Projeto modificado de conversor DC-DC de alta elevação baseado em TWCI com elementos reduzidos e baixa ondulação de corrente de entrada para aplicações renováveis

Transformando luz solar em energia utilizável

Painéis solares e células a combustível geram eletricidade limpa, mas normalmente fornecem tensões baixas que não são diretamente utilizáveis por microrredes residenciais, veículos elétricos ou sistemas industriais. Para preencher essa lacuna, os engenheiros dependem de circuitos eletrônicos “step-up” que elevam tensões baixas aos níveis mais altos necessários em um barramento de potência. Este artigo apresenta um novo tipo de conversor step-up que pode elevar a tensão de, por exemplo, 24 volts para cerca de 400 volts com alta eficiência, usando menos componentes e tratando a fonte de energia com mais suavidade do que muitos projetos existentes.

Por que os elevadores de tensão são importantes para a energia limpa

No interior de uma microrrede de corrente contínua (DC) moderna, muitos dispositivos compartilham uma espinha dorsal de alta tensão, frequentemente em torno de algumas centenas de volts. Painéis solares, baterias e células a combustível, porém, normalmente operam em algumas dezenas de volts. Os conversores entre esses mundos precisam fazer mais do que simplesmente aumentar a tensão: devem desperdiçar o mínimo de energia possível, manter as correntes suaves para evitar estresse em painéis e baterias, e permanecer acessíveis e compactos. Muitos projetos de alto ganho existentes alcançam alguns desses objetivos, mas falham em outros, sofrendo com grandes ondulações de corrente, estruturas complexas em múltiplos estágios ou alto estresse elétrico em componentes-chave.

Uma nova maneira de extrair mais tensão com menos hardware

Os autores propõem um conversor DC–DC não isolado construído em torno de um componente magnético especial de três enrolamentos. Esta peça, um indutor acoplado com três bobinas em um único núcleo, atua como um núcleo compacto de energia. Ao dispor cuidadosamente dois interruptores eletrônicos, alguns diodos e um par de capacitores ao redor desse núcleo, o circuito multiplica a tensão em etapas enquanto compartilha o estresse entre os componentes. O projeto alcança tensões de saída muito altas com ciclos de trabalho moderados, de modo que não é necessário forçar os interruptores a tempos de condução extremos que tipicamente aumentam as perdas e reduzem a confiabilidade.

Corrente mais suave e tratamento mais gentil da fonte

Muitos conversores de alto ganho anteriores extraem corrente da fonte em pulsos acentuados. Para painéis solares e células a combustível, esses pulsos podem reduzir a eficiência e complicar o rastreamento do ponto de máxima potência, o processo que os mantém operando em sua melhor condição. Em contraste, o novo circuito conduz a corrente de entrada através de um indutor de forma a mantê-la quase contínua, com baixa ondulação. Uma análise detalhada das diferentes etapas de operação mostra como a energia é movimentada entre o núcleo magnético e os capacitores para que a fonte veja sempre uma demanda relativamente estável. Ao mesmo tempo, a interação entre os três enrolamentos e os capacitores mantém a tensão vista pelos interruptores e diodos bem abaixo do nível de saída final, permitindo o uso de componentes de menor tensão nominal, mais baratos e mais eficientes.

Projeto cuidadoso, testes e comparação justa

Os pesquisadores vão além da ideia básica para determinar o dimensionamento necessário de indutores e capacitores para manter correntes e tensões dentro de limites seguros, e como escolher um núcleo magnético adequado para que não superaqueça ou sature. Em seguida, eles examinam onde a energia é dissipada em hardware real, incluindo as pequenas resistências em enrolamentos, interruptores, diodos e capacitores. Usando esses modelos, estimam a eficiência e também testam quão sensível é o desempenho a componentes menos ideais. Uma comparação lado a lado com muitos outros conversores publicados recentemente mostra que a abordagem deles oferece maior ganho de tensão para um dado nível de complexidade, menor estresse sobre os interruptores e ondulações significativamente menores na corrente de entrada.

Da teoria a um protótipo funcional

Para provar que o conceito funciona além das simulações, a equipe construiu um protótipo de 250 watts. Com entrada de 24 volts e uma frequência de comutação de 50 quilohertz, o hardware produziu cerca de 400 volts na saída. As medições das tensões e correntes em cada dispositivo corresponderam de perto às predições analíticas, incluindo a redução do estresse na maioria dos interruptores e diodos. Em uma ampla faixa de níveis de potência, de 80 a 400 watts, o conversor manteve sua eficiência acima de 90%, alcançando um pico em torno de 95%. Os testes também confirmaram a baixa ondulação na corrente de entrada e a capacidade de usar componentes padrão e prontamente disponíveis.

O que isso significa para sistemas renováveis futuros

Para leitores interessados na implantação prática da energia limpa, este trabalho demonstra uma forma de transferir mais potência de fontes de baixa tensão para redes de alta tensão sem penalidades em tamanho, custo ou confiabilidade. Ao combinar um esquema de enrolamento magnético inteligente com um conjunto enxuto de interruptores e capacitores, o conversor proposto fornece forte elevação de tensão, comportamento de corrente suave e alta eficiência em um pacote compacto. Esses circuitos podem facilitar a integração de painéis solares, células a combustível e bancos de baterias em microrredes DC e outros sistemas de energia emergentes, ajudando as fontes de energia limpa a se conectarem de forma mais fluida à infraestrutura do futuro.

Citação: Tehranidoost Tabrizi, M.H., Sabahi, M., Bannae Sharifian, M. et al. Modified design TWCI-based high step-up DC-DC converter with reduced elements and low input current ripple for renewable applications. Sci Rep 16, 8037 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37346-9

Palavras-chave: conversor DC-DC, indutor acoplado, energia renovável, microrrede DC, alto ganho de tensão