Retificadores multiníveis PWM unidirecionais de alto fator de potência com célula de comutação de múltiplos estados

Abstract

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2012Este trabalho apresenta o estudo de retificadores unidirecionais com alto fator de potência, monofásicos e trifásicos, multiníveis com célula de comutação de múltiplos estados. A utilização de um transformador de multi-interfase conectado a diversas pernas de semicondutores permite a divisão dos esforços de corrente, multiplicação da frequência e geração de múltiplos níveis de tensão na entrada e corrente de saída do conversor. As perdas nos semicondutores e os elementos passivos podem ser então reduzidos, permitindo a obtenção de alto rendimento, elevada densidade de potência, sendo também indicados para aplicações de alta potência. A complexidade do sistema de modulação, número de componentes e confecção dos elementos magnéticos são as principais desvantagens da topologia proposta. O estudo é conduzido de forma generalizada, com o objetivo de avaliar o impacto do número de pernas de semicondutores em diversos aspectos operacionais do conversor. Questões de modelagem, controle, modulação e implementação prática são abordadas, onde uma arquitetura modular baseada em blocos de construção é proposta como alternativa para a complexidade própria da estrutura. O trabalho é suportado por diversas simulações numéricas e por três protótipos construídos em laboratório, a saber: um conversor monofásico de 1,5 kW com duas pernas de semicondutores; um conversor monofásico de 2,5 kW com quatro pernas de semicondutores; e um conversor trifásico de 7,5 kW com quatro pernas de semicondutores.<br>Abstract : This work analyzes single and three-phase unidirectional high power factor multistate switching cells-based multilevel rectifiers (MLMSR). The use of a multi-interphase transformer, with its windings connected to several semiconductor legs produces relatively well balanced current distribuition among the semiconductors, frequency multiplication and generation of multiple levels at the input voltage and output current of the converter. The semiconductor and passive component losses are reduced, and thus high efficiency and high power density are obtained. From the current sharing among the devices, such converters are appropriate for high power applications. A generalized analysis is presented, in order to evaluate the impact of the number of semicondutor legs in various operational aspects of the converter. The main issues related to static and dynamic modeling, control, modulation and practical implementation are considered for both, single- and three-phase, structures. Special attention is given to carrier-based modulation strategies to improve the performance of the three-phase rectifiers. Finally, a modular approach according to the power electronics building blocks concept is proposed as a viable solution to overcome the practical implemetation complextity of such rectifiers. The work is supported by several numerical simulations and by the analysis of three lab prototypes, namely: a 1.5 kW two legs single-phase MLMSR; a 2.5 kW four legs single-phase MLMSR; and a 7.5 kW four legs three-phase MLMSR