Um Conversor DC-DC Isolado de Dois Estágios para Aplicações de Carregamento de Baterias

     Este artigo propõe e analisa um conversor DC-DC isolado de duas etapas para aplicações de carregamento de veículos elétricos, onde é necessária alta eficiência em uma ampla faixa de tensões de bateria. O circuito de conversão proposto compreende uma primeira etapa de isolamento com duas saídas e estrutura ressonante CLLC e um segundo regulador buck com duas entradas. O transformador da primeira etapa é projetado de modo que suas duas tensões de saída correspondam, idealmente, à tensão mínima e máxima esperada a ser fornecida à bateria. Em seguida, a segunda etapa combina as tensões fornecidas pela etapa anterior de isolamento para regular a tensão de saída do conversor inteiro. A primeira etapa é sempre operada em ressonância, com a única função de fornecer isolamento e relações de conversão fixas com perdas mínimas, enquanto a segunda etapa permite a regulação da tensão de saída em uma ampla faixa de tensões de bateria. No geral, demonstra-se que a solução apresenta alta eficiência de conversão em uma ampla faixa de tensões de saída.

1.Introdução.

    O transporte elétrico está ganhando terreno em muitos países devido às crescentes preocupações com as emissões globais de gases de efeito estufa e o abastecimento e esgotamento de combustíveis fósseis. Essas preocupações têm impulsionado recentemente o crescimento exponencial da demanda por veículos elétricos (VEs). Tal demanda elevada, combinada com a busca por maiores alcances e tempos de recarga reduzidos, está impulsionando novas gerações de VEs que implementam capacidades de bateria e taxas de recarga mais altas. Consequentemente, são necessárias novas estações de recarga de VE para fornecer mais potência, mais rapidamente do que nunca.

2.Estrutura e Princípio de Funcionamento.

    Como mostrado na Fig., o conversor de duas etapas proposto consiste em uma primeira etapa de isolamento baseada em um conversor ressonante LLC e uma segunda etapa de pós-regulador baseada em um conversor buck.   Tal pós-regulador é responsável pela regulação da tensão de saída e é alimentado por meio de um conversor DCX de duas saídas de alta eficiência, com tensões secundárias V1 e V2.   A partir da Fig., é claro que a tensão de estresse do pós-regulador, nomeadamente, V1−V2, é menor que a tensão de saída Vo, o que, consequentemente, permite o uso de dispositivos de comutação com menor resistência em estado de condução, bem como perdas de comutação menores.

3.Projeto da Etapa LLC Operada como DCX.

     Quando o tanque ressonante LLC é operado na frequência de ressonância, a razão de conversão de tensão torna-se idealmente independente da carga real. Em outras palavras, o conversor LLC mantém uma razão de conversão de tensão constante e ajusta sua corrente automaticamente, de acordo com as condições de carga, comportando-se como um DCX. Nessa condição de operação, o LLC mostra sua máxima eficiência, com um fluxo mínimo de potência reativa e condições de comutação em tensão zero (ZVS) e corrente zero (ZCS) sempre satisfeitas. Notavelmente, a operação DCX do LLC não requer um indutor ressonante externo, pois o ganho de conversão é fixo. Uma solução equivalente baseada em um FB-LLC ressonante projetado para operar na mesma ampla faixa de tensões de saída é esperado mostrar perdas maiores que o LLC em condições permanentes de DCX.

4.Conclusão

     Os desempenhos de conversão cobrindo toda a faixa de potência e tensão foram relatados experimentalmente, mostrando alta eficiência em uma ampla faixa de condições de operação, registrando uma eficiência máxima de 98,63% a 500V de tensão de saída e 7kW de potência transferida.   Em aplicações finais, podem ser consideradas conexões em série ou paralelo de múltiplos módulos para dimensionar as classificações de tensão ou corrente da implementação final, graças à saída isolada.   Estudos futuros podem incluir controladores on-line para modulação ótima do conversor e procedimentos para o projeto ótimo dos componentes do conversor, como os indutores TBB de saída.

Fonte: IEEE Xplore

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