Revista Eletrônica de Potência (Brazilian Journal of Power Electronics)

Palavras Chaves: Correção do fator de potência, Modo de Condução Descontínuo, Retificador Cuk Bridgeless

Resumo

Este artigo contribui com a análise estática, dinâmica e a verificação experimental de um retificador Cuk bridgeless monofásico operando no modo de
condução descontínuo (DCM). A ausência de uma ponte retificadora de entrada e a presença de apenas dois semicondutores de potência no caminho da corrente
reduz as perdas em comparação com o retificador Cuk convencional. Os dois interruptores são controlados simultaneamente através de um único pulso de comando, o que reduz a complexidade do circuito de acionamento. O alto fator de potência é naturalmente obtido por meio do DCM, sem a necessidade do controle da corrente de entrada. De modo a validar a análise teórica desenvolvida, foi construído um protótipo de laboratório de 300 W, com tensão eficaz de entrada de 220 V e tensão de saída de 96 V. São demonstrados resultados experimentais com malha de controle da tensão de saída do conversor, o qual, em potência nominal, apresentou um rendimento de 93,3 % e uma corrente de entrada com THD menor que 3 %.

Title: Single-Phase Cuk Bridgeless Rectifier Operating in DCM

Keywords: Cuk Bridgeless Rectifier, Discontinuous Conduction Mode, Power Factor Correction

Abstract

This paper presents the static/dynamic analysis and experimental implementation of a single-phase Cuk rectifier operating in discontinuous conduction mode (DCM). The lack of an input diode bridge and the presence of only two semiconductor switches in the current flowing path reduces the losses compared to the conventional Cuk rectifier. Switches are commanded by a single pulse, which reduces the complexity of driver circuit. High power factor is naturally obtained through the DCM, without the need of a current control. In order to validate the theoretical analysis, a prototype of 300 W was built, with input voltage of 220 Vrms and 96 V of output voltage. Experimental results for the output voltage closed-loop control are presented. The converter achieved 93,3 % of efficiency and input current THD less
than 3 % in rated power.

[1] G. Tibola, Conversor CA-CC trifásico em estágio único com isolamento em alta frequência baseado no conversor CC-CC SEPIC operando no modo de condução descontínuo, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2013.
[2] B. Singh, B. N. Singh, A. Chandra, K. Al-Haddad, A. Pandey, D. P. Kothari, “A review of single-phase improved power quality AC-DC converters”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 50, no. 5, pp. 962–981, 2003. (doi:10.1109/TIE.2003.817609)
[3] H. Z. Azazi, S. M. Ahmed, A. E. Lashine, “A review of single-phase improved power quality ACDC converters”, Nineteenth International Middle East Power Systems Conference (MEPCON), 2017.
[4] W. Y. Choi, J. M. Kwon, B. H. Kwon, “Highperformance front-end rectifier system for telecommunication power supplies”, IEE Proceedings – Electric Power Applications, vol. 153, no. 4, pp. 473–482, 2006. doi:10.1049/ip-epa:20050257)
[5] D. Patil, M. Sinha, V. Agarwal, “A cuk converter based bridgeless topology for high power factor fast battery charger for electric vechicle application”, IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), 2012.(doi:10.1109/ITEC.2012.6243481).
[6] F. Musavi, W. Eberle, W. G. Dunford, “A High-Performance Single-Phase Bridgeless Interleaved PFC Converter for Plug-in Hybrid Electric Vehicle Battery Chargers”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 47, no. 4, pp. 1833–1843, 2011. (doi:10.1109/TIA.2011.2156753).
[7] J. C. Fischer, J. A. da Silva, Y. R. de Novaes, S. V. G. Oliveira, “A front-end bridgeless power factor corrector for electric vehicle battery chargers”, Eletrônica de Potência, Joinvile, vol. 22, no. 4, pp. 389–397, 2017.(doi:10.18618/REP.2017.4.2707).
[8] V. Bist, B. Singh, A. Chandra, K. Al-Haddad, “An adjustable speed PFC bridgeless-SEPIC fed brushless DC motor drive”, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2015.(doi:10.1109/ECCE.2015.7310349).
[9] O. Garcia, J. Cobos, R. Prieto, P. Alou, J. Uceda, “Single phase power factor correction: a survey”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 18, no. 3, pp. 749–755, 2003.(doi:10.1109/TPEL.2003.810856).
[10] J. P. M. Figueiredo, F. L. Tofoli, B. L. A. Silva, “A review of single-phase PFC topologies based on the boost converter”, 9th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications, 2010. (doi:10.1109/INDUSCON.2010.5740015)
[11] C. H. I. Font, Retificadores trifásicos híbridos bidirecionais com fator de potência unitário, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2009
[12] W. Zhang, L. Ruan, P. Ye, “The design and analysis of power factor pre-regulator based on boost circuit”, Proceedings IPEMC 2000 Third International Power Electronics and Motion Control Conference, 2000. doi:10.1109/IPEMC.2000.884584)
[13] H. Wei, I. Batarseh, “Comparison of basic converter topologies for power factor correction”, Proceedings IEEE Southeastcon ’98 ’Engineering for a New Era’, 1998.(doi:10.1109/SECON.1998.673368).
[14] J. Chen, D. Maksimovic, R. Erickson, “A new lowstress buck-boost converter for universal-input PPC applications”, APEC 2001 Sixteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2002. doi:10.1109/APEC.2001.911670)
[15] J. Kolar, H. Ertl, F. Zach, “A novel three-phase single-switch discontinuous-mode AC-DC buck-boost converter with high-quality input current waveforms and isolated output”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 9, no. 2, pp. 160–172, 1994. (doi:10.1109/63.286809)
[16] U. Kamnarn, V. Chunkag, “Analysis and Design of a Modular Three-Phase AC-to-DC Converter Using CUK Rectifier Module With Nearly Unity Power Factor and Fast Dynamic Response”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 8, pp. 2000–2012, 2009.(doi:10.1109/TPEL.2009.2019575)
[17] G. Tibola, I. Barbi, “Isolated Three-Phase High Power Factor Rectifier Based on the SEPIC Converter Operating in Discontinuous Conduction Mode”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 11, pp. 4962–4969, 2013.(doi:10.1109/TPEL.2013.2247775)
[18] A. D. Callegaro, I. Barbi, D. T. da Silva Borges, D. C. Martins, “Retificador trifásico isolado modular com correção do fator de potência baseado no conversor zeta operando no modo de condução descontínuo”, Eletrônica de Potência, Joinvile, vol. 23, no. 2, pp. 204–215, 2018.(doi:10.18618/REP.2018.2.2768)
[19] D. S. L. Simonetti, J. Seastian, J. Uceda, “The discontinuous conduction mode Sepic and Cuk power factor preregulators: analysis and design”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 44, 1997. (doi:10.1109/41.633459)
[20] D. C. Martins, I. Barbi, Conversores CC-CC Básicos Não Isolados, 4 ed., Edição dos Autores, Florianópolis, 2011.
[21] A. A. Fardoun, E. H. Ismail, A. J. Sabzali, M. A. Al-Saffar, “A Comparison between Three Proposed Bridgeless Cuk Rectifiers and Conventional Topology for Power Factor Correction”, IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies (ICSET), 2010.(doi:10.1109/ICSET.2010.5684436)
[22] A. J. Sabzali, E. H. Ismail, M. A. Al-Saffar, A. A. Fardoun, “New bridgeless DCM Sepic and Cuk PFC rectifiers with low conduction and switching losses”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 47, 2011. (doi:10.1109/PEDS.2009.5385704).
[23] P. J. S. Costa, Retificadores Sepic monofásicos e trifásicos com elevação do ganho estático e redução dos esforços de tensão sobre os semicondutores, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2017.
[24] P. J. S. Costa, C. H. I. Font, T. B. Lazzarin, “SinglePhase Hybrid Switched-Capacitor Voltage-Doubler SEPIC PFC Rectifiers”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, pp. 5118–5130, 2017. (doi:10.1109/TPEL.2017.2737534)
[25] M. Yilmaz, P. T. Krein, “Review of Battery Charger Topologies, Charging Power Levels, and Infrastructure for Plug-In Electric and Hybrid Vehicles”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 5, pp. 2151–2169, 2013. (doi:10.1109/TPEL.2012.2212917).
[26] J. R. Nolasco, G. M. Soares, H. A. C. Braga, “High Power Factor Converter for LED Drivers Based on Isolated Cuk Topology”, ´ Simposio Brasileiro de Sistemas Eletricos (SBSE), 2018. (doi:10.1109/SBSE.2018.8395865)