Conversor CC-CC meia ponte assimétrico a capacitor chaveado ZVS aplicado ao carregamento de baterias

Abstract

Uma nova topologia de conversor CC-CC, obtida pela integração do conversor meia ponte assimétrico com a célula de comutação à capacitor chaveado do tipo Ladder, é apresentada. A topologia proposta conserva a característica de redução dos esforços de tensão nos interruptores de potência à metade da tensão do barramento CC, proveniente da célula Ladder, e a característica de comutação com tensão nula do conversor meia ponte assimétrico. A análise teórica apresenta as principais características operacionais do conversor proposto. O cálculo dos esforços de corrente nos componentes, considerando o modo parcial de carga dos capacitores, referentes ao estágio à capacitor chaveado, é descrito. A análise da comutação dos interruptores do lado de alta tensão é detalhada. Os critérios de escolha dos capacitores, interruptores, indutores e do tempo morto entre os sinais de comando são apresentados. O estudo é validado por meio de simulações e experimentação de um protótipo com potência de 2 kW, tensão de entrada de 800 V, tensão de saída de 48 V e frequência de comutação de 100 kHz. A eficiência máxima obtida para o protótipo não otimizado foi de 93,6%. O conversor proposto é adequado para carregadores bateria de 48 V, com tensão de entrada de 800 V, usando semicondutores de potência de 600 V.

Abstract: A novel DC-DC converter topology, obtained by integrating the asymmetric halfbridge converter to the switched capacitor Ladder cell is presented. The proposed topology keep the characteristic of reduced voltage stresses on the power switches to half the voltage of the DC bus, from the Ladder cell, and the characteristic of zero voltage switching of the asymmetric half-bridge converter. Theoretical analysis presents the main characteristics of the proposed converter. The calculation of the current stresses in the components, considering the partial charge operating mode of the switched capacitor stage, is described The switching analysis on the high voltage side is detailed. The criteria for choosing capacitors, switches, inductors and dead time between command signals are presented. The study is validated through simulations and experimentation of a prototype with following rated values: 2 kW power, input voltage 800 V, output voltage 48 V and switching frequency of 100 kHz. The maximum efficiency obtained for the non-optimized prototype was 93.6%. The proposed converter is suitable for 48 V battery chargers with 800 V input voltage, using 600 V power semiconductors.