This master thesis present the analysis of a power module with cascaded converters applied to solid state transformers. The power module is built by an AC-DC input stage, constituted by full-bridge topology, an DC-DC intermediate isolated stage, formed by the dual active bridge converter (DAB), and an DC-AC output stage composed of full-bridge topology. The central study developed is based on the investigation of the dynamic interactions impedances in the connection points of the converters and power module stability. The criterion of Middlebrook is applied as the basis for determining the margin of interaction of the coupling between rectifier/DAB and DAB/inverter and definition of critical parameters of power and control for the characteristics of the impedance of each stage. The criterion of Nyquist is applied to study the stability margin of the couplings. Due to the inverter operation, there is a significant second harmonic current that generating voltage ripple at 120 Hz in the DC bus that interconnects the power converters. In this sense, this master thesis contributes presenting a theoretical analysis of the effects of voltage ripples in the operation and performance of the power circuit and control system of the DAB converter. The methods of PI control and PI-notch in DAB control system are explored, highlighting that the inclusion of notch filter performs better by enabling the mitigation of the negative effects introduced by the voltage ripple at 120 Hz. Moreover, a methodology study and PI of the project is proposal to achieve better results with this method of control, from the point of view of stability and performance. Experimental and simulation results of the system are included to demonstrate the developed analysis. / Esta dissertação de mestrado apresenta o estudo de um módulo de potência com conversores em cascata aplicado a transformadores de estado sólido. O módulo de potência é integrado por um estágio CA-CC de entrada, constituído pela topologia full-bridge, um estágio intermediário CC-CC isolado, formado pelo conversor dual-active bridge (DAB) e um estágio CC-CA de saída composto pela topologia full-bridge. O estudo central desenvolvido baseia-se na investigação das interações dinâmicas de impedâncias nos pontos de acoplamento dos conversores e da estabilidade do módulo de potência, a partir das impedâncias de entrada e saída de cada estágio. O critério das impedâncias de Middlebrook é utilizado como base para determinação da margem de interação entre os acoplamentos retificador/DAB e DAB/inversor e definição dos parâmetros de potência e controle críticos para as características das impedâncias de cada estágio. O critério da estabilidade de Nyquist é aplicado para o estudo da margem de estabilidade dos acoplamentos. Devido à operação do inversor, há um significativo segundo harmônico de corrente que gera ondulações de tensão em 120 Hz no barramento CC que interliga os conversores de potência. Neste sentido, esta dissertação de mestrado contribui apresentando uma análise teórica dos efeitos das ondulações de tensão na operação e desempenho do circuito de potência e sistema de controle do conversor DAB. São explorados os métodos de controle PI e PI-notch no sistema de controle do DAB, destacando que a inclusão do filtro notch apresenta melhores resultados por possibilitar a atenuação dos efeitos negativos introduzidos pelas ondulações de tensão em 120 Hz. Junto a isso, uma metodologia de estudo e projeto do PI é proposta visando alcançar melhores resultados com este método de controle, do ponto de vista de estabilidade e rendimento. Resultados experimentais e de simulação do sistema são incluídos de modo a comprovar a análise desenvolvida.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis presents a design methodology for the dual active bridge converter, that includes the influence of the nominal phase-shift angle in the behavior of the DAB converter for entire power and voltage ranges. The analysis presented focus on two important performance parameters of the DAB converter: the nonactive power and the limits of ZVS operation. The study of these two parameters results in a prior knowledge of the qualitative characteristics of the conduction and switching losses, respectively. Using this knowledge it is possible to optimize the converter operation considering the priorities of application performance. The experimental results were performed for three different projects nominal angles and three different input voltages for the whole load range, and they prove the feasibility of the proposed analysis. The analyse of the limit ZVS area took into account the switches intrinsic capacitances, and the dead time between the complementary switches. The DAB converter placed at a three-stage structure applied to solid state transformer, has voltage ripple at low frequency in their bus voltages because of the connection into the distribution network. Thus, it becomes possible to apply a low frequency burst mode modulation, without needing to oversize the bus capacitors. Three burst mode modulations are evaluated in simulation. The modulation which performed better results in simulation was implemented in practice, and the experimental results showed significant improvement in the converter´s efficiency when it is operating in light loads. Finally, a discussion of the parameters to be evaluated for the DAB converter´s design is proposed. / Esta tese de doutorado apresenta uma metodologia de projeto do conversor DAB, a qual inclui a influência do ângulo nominal de defasagem no comportamento do conversor DAB para toda faixa de potência e de tensão. Além disso, as análises focam em dois importantes parâmetros de desempenho do conversor DAB: a potência não ativa e os limites de operação com ZVS. O estudo destes dois parâmetros resulta em um conhecimento prévio das características qualitativas das perdas de condução e comutação, respectivamente. Através deste conhecimento é possível otimizar a operação do conversor considerando as prioridades de desempenho da aplicação. Os resultados experimentais, que comprovam as análises referentes à potência não ativa e aos limites de operação com ZVS, são realizados para três diferentes projetos de ângulos nominais e três diferentes tensões de entrada, para toda faixa de operação de carga. O estudo dos pontos de perda de ZVS considerou as capacitâncias intrínsecas dos interruptores e o tempo morto entre os interruptores complementares. O conversor DAB funcionando em uma estrutura de três estágios, aplicado a transformadores de estado sólido, apresenta ondulação de tensão em baixa frequência em seus barramentos, provinente da conexão da estrutura na rede de distribuição. Deste modo, torna-se possível a aplicação de modulações de baixa frequência do tipo burst, sem a necessidade de sobredimensionamento dos capacitores. Três modulações são realizadas e avaliadas em simulação. A modulação que apresentou melhores resultados em simulação foi implementada na prática, e os resultados experimentais mostraram melhora significativa da eficiência do conversor em baixas cargas. Por fim, uma discussão sobre as considerações a serem avaliadas nos parâmetros de projeto do conversor DAB é proposta.