CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / FundaÃÃo de Amparo à Pesquisa do Estado do Cearà / A geraÃÃo de energia elÃtrica que combina o desenvolvimento humano com menos impactos ambientais e menos poluiÃÃo à um item fundamental no inÃcio deste sÃculo. Assim, a principal motivaÃÃo da caminhada atual à o desenvolvimento de novas topologias de sistemas descentralizados de fornecimento de energia. O objetivo à desenvolver um conversor bidirecional com alto ganho tensÃo, que à projetado para operar em dois modos: boost e buck. A topologia apresentada permite a transferÃncia bidirecional de energia, o que em algumas situaÃÃes, à transferida para o barramento CC, ou para um banco de baterias. O conversor à projetado para um potÃncia de 2 kW. à apresentado o desenvolvimento teÃrico e experimental do projeto para os dois modos de operaÃÃo. A fim de validar a proposta, sÃo apresentados resultados experimentais, para uma potÃncia de 1 kW. Os resultados foram satisfatÃrios e seu rendimento global de 93%. O protÃtipo foi testado em condiÃÃes diferentes que podem ser encontradas no dia-a-dia. / The achievement of energy generation which combines human development with less environment pollution impact is a key item in the premises of this century. Thus the main motivation of the present walk is the development of new topologies for decentralized supply systems. The objective is to develop a bidirectional converter with high voltage gain, which is designed to operate in two modes: step-up (boost) and step down (buck). The presented topology enables to bidirectional energy transfer, which in some situations it is returned to the load DC bus, formed by a back of batteries. The converter is designed for 2 kW linear load power. If is presented theoretical development and experimental designs for the two operation modes. In order to validate the proposal, it is presented experimental results, from 1 kW laboratory prototype are presented as well and 93% overall efficiency. The prototype was tested in different conditions that may be found daily.

Este trabalho tem por objetivo apresentar um novo conceito para a concepÃÃo de conversores para aplicaÃÃes em energias renovÃveis e carregamento de baterias com um nÃmero reduzido de estÃgios de processamento. SÃo desenvolvidas trÃs topologias diferentes de conversores de alto ganho de tensÃo com um Ãnico estÃgio de processamento e capaz de operar tanto com um banco de baterias como com painÃis fotovoltaicos. A operaÃÃo destes conversores permite que as fontes de entradas (painÃis ou baterias) operem de forma natural, independentemente ou complementarmente, compondo um barramento CC e apresentando a comutaÃÃo suave dos interruptores. Por fim, foram desenvolvidos trÃs protÃtipos para uma potÃncia de 500 W que validam o princÃpio de funcionamento dos sistemas propostos apresentando alto rendimento, alto ganho de tensÃo e boa regulaÃÃo do barramento CC em todos os modos de operaÃÃo. / Taking into account the great technological development on renewable energy systems and their applications on power electronics, this work presents a new concept of converters applied to renewable systems and batteries charging with a reduced number of energy processing stages. This work approaches three different high voltage gain converters topologies with only one processing stage, and with bidirectional capability, with batteries, and with photovoltaic panels. The operation of these converters allow that the inputs (PVpanels or batteries), work independently or simultaneously, in order to compose a single DC bus. Also, proposed topologies present natural soft-switching operation. At last, the three prototypes were developed to work with a nominal power of 500W, validating the operation principle of the proposed system, featuring high efficiency, high voltage gain, and good voltage regulation on the DC bus.

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O presente trabalho aborda a análise e o desenvolvimento de conversores CC-CC com alto ganho de tensão, para aplicações com fontes de energia de baixíssima tensão, porém capazes de fornecer altas correntes, como: painéis fotovoltaicos, células a combustível e baterias. O principal objetivo deste trabalho é elevar a tensão de uma única célula a combustível até um nível adequado de tensão para realizar a carga de uma bateria com tensão nominal de aproximadamente 12 V, de modo eficiente, com baixa ondulação na corrente de entrada do conversor e com baixa ondulação na tensão de saída. Para alcançar o objetivo proposto, dezenas de topologias de conversores foram estudadas, analisadas, simuladas e implementadas. O trabalho também apresenta uma comparação entre topologias de conversores CC-CC que realizam a transferência de energia por meio de indutores acoplados, com uma topologia de conversor que opera com transferência direta de energia por meio de um transformador. Por fim, os resultados experimentais são apresentados com o intuito de validar os resultados simulados e teóricos. / This work shows the analysis and development of DC-DC converters with high voltage gain, for applications with energy sources of low input voltage, but capable of providing high currents, such as: photovoltaic panels, fuel cells and batteries. The main objective of this work is to raise the voltage of a single fuel cell to a suitable vol-tage level to efficiently charge a battery with rated voltage of approximately 12 V, with low current ripple in the converter and with low output voltage ripple. To achieve the proposed objective, dozens of topologies of converters were studied, analyzed, simulated and implemented. This work shows a comparison between topologies of DC-DC converters that perform power transfer via coupled inductors, with a converter topology operating with direct energy transfer through a transformer. Finally, experimental results are presented in order to validate the theoretical and simulated results.

O presente trabalho aborda a análise e o desenvolvimento de conversores CC-CC com alto ganho de tensão, para aplicações com fontes de energia de baixíssima tensão, porém capazes de fornecer altas correntes, como: painéis fotovoltaicos, células a combustível e baterias. O principal objetivo deste trabalho é elevar a tensão de uma única célula a combustível até um nível adequado de tensão para realizar a carga de uma bateria com tensão nominal de aproximadamente 12 V, de modo eficiente, com baixa ondulação na corrente de entrada do conversor e com baixa ondulação na tensão de saída. Para alcançar o objetivo proposto, dezenas de topologias de conversores foram estudadas, analisadas, simuladas e implementadas. O trabalho também apresenta uma comparação entre topologias de conversores CC-CC que realizam a transferência de energia por meio de indutores acoplados, com uma topologia de conversor que opera com transferência direta de energia por meio de um transformador. Por fim, os resultados experimentais são apresentados com o intuito de validar os resultados simulados e teóricos. / This work shows the analysis and development of DC-DC converters with high voltage gain, for applications with energy sources of low input voltage, but capable of providing high currents, such as: photovoltaic panels, fuel cells and batteries. The main objective of this work is to raise the voltage of a single fuel cell to a suitable vol-tage level to efficiently charge a battery with rated voltage of approximately 12 V, with low current ripple in the converter and with low output voltage ripple. To achieve the proposed objective, dozens of topologies of converters were studied, analyzed, simulated and implemented. This work shows a comparison between topologies of DC-DC converters that perform power transfer via coupled inductors, with a converter topology operating with direct energy transfer through a transformer. Finally, experimental results are presented in order to validate the theoretical and simulated results.

This paper presents the study and development of a topology of nonisolated converter operating at high frequency, which is suitable for the integration of battery banks, photovoltaic panels, and a high voltage dc link in a single conversion stage. The topology is based on the bidirectional version of the three-state switching cell and is recommended for battery charging, while a 200V dc link can be obtained in a single conversion stage using photovoltaic (PV) panels. The presented converter is able to supply a 200V dc link using a battery bank and a PV array and, depending on the solar irradiance level, it is also possible to charge the batteries by using a single conversion stage. Moreover, all the switches of the converter are able to operate under zero voltage switching (ZVS) condition over a wide operation range. The experimental results are obtained from a 500W laboratory prototype, which has been developed and tested in three situations: energy flow from the battery bank to the load, energy flow from the PV panel to the load; and energy flow from the panel to the battery bank, achieving the efficiency of 94,18%, 96,09% e 94,67% respectively. The high gain afforded by this topology and the excellent performance obtained in all operations mode, shows as a solution where the requirement of increasing the voltage to 200V or 400V from low input voltage energy sources, typically 12V, 24V or 48V, provided by batteries, solar panels or others sources of energy, for Uninterruptable Power Supply (UPS), or a DC link, for example. / Este trabalho tem por escopo apresentar o estudo e desenvolvimento de um conversor CC-CC nÃo isolado de trÃs portas, adequado à integraÃÃo em um Ãnico estÃgio de conversÃo: um banco de baterias, um conjunto de painÃis fotovoltaicos e o link CC. A topologia proposta apresenta um conversor boost de alto ganho baseado na versÃo bidirecional da cÃlula de comutaÃÃo de trÃs estados na qual se tem integrado um banco de baterias e um conjunto de painÃis fotovoltaicos com capacidade para gerar um barramento CC de 200V em um Ãnico estÃgio de processamento. A caracterÃstica bidirecional da topologia permite aos painÃis fotovoltaicos carregar as bateiras e alimentar a carga dependendo da incidÃncia solar. No caso de ausÃncia de sol, o banco de baterias supre a carga. Outra importante caracterÃstica deste conversor à a comutaÃÃo suave em modo ZVS para todas as chaves. Foi desenvolvido um protÃtipo experimental com potÃncia nominal de 500W de forma a validar todo o embasamento teÃrico e de simulaÃÃo apresentados. O conversor desenvolvido foi submetido a trÃs condiÃÃes: o fluxo de energia da bateria para a carga, do painel fotovoltaico para a carga e do painel para o banco de baterias, sendo obtido o rendimento de 94,18%, 96,09% e 94,67% respectivamente para cada condiÃÃo. AlÃm disso, as formas de ondas experimentais e de simulaÃÃo para cada condiÃÃo e o comparativo de rendimento de topologias, tambÃm sÃo apresentados. O alto ganho e o rendimento alcanÃado nesta topologia, a torna uma forte soluÃÃo quando hà necessidade de elevar a tensÃo a partir de baterias ou painÃis fotovoltaicos, quando os valores fornecidos por estes geralmente sÃo de 12V, 24V ou 48V. Ressalte-se que este trabalho contribui cientificamente na Ãrea da eletrÃnica de potÃncia, mais especificamente, no que concerne ao estudo e desenvolvimento de novas topologias de conversores CC-CC nÃo isolados de trÃs portas para aplicaÃÃes em energias renovÃveis.