Solteiro

Apr 28, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13442 (2022) Citar este artigo

1616 acessos

2 Citações

Detalhes das métricas

Esta carta apresenta uma nova topologia de inversor de capacitor chaveado de nove níveis (9L) de aterramento comum de estágio único com operação monofásica. O principal objetivo dessa topologia é reduzir a corrente de fuga, aumentar a tensão e manter a tensão nos capacitores comutados. A tensão de saída (vo) pode ser aumentada em até duas vezes a tensão de entrada (vin). Os vários modos de operação são explicados em detalhes e os resultados da simulação são fornecidos para ilustrar a eficácia da topologia proposta. Em seguida, os resultados experimentais são obtidos a partir de uma configuração de protótipo de 500 W e testados em diferentes cenários, como variações de carga, tensão de entrada e índice de modulação. Tanto a simulação quanto os resultados experimentais têm um bom acordo em relação à eficiência e desempenho. Finalmente, um estudo comparativo detalhado é realizado com outros inversores de capacitores chaveados 9L recentes para provar os méritos da topologia proposta.

Nos últimos anos, os inversores de capacitores chaveados (SCIs) receberam mais atenção devido à sua capacidade inerente de aumento de tensão e maior número de níveis de tensão de saída. Esses inversores são mais adequados para aplicações de média tensão, incluindo sistemas de geração de energia distribuída1. As notáveis ​​vantagens das topologias SCI são: (1) menor número de componentes ativos, (2) as tensões dos capacitores flutuantes (FC) são balanceadas por sensores/circuitos adicionais ou inerentemente balanceadas (chamadas de autobalanceadas) e (3) capacidade de aumento de tensão que reduz ainda mais o tamanho ou elimina o conversor CC/CC frontal para aplicações de energia renovável. O SCI de dois níveis tem desafios como alta distorção harmônica total e grande tamanho do filtro LC. Para superar esses problemas, a combinação de capacitor comutado e inversor multinível (SCMLI) é introduzida em 1,2,3, pois os inversores multiníveis são muito populares devido à sua tensão de comutação reduzida, melhor desempenho harmônico, perdas menores e requisitos de filtro reduzidos2,3 ,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Uma nova topologia SCMLI de estrutura generalizada com um número maior de níveis de tensão de saída é proposta em 2,3. Essas topologias são adequadas para aplicações com requisitos harmônicos estritos. Ainda assim, a contagem total de interruptores é alta com um ganho de tensão de 1:n (vin:vout) e a classificação de tensão de cada capacitor é igual a vin. Existem várias topologias SCMLI na literatura com vários níveis de tensão de saída variando de 4 níveis a níveis n generalizados. No entanto, o número de níveis de tensão de saída neste trabalho é 9L, conforme encontrado em 4,5,6,7,8,9,10. Essas topologias têm um ganho de tensão de saída comum de 1:2 e precisam de dois capacitores flutuantes (FCs) para gerar uma forma de onda de tensão de saída de 9L. No entanto, cada topologia tem seus prós e contras. Por exemplo, mais componentes são necessários em4, enquanto os autores em5 reduziram com sucesso a contagem de chaves e ambas as topologias produzem o ganho de tensão de 1:2.

Outra topologia, que precisa de oito chaves unidirecionais e dois RB-IGBTs, é proposta em6, e oito chaves, dois diodos e três capacitores são usados ​​em7. Uma nova topologia com sete chaves unidirecionais, dois diodos e capacitores é usada em8, mas essa topologia também precisa de duas chaves RB-IGBT adicionais. No entanto, nessas topologias, o ganho de tensão é dois e a maior parte da classificação de tensão do switch é igual à tensão de saída máxima. Para reduzir o estresse de tensão nas chaves, duas novas topologias são apresentadas em 9,10 com estresse de tensão de vin, mas o número do dispositivo semicondutor é consideravelmente alto. Devido à corrente de fuga, nenhuma das topologias mencionadas acima é adequada para aplicações solares fotovoltaicas sem transformador.

Nos últimos anos, esforços significativos de pesquisa têm sido feitos no desenvolvimento de topologias de inversores sem transformador (TLI) para aplicação fotovoltaica devido à eliminação da corrente de fuga11,12,13,14. Um novo inversor sem transformador de cinco níveis com uma contagem de chaves reduzida é apresentado em 11. No entanto, esta topologia tem um grande requisito de filtro devido aos níveis de tensão de saída mais baixos. Para resolver esse problema, um TLI de 9 níveis (9L) é proposto em 12, mas não possui ganho de tensão e o número de interruptores de estado ON é alto em cada nível. Além disso, o requisito de tensão de entrada dessa topologia é significativamente maior devido à redução da utilização do barramento CC. Outra nova topologia 9L-TLI é proposta em 13, que tem utilização total do barramento CC. Os conversores buck-boost são integrados com uma conexão em série de quatro capacitores de link CC para atingir a tensão de saída de nove níveis. No entanto, os capacitores do barramento CC não são balanceados, levando a formas de onda escalonadas assimétricas na carga. Nesta referência, pode-se notar que a conexão comum entre o terminal de terra do lado da carga e o terminal negativo do lado da fonte elimina a corrente de fuga e é chamada de conexão de terra comum14. Topologias 9L SCMLI recentes com boosting são apresentadas em 15,16,17. No entanto, eles falham em reduzir a corrente de fuga. Além disso, as topologias apresentadas em 18,19,20 compartilham um terreno comum com a erradicação da corrente de fuga. The18 apresenta um novo terreno comum no inversor de três níveis. O capacitor atua como uma fonte CC virtual no meio ciclo negativo. Se o capacitor falhar, a topologia não gerará o meio ciclo negativo e todo o sistema falhará. No entanto, se algum capacitor falhar na topologia proposta, a magnitude da tensão de saída e o tamanho do degrau serão reduzidos, mas a operação continuará.