Revista Eletrônica de Potência (Brazilian Journal of Power Electronics)

Palavras Chaves: Controle, Conversor Duplo Buck Quadrático, Modelagem

Resumo
Neste artigo será apresentado o conversor não-isolado CC-CC duplo buck quadrático. Esta topologia possui as vantagens de robustez, confiabilidade e alta taxa de conversão estática, além da redução dos esforços de tensão nos interruptores pela metade do valor em comparação com o conversor buck quadrático convencional. A simetria topológica simplifica a análise teórica do conversor. Inicialmente, realiza-se a análise estática, apresentando as etapas de operação do conversor com suas formas de ondas. Após, apresenta-se a curva de ganho estático em condução contínua, assim como são equacionados os modos de condução para obtenção da curva da característica externa do conversor. Além do modelo estático, apresenta-se o modelo dinâmico e o controle da corrente de entrada e da tensão de saída. Por fim, é construído um protótipo de 500W, frequência de comutação de 50kHz com controle e modulação baseados em FPGA, de forma a validar a análise teórica e a curva de rendimento do conversor.

Title: STEADY-STATE AND DYNAMIC ANALYSIS OF THE QUADRATIC DOUBLE-BUCK DC-DC CONVERTER

Keywords: Control, Double Quadratic Buck Converter, modeling

Abstract
In this article, the quadratic double buck non-isolated DC-DC converter will be presented. This topology has the advantages of robustness, reliability and high static conversion rate, in addition to reducing the voltage efforts on the switches by half the value compared to the conventional quadratic buck converter. Topological symmetry simplifies the theoretical analysis of the converter. Initially, a static analysis is performed, presenting the operation steps of the converter with its waveforms. Afterwards, the static gain curve in continuous conduction mode is presented, as well as the conduction modes to obtain the curve of the external characteristic of the converter. In addition to the static model, the dynamic model and the control of the input current and the output voltage are presented. Finally, a 500W prototype, 50kHz switching frequency with control and modulation based on FPGA is built, in order to validate the theoretical analysis and the efficiency curve of the converter.

[1] R. D. Middlebrook, “Transformerless DC-to-DC converters with large conversion ratios,” in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 3, no. 4, pp. 484-488, Oct. 1988.
Doi: https://doi.org/10.1109/63.17970

[2] D. Maksimovic and S. Cuk, “General properties and synthesis of PWM DC-to-DC converters,” 20th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Milwaukee, WI, USA, 1989, pp. 515-525 vol.2.
Doi: https://doi.org/10.1109/PESC.1989.48529

[3] D. Maksimovic and S. Cuk, “Switching converters with wide DC conversion range,” in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 6, no. 1, pp. 151-157, Jan. 1991.
Doi: https://doi.org/10.1109/63.65013

[4] L. dos Reis Barbosa, J. B. Vieira, L. C. de Freitas, M. da Silva Vilela and V. J. Farias, “A buck quadratic PWM soft-switching converter using a single active switch,” in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 14, no. 3, pp. 445-453, May 1999.
Doi: https://doi.org/10.1109/63.761688

[5] J. A. Morales-Saldana, J. Leyva-Ramos, E. E. Carbajal-Gutierrez and M. G. Ortiz-Lopez, “Average Current-Mode Control Scheme for a Quadratic Buck Converter With a Single Switch,” in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 1, pp. 485-490, Jan. 2008.
Doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.910907

[6] K. Karaket and C. Bunlaksananusorn, “Modeling of a quadratic buck converter,” The 8th Electrical Engineering/ Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI) Association of Thailand – Conference 2011, Khon Kaen, Thailand, 2011, pp. 764-767.
Doi: https://doi.org/10.1109/ECTICON.2011.5947952

[7] A. J. B. Bottion, Conversores CC-CC Básicos Não Isolados de Três Níveis, Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Set. 2005.

[8] M. G. Bottarelli, Conversores CC-CC Básicos Não Isolados Quadráticos de Três Níveis, Dissertação, Universidade Federal de Santa Catarina, Dez. 2006.

[9] C. Knaesel, L. Michels, A. Batshauer, M. Mezaroba, “Conversor CC-CC Isolado de Alto Ganho para Integração em Módulos Fotovoltaicos”, Eletrônica de Potência – SOBRAEP, vol. 24, no. 4, pp. 482–493, Dezembro 2019.
Doi: http://dx.doi.org/10.18618/REP.2019.4.0042

[10] F. L. de Sá, C. V. B. Eiterer, D. Ruiz-Caballero and S. A. Mussa, “Double Quadratic Buck Converter,” 2013 Brazilian Power Electronics Conference, Gramado, Brazil, 2013, pp. 36-43.
Doi: https://doi.org/10.1109/COBEP.2013.6785092

[11] F. L. e Sá, Conversores CC CC com Elevada Taxa de Conversão Estática, Tese, Universidade Federal de Santa Catarina, Nov. 2014.

[12] J. I. L. Seguel, Projeto de um sistema fotovoltaico autônomo de suprimento de energia usando técnica MPPT e controle digital, Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, Ago. 2009.

[13] J. Xiao, A. Peterchev, J. Zhang and S. Sanders, “An ultra-low-power digitally-controlled buck converter IC for cellular phone applications,” Nineteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2004. APEC ’04., Anaheim, CA, USA, 2004, pp. 383-391 Vol.1, doi: 10.1109/APEC.2004.1295838.
Doi: https://doi.org/10.1109/APEC.2004.1295838

[14] B. C. Babu, Sriharsha, A. Kumar, N. Saroagi and S. R. Samantaray, “Design and Implementation of Low Power Smart PV Energy System for Portable Applications Using Synchronous Buck Converter,” 2011 International Symposium on Electronic System Design, Kochi, India, 2011, pp. 260-266.
Doi: https://doi.org/10.1109/ISED.2011.56

[15] W. Liou, M. Yeh and Y. L. Kuo, “A High Efficiency Dual-Mode Buck Converter IC For Portable Applications,” in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 2, pp. 667-677, March 2008.
Doi: https://doi.org/10.1109/TPEL.2007.915047

[16] J. S. Brand, M. F. Melo, M. A. D. Alonso, M. Costa, “Análise da transferência de ondulação de baixa frequência em conversores operando em MCD para drivers de LED”, Eletrônica de Potência- SOBRAEP, vol. 25, no. 1, pp. 9–18, 2020, doi:10.18618/REP.2020.1.0059.
Doi: http://dx.doi.org/10.18618/REP.2020.1.0059

[17] 17. R. G. A. Cacau, T. B. Lazzarin, M. C. T.Villanueva, I. Barbi, “Study of high step-up gain DC-DC converters based on stacking of non-isolated topologies”, Eletrônica de Potência – SOBRAEP, vol. 23, no. 4, pp. 505–515, Dezembro 2018.
Doi: http://dx.doi.org/10.18618/REP.2018.4.0029

[18] R. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Lectures on Power Electronics, second ed.,USA: Chapman & Hall, 2001. doi:10.1007/978-0-306-48048-5

[19] S. M. Cuk, Modelling, Analysis, and Design of Switching Converters, Thesis for degree of doctor, California Institute of Technology Pasadena, 1977.doi:10.7907/SNGW-0660.

[20] D. C. Martins, I. Barbi, Conversores CC-CC Básicos Não Isolados, Eletrônica de Potência, segunda ed., Edição dos Autores, Florianópolis – SC, 2006.

[21] A. Kumar, S. L. Patil and S. K. Panday, “Modeling and control of DC-DC buck converter using SMC,” 2015 International Conference on Industrial Instrumentation and Control (ICIC), Pune, India, 2015, pp. 1406-1411, doi: 10.1109/IIC.2015.7150969.
Doi: https://doi.org/10.1109/IIC.2015.7150969

[22] INTEL, FPGA BeMicro Max 10, “Intel® MAX® 10FPGA Development Kits and Boards”, Online, 2020, URL:www.intel.com.br.