidirecional oferece diversas vantagens em relação aos unidirecionais e, aplicando a técnica de intercalação (Interleaved) no comando dos interruptores, em relação aos conversores convencionais, obtêm-se baixas ondulações de tensão/corrente sobre os elementos de filtro, acarretando na redução do volume total do conversor, melhorando a distribuição das perdas entre os semicondutores, elevando sua eficiência, melhorando o desempenho e reduzindo ruídos e elementos de filtro para minimizar as interferências eletromagnéticas sobre outros circuitos. Ademais, os conversores intercalados são tipicamente adequados para aplicações de alta potência e o invento apresenta maior flexibilidade de alimentar o conversor com fonte CA ou CC dependendo da necessidade. Permite o processamento de maior potência, demanda elementos magnéticos e capacitores de menor volume por utilizar a técnica de entrelaçamento dos comandos dos interruptores associados à utilização de indutores acoplados que asseguram a igualitária divisão de corrente elétrica entre os braços do conversor sem a necessidade de utilizar circuitos adicionais, sensores ou malhas de controle, aumentando sua densidade de potência e simplicidade de implementação prática. Esta topologia leva a uma forma de onda de corrente satisfeita e de baixa ondulação e a reduzidos esforços de corrente nos semicondutores.013 The bidirectional converter offers several advantages in relation to unidirectional ones and, by applying the interleaving technique (Interleaved) in the control of switches, in relation to conventional converters, low voltage/current ripples are obtained on the filter elements, resulting in a reduction of the total volume of the converter, improving the distribution of losses between the semiconductors, increasing their efficiency, improving performance and reducing noise and filter elements to minimize electromagnetic interference on other circuits. Furthermore, interleaved converters are typically suitable for high power applications and the invention presents greater flexibility to power the converter with an AC or DC source depending on the need. It allows the processing of greater power, requires magnetic elements and capacitors of smaller volume by using the technique of interlacing switch commands associated with the use of coupled inductors that ensure equal division of electrical current between the arms of the converter without the need to use circuits additional sensors or control loops, increasing their power density and simplicity of practical implementation. This topology leads to a satisfied, low-ripple current waveform and reduced current stresses on the semiconductors.

014 Atualmente inúmeras topologias de conversores monofásicos e trifásicos CA-CC são conhecidas nas literaturas e estão presentes no mercado para diversas aplicações, no entanto, grande parte destas apresenta fluxo de energia unidirecional e limitações na transferência de potência, volume ou grandes filtros para mitigação de interferência eletromagnética, como o clássico conversor boost para correção do fator de potência e suas derivações, como o conversor boost intercalado e o retificador bridgeless. O conversor bidirecional básico e mais utilizado no mercado é o inversor monofásico ponte H (full-bridge) que converte energia de uma fonte em CA para CC, ou vice-versa. No entanto sua principal limitação é a incapacidade de aplicação de ganho de tensão entre sua entrada e saída, além de não poder operar com fonte de alimentação CC, e apresentar elevados filtros (indutor e capacitor) quando opera como retificador para correção do fator de potência.014 Currently, numerous topologies of single-phase and three-phase AC-DC converters are known in the literature and are present on the market for various applications, however, most of them present unidirectional energy flow and limitations in power transfer, volume or large filters to mitigate electromagnetic interference, such as the classic boost converter for power factor correction and its derivations, such as the interleaved boost converter and the bridgeless rectifier. The basic and most widely used bidirectional converter on the market is the single-phase H-bridge inverter (full-bridge), which converts energy from an AC source to DC, or vice versa. However, its main limitation is the inability to apply voltage gain between its input and output, in addition to not being able to operate with a DC power supply, and presenting high filters (inductor and capacitor) when operating as a rectifier to correct the power factor. .

015 O presente conversor eletrônico oferece quatro importantes melhorias aos já existentes: a) redução do volume dos elementos passivos, resultando em uma maior compactação do conversor e elevação da densidade de potência, onde a ondulação de tensão/corrente sobre os elementos de filtro pode apresentar frequência de quatro vezes a frequência de comutação dos transistores; b) redução dos esforços nos semicondutores, melhorando o rendimento do conversor e aumentando a eficiência do sistema; c) com a implementação do indutor acoplado, permite o compartilhamento de corrente de forma igualitária entre os semicondutores, reduzindo os desequilíbrios e custos com sensoriamento e controle do conversor, principalmente para aplicações em baixas e médias potências e; d) possibilita fluxo de energia bidirecional entre suas duas portas (E1 e E2), flexibilidade de conectar fontes em CC ou CA a sua porta E1 e modularidade, onde basta adicionar “n” módulos a topologia para se obter maior versatilidade e integração com diferentes fontes/cargas.015 The present electronic converter offers four important improvements to the existing ones: a) reduction in the volume of the passive elements, resulting in greater compactness of the converter and increased power density, where the voltage/current ripple on the filter elements can present frequency four times the switching frequency of the transistors; b) reducing stress on semiconductors, improving converter performance and increasing system efficiency; c) with the implementation of the coupled inductor, it allows the sharing of current equally between the semiconductors, reducing imbalances and costs with sensing and controlling the converter, mainly for low and medium power applications and; d) allows bidirectional power flow between its two ports (E1 and E2), flexibility of connecting DC or AC sources to its E1 port and modularity, where simply adding “n” modules to the topology to obtain greater versatility and integration with different sources/loads.

016 A presente patente de invenção tem por objetivo melhorar um conversor CC-CC e/ou CA-CC de tal maneira que tenha um projeto estrutural comparativamente simples, compacto, robusto, eficiente e seja capaz de converter a energia de forma bidirecional, de maneira mais confiável e processar maiores potências.016 The present invention patent aims to improve a DC-DC and/or AC-DC converter in such a way that it has a comparatively simple, compact, robust, efficient structural design and is capable of converting energy bidirectionally, in a more reliable and process higher powers.

017 A Fig. 01 representa e ilustra o circuito da topologia do conversor bidirecional proposto com dois módulos que contém seus principais componentes e elementos. As tensões E1 e E2 representam a fonte e a carga ou vice-versa, onde a tensão em E2 sempre será maior do que a tensão em E1.017 Fig. 01 represents and illustrates the topology circuit of the proposed bidirectional converter with two modules that contain its main components and elements. The voltages E1 and E2 represent the source and the load or vice versa, where the voltage at E2 will always be greater than the voltage at E1.

018 A Fig. 02 representa a estrutura de um módulo do conversor que contem quatro interruptores com seus quatro diodos conectados em antiparalelo, um indutor acoplado denominado L2, L3 mais um indutor não acoplado denominado L1. O módulo é conectado ao conversor via os terminais W, X e Y.018 Fig. 02 represents the structure of a converter module that contains four switches with their four diodes connected in antiparallel, a coupled inductor called L2, L3 plus an uncoupled inductor called L1. The module is connected to the converter via terminals W, X and Y.

019 A Fig. 03 representa e ilustra a conexão de uma fonte em CC aos terminais X1, X2 e Y1 do conversor;019 Fig. 03 represents and illustrates the connection of a DC source to terminals X1, X2 and Y1 of the converter;

020 A Fig. 04 representa e ilustra a conexão de uma fonte em CA aos terminais X1 e X2 do conversor;020 Fig. 04 represents and illustrates the connection of an AC source to terminals X1 and X2 of the converter;

021 A Fig. 05 representa e ilustra a conexão de uma fonte em CC aos terminais Z2 e Z1 do conversor.021 Fig. 05 represents and illustrates the connection of a DC source to the Z2 and Z1 terminals of the converter.

Claims

1) DEVICE APPLIED TO NON-ISOLATED BIDIRECTIONAL STATIC POWER CONVERTER, characterized in that it is a modular converter that can use a DC direct current power supply when connected to terminals X1, X2 and terminal Y1, or a source in single-phase or three-phase AC alternating current when it is connected to terminals X1 and X2 for direct current at terminals Z2 and Z1 with another amplitude and format; in the configuration with two modules it always has four magnetic elements, where inductors L2 and L3 are negatively coupled and built on the same magnetic element, as well as inductors L5 and L6; inductors L1 and L4 are built on other magnetic and uncoupled elements, therefore separated from L2, L3 and L5, L6; the topology also always has a capacitive element represented as C1 (capacitor) which is connected to the DC bus and always has at least eight power switches represented as S1a, S2a, S3a, S4a, S1b, S2b, S3b and S4b, with their respective antiparallel diodes D1a, D2a, D3a, D4a, D1b, D2b, D3b and D4b, carrying current in the opposite direction, a coupled inductor and an uncoupled inductor and a filter capacitance.