Este trabalho trata sobre a utilização de técnicas de comutação suave aplicadas `a conversores estáticos de potência. A técnica analisada em particular consiste em proporcionar comutação em zero de tensão aos interruptores controlados, sendo referenciada na literatura como Zero Voltage Switching (ZVS). Dentre as diversas topologias de circuitos que implementam a técnica ZVS, neste trabalho é utilizada uma célula de comutação Zero Voltage Transition (ZVT), no qual utiliza interruptores controlados e elementos em paralelo com o circuito principal. O foco do trabalho é a aplicação desta célula ZVT a um conversor CC-CA PWM monofásico com saída senoidal. Nesse sentido inicialmente é feita uma revisão das topologias básicas dos inversores, é das técnicas PWM utilizadas para obtenção de saída senoidal. São apresentados os circuitos ZVT convencional e aprimorado descritos na literatura, no qual o ZVT aprimorado é empregado ao conversor CC-CA ponte completa. São apresentadas as etapas de funcionamento e análise matemática. É descrita uma metodologia de projeto para a determinação dos componentes do circuito auxiliar, com base em restrições definidas para o correto funcionamento da célula e das características dos semicondutores utilizados como chave. Um protótipo do conversor é implementado em laboratório para a validação do projeto, verificação das formas de onda nos interruptores e análise do rendimento. Outros dois circuitos de auxílio à comutação são implementados para efeitos de comparação, sendo o circuito ZVT convencional e o dissipativo snubber de Undeland. Os resultados experimentais comprovam a obtenção da comutação suave nos interruptores e o conversor apresentou rendimento de no mínimo 1% superior ao ZVT convencional e 2% ao snubber de Undeland, valores estes para toda a faixa de carga. / This paper discusses above the application of soft-switching techniques to static power conver-ters. The technique discussed in particular consists in provide zero voltage switching (ZVS) to controlled switches. Among the various circuit topologies to implement the ZVS technique, in this work is used a cell Zero-Voltage Transition (ZVT), in which uses controlled switches and elements in parallel with the main circuit. The main objective of the work is the application of this cell ZVT to a single-phase PWM inverter with sinusoidal output. In this sense initially is made a review of the basic topologies of inverters , and of the PWM techniques used to obtain sinusoidal output. Are presented the circuits ZVT conventional and improved described in the literature, in which the improved ZVT is employed on DC-AC full bridge converter. Steps of operation and mathematical analysis are presented. A design methodology is described for the determination of the components of the auxiliary circuit, based on constraints set for the correct functioning of the cell and of the characteristics of semiconductor. A prototype of the converter is implemented in the laboratory for the validation of the project, verification of waveforms the switches and analysis of efficiency. This converter is compared with other two circuits, ZVT conventional and the Undeland snubber. Experimental results show the achievement of soft switching the switches and the converter presenting an efficiency of at least 1% over for the ZVT conventional and 2% to the undeland snubber, these values for all load range.

CAPES / Este trabalho apresenta um estudo voltado ao projeto e desenvolvimento de um emulador de painéis fotovoltaicos. O emulador é composto por uma fonte de alimentação de 4 kW capaz de fornecer tensões e correntes cujo comportamento se assemelha ao comportamento de um arranjo de painéis fotovoltaicos. A estrutura de potência da fonte de alimentação é constituída por um conversor CC-CC Full-Bridge trifásico. Este conversor, isolado em alta frequência, garante menor volume e segurança para um equipamento de laboratório. Estima-se que este trabalho possa ser aplicado no teste de inversores fotovoltaicos com métodos de MPPT com respostas dinâmicas de até 300Hz. A estratégia de controle se baseia na solução numérica do modelo matemático de uma célula fotovoltaica de onde se extrai uma referência de corrente que, a partir de adequações, é imposta à carga ligada ao emulador. Desta forma, é apresentada uma metodologia de projeto da fonte de alimentação proposta. Por fim, são apresentados os resultados práticos que comprovam a funcionalidade do emulador. / This work presents a study, design, and development of a 4 kW photovoltaic array emulator. The emulator is composed of a power supply capable of delivering voltages and currents whose behavior resembles the behavior of a photovoltaic array. The structure of this power supply consists of a three-phase full-bridge DC-DC converter. This high frequency isolated converter provides a smaller volume and ensures safety for laboratory equipment. This work can be applied to test photovoltaic inverters with MPPT methods and dynamic responses up to 300Hz. The control strategy is based on the numerical solution of the mathematical model of a photovoltaic cell from which is extracted a reference current to the control of the emulator. The methodology applied to design the proposed power supply is also presented. Finally, the design, simulation, and practical results of the emulator are shown to prove its operation.

CAPES / Este trabalho aborda a aplicação de uma célula de comutação suave para um conversor matricial. No início do trabalho são apresentadas as características do conversor, apontando suas vantagens e desvantagens. Na sequência, é realizado o estudo da técnica de comutação suave, conhecida como ZVT, que caracteriza-se por não apresentar elementos em série com o circuito matricial. Essa técnica permite que as comutações do conversor matricial ocorram em zero de tensão (ZVS). Para que isso seja possível é utilizado um circuito auxiliar de comutação (CAC). Este circuito tem por finalidade desviar parte do fluxo de potência, permitir a comutação entre as fases do conversor matricial e, na sequência devolver essa energia para a carga. Ainda, esse mesmo circuito realiza as suas comutações, também com condições nulas, isto é, em zero de corrente (ZCS). Todas as etapas necessárias durante as comutações são analisadas; através dos planos de fase, circuitos e das expressões que determinam o tempo de duração de cada etapa. Algumas modificações na atuação do circuito auxiliar são propostas, com a finalidade de reduzir a energia necessária envolvida no processo de comutação. Por fim, para validar o estudo realizado foi implementada uma plataforma de estudos. Nessa plataforma, optou-se pela implementação de um conversor matricial com entrada trifásica e saída monofásica e um circuito auxiliar de comutação. Os resultados obtidos mostram que o circuito auxiliar permitiu que ocorressem as comutações das chaves semicondutoras do circuito matricial em zero de tensão. As modificações propostas possibilitaram que as comutações ocorressem de forma segura, além de garantir a condição nula nos semicondutores, com a redução da quantidade de energia envolvida no processo de comutação. / This paper discusses the application of a switching cell to a soft switching converter matrix. At the beginning of the work are presented the characteristics of the converter, pointing out their advantages and disadvantages. In the sequence, is performed the study on the soft switching technique, known as ZVT, which is characterized by not present the elements in series with the circuit matrix. This technique allows the converter switching matrix occur at zero voltage (ZVS). In order to make this possible is used an auxiliary switching circuit (cac). This circuit has the purpose to divert part of the ow of power, enabling switching between the phases of the matrix converter and, following return this energy to the load. Also, this same circuit performs its switching also with null conditions, i.e. at zero current (ZCS). All steps required during the commutations are analyzed; through phase circuits plans and expressions that determine the duration of each stage. Some changes in the performance of the auxiliary circuit are proposed in order to reduce the energy required in the process of switching. Finally, to validate the study was implemented a platform for studies. On this platform, we chose to implement a converter matrix with three-phase input and single phase output and a switching auxiliary circuit. The results show that the auxiliary circuit allowed to occur semiconductor switches of the switching matrix circuit at zero voltage. The proposed modifications have enabled the commutations occur in safe form, besides ensuring null condition in the semiconductor by reducing the amount of energy involved in the switching process.

CAPES / Este trabalho apresenta um estudo comparativo de perdas em semicondutores empregados em diferentes técnicas de comutação suave aplicadas a inversores alimentados em tensão para aplicações industriais. As técnicas a serem avaliadas são as de transição sob corrente e tensão nulas simultaneamente, conhecida como ZCZVT (Zero-Current and Zero-Voltage Transition). Para que possa ser realizada uma comparação de forma justa, é proposta uma metodologia de projeto do circuito auxiliar para os inversores ZCZVT com circuito auxiliar ressonante e ZCZVT com circuito auxiliar não ressonante, de tal forma que todos os Transistores Bipolares de Porta Isolada (Insulated Gate Bipolar Transistors – IGBTs) assistidos por estes circuitos de auxílio à comutação tenham condições de comutação semelhantes, i.e., comutem sob taxas de variação de tensão e corrente semelhantes. Para tanto, esta metodologia baseia-se nas restrições dinâmicas apresentadas pelos IGBTs em condições de comutação sob corrente e tensão nulas. A partir desta metodologia, tendo sido asseguradas as condições ideais de comutação para todos os IGBTs da ponte monofásica, desenvolveu-se um estudo comparativo dos esforços, perdas e limitações de cada um dos circuitos auxiliares (ressonante e não ressonante). As simulações dos inversores com a tecnologia de transistores IGBTs disponíveis no mercado serviu de base para a montagem de protótipos. Os protótipos são implementados através de um circuito de teste onde a estratégia de chaveamento dos dispositivos semicondutores é elaborada por meio de dispositivos lógicos programáveis de FPGA. Após a aquisição de dados experimentais, os mesmos são comparados com as simulações realizadas a fim de se determinar os reais benefícios e limitações de um inversor em relação ao outro. / This work presents a comparative study of semiconductor losses applied to Voltage Source Inverter - VSI for industrial drives applications with different soft-switching techniques. The evaluated techniques are Zero Current Zero Voltage Transition Inverters, known as ZCZVT. In order to make a fair comparison of them, it is proposed a unified design methodology for the auxiliary circuit of both ZCZVT inverters, with on-resonant auxiliary circuit, in such a way that all the IGBTs transistors assisted by theses auxiliary circuits have similar switching conditions, i.e., similar dv/dt and di/dt during transitions between the switches on and off states. Therefore, this methodology is based on the main physical constrains showed by IGBTs operating under switching conditions. By means of this methodology, the ideal conditions of switching for all IGBTs of the single phase bridge have being assured. Additionally, it was developed a comparative study of the stresses, losses and limitations of each one of the auxiliary circuits (resonant and non-resonant). The simulations of the inverters with some important IGBT technologies available on the market served as the basis to assembly the laboratory prototypes. The prototypes are implemented by a circuit under test with the switching strategy is developed using Field Programmable Gate Array - FPGA. After the experimental data acquisition, the results are compared with the simulations carried out in order to determine actual benefits and limitations of each inverter.

Renewable energy sources has been attracting great interest due to well known environment issues and, hence, the development of power electronics converters to deal with the transformation of these sources into conventional energy forms has been the main challenge faced by many researches working in this area of expertise. Within this subject, this paper focuses the establishment of a new control strategy applied to a step-down/step-up single-stage inverter with imposed waveforms of CSI inductor current and output voltage. The proposed control strategy provides high voltage gain without using high frequency transformer, which contributes to weigh and size reduction of the proposed DC-AC converter structure. Theoretical and simulation analysis are presented and corroborated by experimental results of a 180W laboratory prototype. / Atualmente, a utilização de fontes renováveis, tais como, solar, eólica, hidrogênio e outras, têm atraído grande interesse na área de geração de energia, em decorrência dos problemas ambientais que assolam o planeta. O desenvolvimento de novas tecnologias para se condicionar a energia e transforme-la em de forma viável em energia elétrica convencional já é uma realidade. Neste contexto, este trabalho de dissertação concentra-se, com o uso da eletrônica de potência, na concepção de um conversor estático de energia com uma nova proposta de controle. O trabalho proposto trata de um conversor CC-CA elevadorabaixador seguidor de tensão de único estágio. O uso deste conversor contribui para o uso de fontes de energia renováveis de forma barata e simples. A estratégia de controle trata de um novo conceito que faz com que o conversor opere de forma independente como um inversor elevador de único estágio sem a presença de um transformador ou pré-regulador. O elevado ganho de tensão se dá pela imposição de duas variáveis, corrente de entrada de uma estrutura inversora CSI e tensão de saída. A versatilidade deste equipamento o torna capaz de operar em diversos cenários, desde o uso em uma zona remota até a co-geração de energia. O desenvolvimento teórico e análise realizada por simulação computacional são apresentadas e comprovadas pelos resultados experimentais obtidos através da construção em laboratório de um protótipo de 180W. / Mestre em Ciências

Esta dissertação de mestrado propõe desenvolver a modulação vetorial (space vector – SV) para um inversor trifásico multinível híbrido assimétrico de nove níveis por fase com ponte-H em cascata (cascaded H-bridge – CHB). A verificação do desempenho ocorre através de simulações em software de simulação matemática, e posterior comparações entre duas simulações realizadas, como também a comparação da simulação de melhor desempenho com simulações obtidas com a modulação por síntese de formas de onda quase-quadradas e a modulação híbrida. Para tanto, inicialmente são revisadas as topologias de inversores de frequência mais tradicionais na literatura, identificando as suas características para justificar a escolha da topologia híbrida assimétrica. Posteriomente são revisados os métodos de modulação para inversores de frequência, identificando na modulação vetorial vantagens para sintetização das tensões de linha. Após, são relacioanados trabalhos envolvendo a modulação space vector aplicada em inversores multiníveis. Em seguida, a modulação SV é desenvolvida para o inversor trifásico multinível híbrido assimétrico de nove níveis por fase com ponte-H em cascata, sendo realizadas as seguintes etapas: definição dos possíveis vetores de comutação (estados de chaveamento) do inversor proposto no espaço tridimensional e no plano α-β; identificação dos planos limites e dos planos de separação dos setores no plano α-β; obtenção das matrizes de decomposição e; definição da sequência de comutação. Os resultados, obtidos por meio de software de simulação matemática, dos gráficos das tensões de fase e tensões de linha, assim como os valores de distorção harmônica total (total harmonic distortion – THD), fator de distorção de primeira ordem (first order distortion factor – DF1), tensão de modo comum, espectro harmônico dos sinais das tensões (de fase e de linha) são analisados, sendo os índices de THD, DF1 e tensão de modo comum comparados entre duas sequências de comutação diferentes para o inversor proposto. Também, os valores desses índices são comparados com outras técnicas de modulação (modulação por síntese de formas de onda quase-quadradas (QQ) e a modulação híbrida). O desenvolvimento e os resultados das simulações da modulação SV na topologia híbrida assimétrica de nove níveis proposta, assim como as análises das comparações, apontam resultados satisfatórios, identificando um potencial grandioso da modulação SV desenvolvida. / This dissertation proposes to develop the space vector (SV) modulation for a three phase hybrid asymmetric multilevel inverter of nine levels per phase with cascaded H-bridge (CHB). Performance verification occurs through software simulations, and subsequent comparisons between two simulations performed, as well as the comparison of the best performance simulation with simulations obtained with the step wave modulation and hybrid modulation. To do this, the topologies of more traditional frequency inverters are reviewed in the literature, identifying their characteristics to justify the choice of hybrid asymmetric topology. Subsequently, the modulation methods for frequency inverters are reviewed, identifying the advantages of vector modulation for the synthesis of line voltages. Afterwards, works involving the space vector modulation applied in multilevel inverters are related. Then, the SV modulation is developed for a three phase hybrid asymmetric multilevel inverter of nine levels per phase with cascaded H-bridge (CHB). The following steps are performed: definition of the possible switching vectors (switching states) of the proposed inverter in three-dimensional space and in the plane α-β; identification of boundary planes and separation plans of sectors in the α-β plane; obtaining the decomposition matrices e; definition of the switching sequence. The results, obtained through mathematical simulation software, of the phase voltages and line voltages graphs, as well as the values of total harmonic distortion (THD), first order distortion factor (DF1), common mode voltage, harmonic spectrum of the voltage signals (phase and line) are analyzed, with THD, DF1 and common mode voltage indices being compared between two different switching sequences for the proposed inverter. In addition, the values of these indices are compared with other modulation techniques (step wave modulation and hybrid modulation). The development and results of the SV modulation simulations in the nine-level hybrid asymmetric topology proposed, as well as the comparative analyzes, indicate satisfactory results, identifying a great potential for SV modulation developed.

CAPES / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de metodologias para dimensionamento de filtros passivos para conversores estáticos de potência conectados à rede ou em operação como fonte ininterrupta de energia, do Inglês, Uninterruptible Power Supply (UPS). São apresentadas novas metodologias para o dimensionamento de filtro indutivo (L) e filtro indutivo-capacitivo-indutivo (LCL) para conexão de conversores à rede de distribuição e uma metodologia para o dimensionamento de filtro indutivo-capacitivo (LC) para conversores estáticos operando como UPS. Para o filtro L, são apresentadas metodologias baseadas no valor do pico da ondulação de corrente no indutor ou em funções de transferência dos circuitos equivalentes e objetivam garantir que a distorção harmônica total de corrente (DHTi) no ponto de conexão comum não ultrapasse os valores estabelecidos por normas específicas. Para a metodologia proposta para o filtro LCL, além da DHTi, a frequência de ressonância ( fres), o coeficiente de amortecimento (x ) e fator de potência no ponto de conexão comum (FP) são parâmetros de projeto a serem atendidos pelo filtro projetado. A metodologia de dimensionamento de filtro é baseada em funções de transferência de circuitos equivalentes. Para o filtro LC, a metodologia também é baseada na função de transferência de um circuito equivalente e utiliza como parâmetros de projeto que devem ser atendido, a distorção harmônica total de tensão (DHTv) sobre a carga e o coeficiente de amortecimento. Para a verificação das metodologias propostas são utilizadas simulações computacionais por meio do software PSIM e, posteriormente, são apresentados resultados de ensaios experimentais utilizando-se de uma plataforma experimental desenvolvida para este fim para corroborar as propostas de projeto dos filtros L, LC e LCL. / This work presents the development of design methodologies for passive filters for static power converters connected to the network or operating in islanded mode. Methodologies for the design of inductive (L) filter and inductive-capacitive-inductive (LCL) filter for network connection and inductive-capacitive filter (LC) for converters operating as uninterruptible power supply (UPS) will be presented. For the L filter, methodologies based on the peak value of the current ripple in the inductor or on transfer functions of equivalent circuits are presented and aim to ensure that the total harmonic distortion of current (THDi) in the point of common connection does not exceed the values defined by specific rules. For the proposed methodology for the LCL filter, in addition to THDi, the resonance frequency, the damping coefficient of filter and the power factor in the point of common connection are design parameters to be met by the filter designed. The filter design methodology is based on equivalent circuit. The total harmonic distortion of voltage (THDv) and the damping coefficient are considered as design parameters. To corroborate the proposal, PSIM simulations are used and experimental results are also presented.

CAPES / Este trabalho traz um estudo da aplicação do conversor Full-Bridge bidirecional como um carregador de banco de baterias em um barramento CC de fontes de energia renováveis. O problema principal destas fontes é que são sazonais e não oferecem uma continuidade de fornecimento de potência. Assim, o uso de banco de baterias, conectado a um barramento CC compartilhado com outras fontes renováveis traz contribuições na continuidade do fornecimento de energia. O conversor proposto neste trabalho visa conectar o banco de baterias ao barramento CC e ao mesmo tempo que faz a integração dos modos de carga e descarga em um único conversor. Adicionalmente, para reduzir volume, é utilizado um transformador planar que oferece alta eficiência (máximo de 99,5%) e uma reduzida relação volume/potência. O conversor foi desenvolvido para carregar um banco de baterias de 192V. No modo de descarga, ele é suado para alimentar um barramento CC de 400V com uma potência máxima de 1,34kW. Apesar do uso do conversor full-bridge não ser novidade nestes tipos de aplicação, dois fatores serviram de motivação para este trabalho: o uso do transformador planar e a tendência mundial de integração de fontes renováveis. / This work presents a study of the application of the Full-bridge bidirectional DC converter as a battery bank charger in a DC bus of renewable energy sources. The main problem is that these sources are seasonal and do not offer a continuously power supply. Thus, the use of a battery bank connected to a DC bus shared with other renewable sources brings contributions in the continuity of power supply. The converter proposed in this work aims to connect the battery bank to the DC bus at the same time it integrates the charging and discharging modes into a single converter. Additionally, to reduce the volume, it is used a planar transformer that provides high efficiency (up to 99.5%) and a reduced volume/power ratio. The converter is designed to charge a bank of batteries of 192V. At the discharge mode, it is designed to feed a 400V DC bus with maximum power of 1.34 kW. Despite the use of the full-bridge converter is not new in these types of application, two factors served as motivation for this work: the use of planar transformer and the global trend of integration of renewable sources.

Capes / Este trabalho apresenta as análises qualitativa e quantitativa que descrevem o princípio de operação de duas topologias de conversores CC-CC integrados boost-flyback com interleaving generalizado em malha aberta. A primeira topologia corresponde à solução convencional, sendo que uma análise matemática generalizada para qualquer quantidade de células de interleaving é desenvolvida. A segunda topologia é proposta com o intuito de garantir comutação suave em todos os interruptores do circuito. Possibilitando assim, a redução das perdas por comutação do conversor e tornando viável a sua operação com maiores valores de frequência de comutação. Novamente, uma análise matemática generalizada é desenvolvida fornecendo uma descrição genérica da operação do conversor com uma quantidade qualquer de células de interleaving. Os principais resultados das análises são inicialmente validados com simulações computacionais. Para a verificação experimental, foi construído um protótipo de 500 W, 48 V de tensão de entrada, 400 V de tensão de saída operando com frequência de comutação de 100 kHz. Potenciais aplicações da proposta são sistemas de conversão de energia que requerem elevado ganho de tensão com elevado rendimento, tais como sistemas fotovoltaicos, célula a combustível e pequenos aerogeradores. / This work presents the qualitative and quantitative analyses describing the open loop operation principle of two integrated boost-flyback dc-dc converters with generalized interleaving. The first topology corresponds to the conventional solution, and a generalized mathematical analysis valid for any number of channels is carried out. A second topology is proposed to guarantee soft switching for all the circuit’s switches. Thus allowing the reduction of the switching losses and making viable its operation with higher values of switching frequency. Again, a generalized mathematical analysis is performed, thus providing a generic description of the converter’s operation for any number of interleaving channels. The main analyses results are initially validated by means of computer-aided simulations. For experimental validation purpose, a 500 W, 48 V input voltage, 400 V output voltage operating at switching frequency of 100 kHz was built. Potential application of the proposal are energy conversion systems requiring high voltage gain and high efficiency, such as photovoltaic, fuel-cell and small-scale wind energy systems.

CAPES / Este trabalho apresenta um sistema eletrônico com entrada universal utilizando um retificador SEPIC não isolado para fornecer e controlar a corrente de LEDs de potência. Um Snubber regenerativo que reduz as perdas de comutação e melhora a eficiência do sistema é proposto. Para realizar a dimerização, bem como reduzir a ondulação da corrente nos LEDs, um regulador linear de corrente é conectado na saída do conversor SEPIC. A utilização do regulador linear também permite que o conversor opere com entrada universal sem a utilização de circuitos adicionais. Para evitar perdas excessivas, o regulador é configurado para operar na região limiar da regulação. O ponto de perda mínimo do regulador é ajustado através de um circuito detector de mínimo com o sistema operando em malha fechada. As etapas de operação, as formas de onda e as principais equações do snubber regenerativo aplicado ao SEPIC são descritas no trabalho. Para verificar e validar a análise teórica são apresentados dois protótipos com potências de saída de 42 W e 145 W, variando de 15% a 100%, para o conversor operando com tensão de entrada de 90 a 240 V e alimentado 35 LEDs conectados em série. / This paper presents a universal-input AC electronic lighting system using a non-isolated SEPIC PFC rectifier to drive and control power LEDs currents. One energy regenerative snubber for reducing the converter switching losses and improve the system efficiency is proposed. The dimmable flicker-free current in the LEDs array is obtained through a linear current regulator placed in the SEPIC’s output terminals. In order to reduce the efficiency impairment, the conditions for achieving minimum energy loss in the current regulator are also detailed. Point of minimum energy loss in the linear regulator is adjusted through valley detector circuit in closed loop system operation. The operation stages as well as the theoretical waveforms and main equations at steady state of the proposed SEPIC rectifier using the regenerative snubber are described. To verify the theoretical analysis carried out, experimental results of two prototypes (42 W and 145 W) operating from 90 to 240 V and output power from 15 to 100% for 35 LEDs are also presented.