Piecewise Fryze power theory analysis applied to PWM DC–DC converters

Abstract

This study proposes an extension to the well-known Fryze power theory, which allows the development of a mathematical procedure that defines a global factor for the active and non-active power processing in pulse-width modulated (PWM) dc-dc converters. This global factor is the dc power factor. The proposed extension is a vector representation of periodic currents and voltages mapped into a k-dimensional Euclidean space, which permits that all non-active power of all converter elements to be collected into a single figure of merit. To validate the approaches, a 220 W prototype of an isolated dc-dc Ćuk converter architecture was implemented and evaluated. Experimental results have confirmed that both total non-active power, the proposed dc power factor, and system efficiency are correlated. In the worst case of step-down mode, the converter prototype presented the lowest total non-active power of ∼25 var for the turns ratio of 0.567, resulting in the highest dc power factor of 0.135 and prototype efficiency of 80.6%. In step-up mode, it was obtained the lowest total non-active power of ∼1.14 kvar for the turns ratio of 1.764, resulting in the highest efficiency of 88.3% and dc power factor of 0.145.

Processamento Parcial de Potência em Aplicações Fotovoltaicas Empregando Conversores H-Bridge/Push–Pull

“…C. Potência Não-Ativa Processada pelo SHB/CFPP Para avaliar o processamento de potência não-ativa, neste trabalho utiliza-se o procedimento matemático proposto em [18], o qual é baseado na teoria de Fryze das potências [20].…”

“…Por outro lado, a ferramenta de análise desenvolvida em [18] baseia-se na decomposição vetorial por partes das variáveis provenientes da abordagem de Fryze. Este procedimento culmina no cálculo da potência não-ativa total processada (N t ) por conversores CC-CC, em decorrência das parcelas produzidas nos terminais de entrada e saída, pela comutação dos dispositivos semicondutores e pelo armazenamento de energia nos indutores e capacitores.…”

“…1) Fator de potência CC: A utilização das propriedades de Fryze juntamente com o cálculo da potência não-ativa total processada possibilita a análise do fator de potência (PF, do inglês power factor) em conversores CC-CC. A figura de mérito proposta em [18] é denominada fator de potência CC ou fator de potência de Fryze (F ),…”

“…As vantagens apresentadas pelos S-CPCs têm induzido a maioria dos trabalhos à interpretação errônea de que basta reduzir a potência ativa processada para que a eficiência global seja superior àquela obtida com uma topologia convencional conectada em cascata com a fonte e a carga [2], [4], [17]. Porém, as perdas nos componentes dos conversores não são devidas apenas à potência ativa (P), mas também à potência não-ativa (N), a qual provém da energia que não resulta em potência útil [18], [19]. Em síntese, a conexão série é uma condição necessária para a realização do PPP em S-CPCs, mas somente uma análise minuciosa em termos da potência nãoativa processada pode estabelecer quais S-CPCs são capazes de realizar o PPP, e quais são os parâmetros de projeto e otimizações necessárias para que isto seja alcançado.…”

“…Estes S-CPCs são aplicados em arquiteturas string/multistring de sistemas FV conectados à rede elétrica. Para avaliar o processamento de potência ativa e não-ativa, utiliza-se um procedimento baseado na teoria de Fryze das potências [20], cujos princípios embasam a definição de um fator global para o processamento de potência em conversores CC-CC [18]. Para validar as abordagens, três protótipos de 2200 W foram construídos e ensaiados para uma aplicação FV.…”