Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Quando um conversor opera com uma larga diferenÃa entre os nÃveis de tensÃo de entrada e de saÃda, normalmente à possÃvel identificar uma reduÃÃo significante no seu desempenho. A razÃo disto à o aumento da quantidade de energia processada, que primeiramente precisa ser armazenada em um elemento passivo (indutor), antes de ser entregue à carga. à possÃvel dizer que quÃo maior for a quantidade dessa energia âindiretaâ, menor serà a eficiÃncia do sistema. Tal situaÃÃo à especialmente crÃtica para inversores e retificadores com correÃÃo de fator de potÃncia (PFC), visto que a razÃo cÃclica dos interruptores abrange praticamente todos os possÃveis valores. Em casos em que a diferenÃa entre o valor de pico da tensÃo CA e o valor mÃdio da tensÃo CC à grande, o Ãndice de modulaÃÃo à desviado consideravelmente de 1 e, consequentemente, maiores perdas sÃo esperadas. Para lidar com tal situaÃÃo, à proposto um retificador com caracterÃstica abaixadora e elevadora utilizando uma funÃÃo chamada de bypass. Esta funÃÃo permite que o retificador escolha entre os dois barramentos o que melhor se adapta ao nÃvel de saÃda desejado em funÃÃo do ponto de operaÃÃo da tensÃo senoidal de entrada, maximizando a eficiÃncia. Algumas das vantagens esperadas com a utilizaÃÃo da funÃÃo bypass sÃo: reduÃÃo das perdas totais por meio da operaÃÃo parcial com estÃgio Ãnico; maior nÃmero de nÃveis de tensÃo, reduzindo a corrente de modo comum e o volume do filtro de entrada, alÃm de resultar em menores esforÃos de tensÃo sobre os semicondutores; e, finalmente, reduÃÃo de perdas adicionais e no tamanho do sistema, visto que o conversor Buck de saÃda à projetado para apenas uma fraÃÃo da potÃncia total. Em adiÃÃo, sÃo apresentadas possÃveis configuraÃÃes de conversores de potÃncia para o carregamento de baterias de veÃculos elÃtricos. Topologias de retificadores trifÃsicos com PFC com corrente de entrada senoidal e tensÃo de saÃda controlada sÃo analisadas e propostas, e suas funcionalidades e caracterÃsticas bÃsicas descritas brevemente. FÃrmulas analÃticas para o cÃlculo dos esforÃos de tensÃo e corrente sobre os semicondutores de potÃncia sÃo fornecidas. A fim de avaliar comparativamente o desempenho das topologias selecionadas, fatores adimensionais de referÃncia sÃo definidos com base nos esforÃos elÃtricos sobre os semicondutores e no volume dos indutores. As caracterÃsticas do sistema proposto, incluindo princÃpio de operaÃÃo, estratÃgia de modulaÃÃo, equaÃÃes de dimensionamento e cÃlculos de perdas e eficiÃncia, sÃo descritas em detalhes. Finalmente, a viabilidade do conceito de bypass à demonstrada por meio de resultados experimentais obtidos a partir de um protÃtipo de 22 kW. / When operating with large differences between input and output voltage levels, it is normally possible to identify a significant reduction on the performance of practically all topologies in regard of conversion efficiency. Reason for this is the increasing amount of processed energy that needs to be firstly stored in a passive element (inductor) before reaching the load. It is therefore possible to say that the higher the amount of such âindirectâ energy is; the lower will be the converter efficiency. Such situation is especially critical when considering the operation of inverters or controlled rectifiers with power factor correction (PFC) because the converter sweeps practically all the possible values of duty cycle. In the case the difference between peak AC value and DC value is large; the modulation index will strongly deviate from 1. Consequently, even higher amount of losses are expected. In order to deal with the above referred drawbacks, it is proposed a 5-level three-phase PFC rectifier with an innovative approach, named bypass concept. This function allows the converter to switch between one of the available DC-links that best matches the required output levels depending on the operating point of the sinus wave, thus maximizing the efficiency. Furthermore, the referred bypass function enables direct access to the required lower voltage level by the load, reducing significantly the amount of losses. The 5-level operation allows the voltage steps to be lower than those found in three and two-level topologies, from where lower harmonic contents, reduction of common mode current and EMI are observed. Finally, the output DC-DC converters are designed for only a fraction of the nominal power, having a rather reduced impact on additional losses and also on the converter size. In addition, possible power electronics configurations for charging of EVs are presented. Suitable three-phase PFC rectifier topologies with sinusoidal input currents and controlled output voltage are analyzed and proposed, and their functionality and basic characteristics briefly described. Analytical formulas for calculating the current stresses on the power semiconductors are provided, and in order to evaluate comparatively the performance of selected topologies, dimensionless benchmark factors are derived concerning the semiconductor stresses and the volume of the main inductive components. The characteristics of the proposed system, including the principle of operation, modulation strategy, dimensioning equations and calculated losses and efficiency, are described in detail. Finally, the feasibility of the bypass concept is demonstrated by means of experimental results obtained from a 22 kW hardware prototype.

nÃo hà / O presente trabalho propÃe o estudo do conversor boost CC-CC de alto ganho de tensÃo baseado na cÃlula de comutaÃÃo de trÃs estados e nas cÃlulas multiplicadoras de tensÃo (mc). Este trabalho investiga um modelo matemÃtico para o citado conversor. A anÃlise proposta à baseada na ferramenta âmodelagem do interruptor PWM para conversores CC-CCâ. O modelo deve ser encontrado por uma simples inspeÃÃo do circuito do conversor. Deve ser possÃvel aplicÃ-lo para realizar diversas anÃlises, como em regime permanente, regime transitÃria e anÃlise de pequenos sinais por meio de um uma abordagem unificada. Considerando um dado nÃmero de cÃlulas multiplicadoras de tensÃo, duas situaÃÃes sÃo analisadas com esta ferramenta: operaÃÃo com uma Ãnica cÃlula multiplicadora de tensÃo (mc=1) e vÃrias cÃlulas multiplicadoras de tensÃo (mc> 1). O mÃtodo proposto à validado por simulaÃÃes e à verificada sua efetividade. AlÃm disso, à analisado neste trabalho o controle modo corrente mÃdia convencional, o qual à aplicado em uma das configuraÃÃes em estudo. O rendimento do conversor e a efetividade do controlador proposto sÃo demonstrados por resultados experimentais para um protÃtipo do laboratÃrio de 1 kW. / The present work proposes the study of the boost converter based on three-state switching cell and voltage multipliers cells (mc). A mathematical model of the aforementioned converter is investigated here. The proposed analysis is based on the tool named âPWM-Switch Modeling of DC-DC Convertersâ. The model must be found by a simple inspection of the converterâs circuit. It is possible to apply such model in order to realize various analyses such as steady-state, transient, and small-signal analysis in a single and same model. Considering the number of voltage multipliers cells (mc), two situations are analyzed: operation with a single multiplier cell (mc=1) and operation with multiple voltage multiplier cells (mc>1).The proposed method was validated through simulations and its effectiveness was verified. In addition to this, conventional average current mode control is also applied to one of the studied configurations. The performance of the converter and the effectiveness of the proposed controller are demonstrated by experimental results obtained from a 1-kW laboratory prototype.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Este trabalho propÃe um conversor com capacitor chaveado para o acionamento de LEDS (Light Emitting Diodes) de potÃncia. Em contraste com circuitos de acionamento convencionais de corrente contÃnua, o pulso de corrente direcionado para os LEDs, à limitado pela potÃncia armazenada no capacitor chaveado. Neste circuito, o capacitor à carregado e descarregado atravÃs do circuito de saÃda e a direÃÃo do fluxo de corrente à controlada pelos interruptores. Baseado na anÃlise do controle de carga, os efeitos do comutaÃÃo no conversor proposto sÃo discriminados e avaliados. Os resultados experimentais demonstram a viabilidade tÃcnica de utilizar o conversor proposto para LEDs. / This paper proposes a switched-capacitor converter to drive power light emitting diodes (LEDs). In contrast to conventional constant dc current drivers, the current pulse is provided by this switched-capacitor LED driver. In the present driver, the capacitor is charged and discharged through of the output circuit and the current flow direction is controlled by switch. Based on the charge control analysis, the effects of switching devices on the proposed converter are discriminated and evaluated. The experimental results demonstrated the technical feasibility of using the proposed converter for LEDs.

Este trabalho propÃe o desenvolvimento de uma fonte de alimentaÃÃo portÃtil para notebooks e outros equipamentos eletrÃnicos usando energia fotovoltaica. O sistema completo à composto por dois mÃdulos fotovoltaicos poli-cristalinos de 54W conectados em paralelo; um conversor boost clÃssico usado para controlar a carga das baterias de chumbo-Ãcido reguladas a vÃlvula (VRLA-Valve Regulated Lead Acid) de 40 Ah associadas em sÃrie formando um barramento de 24Vcc e um conversor boost-flyback que tem a funÃÃo de elevar a tensÃo do banco de baterias de 24Vcc a uma tensÃo de saÃda de 250Vcc. O conversor boost utiliza o algoritmo perturba e observa (P&O) para conseguir o ponto de mÃxima potÃncia dos mÃdulos fotovoltaicos. Por outro lado, no conversor boost-flyback que opera em modo de conduÃÃo contÃnua (MCC) à usada a tÃcnica de controle por corrente de pico. Para verificar o princÃpio de funcionamento da fonte de alimentaÃÃo de dois estÃgios, o primeiro estÃgio foi desenvolvido com potÃncia de saÃda de 120W e o segundo estÃgio com potÃncia de saÃda de 200W. / This study proposes the development of a portable power supply to feed notebook computers and other electronic equipment using photovoltaic energy. The complete system is composed by two polycrystalline photovoltaic modules of 54W in parallel, a classic boost converter that allows to work the photovoltaic modules in the maximum power point (MPP) and to charge two lead-acid valve regulated batteries (VRLA Valve-Regulated Lead Acid) of 40Ah associates in series to form a bus of 24Vcc, and a boost-flyback converter that has as function to raise the battery bank voltage of 24Vcc to output voltage of 250Vcc. The boost converter uses the algorithm perturb and observe (P&O) to track the maximum power point of the photovoltaic modules. On the other hand, in the boost-flyback converter operates in continuous conduction mode (CCM) using peak current mode control technique to regulate the output voltage. To verify the feasibility of the two stage power supply, was developed a prototype with first stage of 120W output power, and the second stage of 200W output power.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O presente trabalho apresenta o estudo de um conversor CC/CC com dois estÃgios para aplicaÃÃo no desenvolvimento de sistemas autÃnomos de energia elÃtrica. O conversor sob estudo consiste basicamente da associaÃÃo de dois conversores CC/CC, em que entre eles à inserido um banco de baterias para dar continuidade ao fornecimento de energia em perÃodos em que nÃo hà radiaÃÃo solar. Todos os conversores utilizados para a composiÃÃo do sistema sÃo do tipo boost utilizando a cÃlula de comutaÃÃo de trÃs estados (CCTE). O primeiro conversor tem a funÃÃo enviar energia desde os painÃis fotovoltaicos a um banco de baterias de 48 V e permitir a operaÃÃo dos painÃis fotovoltaicos no ponto de mÃxima potÃncia (MPP- Maximum Power Point). O segundo estÃgio à constituÃdo por um conversor de alto ganho de tensÃo, cujo papel à elevar a tensÃo do banco de baterias de 48 V para uma tensÃo de 400 Vcc, formando assim o barramento de saÃda do sistema em tensÃo contÃnua. Para garantir a regulaÃÃo da tensÃo em 400 Vcc, foi implementada a tÃcnica de controle LQR (Linear Quadratic Regulator). Para o projeto do controle LQR à utilizado uma metodologia simplificada para a obtenÃÃo de um modelo reduzido do conversor de alto ganho de tensÃo. Para cada estÃgio à apresentado seu estudo teÃrico, anÃlise de perdas e dimensionamento dos componentes para o atendimento das especificaÃÃes de projeto. Para verificar a anÃlise teÃrica foi montado um protÃtipo para cada estÃgio e os resultados experimentais sÃo apresentados neste trabalho. / This work presents a study of a DC/DC converter with two stages for implementation of a stand-alone photovoltaic power system. The converter under study consists of two DC/DC converters, in which between them is inserted a battery bank to give continuity to the energy supply in periods when there isnât solar radiation. All converters used for the composition of the system are of type boost based on the three-state switching cell (TSSC). The first converter has function of to send energy from photovoltaic panels to a battery bank of 48 V formed by four batteries of 12V connected in series, and its function is to allow the photovoltaic panels operation at the maximum power point (MPP). The second stage consists of a converter of high voltage gain, whose role is to raise the 48 V battery bank voltage to 400V DC output bus voltage. To ensure the regulation of voltage at 400 V DC, was implemented the control LQR (Linear Quadratic Regulator). To design the controller LQR, a simplified methodology to obtain a model of the high-gain voltage converter is used. For each stage is presented its theoretical study, analysis and the components were designed and specified. To verify the theoretical analysis, was developed a prototype for each stage and the experimental results are presented in this work.

nÃo hà / Esta tese de doutorado apresenta duas novas topologias de conversores CA-CC com uso de neutro comum: conversor de cinco nÃveis intercalado e conversor de cinco nÃveis tipo T. AlÃm disso, uma nova forma de implementaÃÃo da tÃcnica de controle indireto da corrente (Indirect Current Control - ICC) à apresentada. Assim, para comprovaÃÃo da praticidade dos conversores apresentados, toma-se como base o conversor CA-CC de trÃs nÃveis convencional e entÃo à realizada uma anÃlise comparativa de desempenho entre esses trÃs conversores CA-CC monofÃsicos para aplicaÃÃo em no-breaks. Os conversores analisados possuem como caracterÃstica comum a correÃÃo do fator de potÃncia, o controle digital realizado por FPGA e a conexÃo da fonte de alimentaÃÃo com o estÃgio de saÃda, facilitando o uso de inversor e by-pass para no-breaks. O primeiro conversor analisado à o conversor de trÃs nÃveis convencional que apresenta como principal caracterÃstica o reduzido nÃmero de componentes. O segundo conversor analisado à o conversor de cinco nÃveis intercalado que apresenta como principal caracterÃstica as reduzidas perdas de comutaÃÃo e conduÃÃo. Finalmente, o terceiro conversor analisado à o conversor de cinco nÃveis tipo T que apresenta como principais caracterÃsticas: reduzidas perdas de comutaÃÃo e conduÃÃo; os elementos magnÃticos operam com o dobro da frequÃncia de comutaÃÃo reduzindo desta maneira o peso e o volume. A anÃlise teÃrica dos conversores monofÃsicos, os conceitos bÃsicos sobre o controle digital e a tÃcnica de modulaÃÃo, a metodologia de projeto, simulaÃÃo e resultados experimentais dos protÃtipos construÃdos sÃo apresentados para validar o princÃpio de funcionamento dos conversores propostos. / This thesis presents two novel topologies of AC-DC converters with common neutral: five-level interleaved converter and five-level T type converter. Besides, a novel type of implementation of Indirect Current Control (ICC) is also presented. Thus, a comparative analysis of performance between three single phase AC-DC converters for UPS applications is realized. The analyzed converters have as common characteristics: power factor correction, digital control using FPGA and connection between input power supply and converter output enabling the use of UPS inverter and by-pass. The first one analyzed converter is the conventional three level converter which presents as main feature reduced numbers of power semiconductors and components. The second one analyzed converter is the five level interleaving converter which presents as main feature reduced conduction and commutation losses. Finally, the last one analyzed converter is the T type five level converter which presents as main features: reduced conduction and commutation losses and magnetic components operating with the double of switching frequency reducing weight and volume. Theoretical analysis of the single phase converters, basics concepts of digital control and modulation technique, design procedure, simulation and experimental results of lab models are presented in order to validate the principle of operation of the proposed converters.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um sistema eletrÃnico de aproveitamento de energia eÃlica a partir de um gerador sÃncrono de Ãmà permanente conectado a uma turbina de vento. O sistema opera com velocidade variÃvel, permitindo o mÃximo aproveitamento da energia cinÃtica incidente na turbina de vento. Essa energia cinÃtica à convertida em energia elÃtrica pelo gerador sÃncrono de Ãmà permanente e depois de totalmente condicionada, injetada na rede elÃtrica convencional. Esse condicionamento à feito por um sistema eletrÃnico objeto de estudo e desenvolvimento deste trabalho, o qual consiste em um retificador trifÃsico interligado a um inversor monofÃsico em ponte completa com saÃda em corrente. SÃo apresentadas a revisÃo bibliogrÃfica de sistemas de aproveitamento de energia eÃlica para geraÃÃo de energia elÃtrica pertinentes ao escopo do trabalho, a anÃlise do estÃgio retificador (potÃncia e controle), a anÃlise do estÃgio inversor (potÃncia e controle), uma comparaÃÃo teÃrica de rendimento entre o retificador trifÃsico proposto neste trabalho (bridgeless trifÃsico) e o retificador trifÃsico dois nÃveis, e os resultados experimentais de um protÃtipo de validaÃÃo de 5kW do sistema proposto. / This work presents the study and development of an electronic system for wind energy exploitation from a permanent magnet synchronous generator connected to a wind turbine. The system operates with variable speed, allowing maximum use of the kinetic energy incident on the wind turbine. This kinetic energy is converted into electrical energy by the permanent magnet synchronous generator and, after being fully conditioned, injected into the conventional power grid. This conditioning is done by an electronic system object of study and development of this work, which consists of a rectifier connected to a single-phase full-bridge inverter with current output. Are presented the literature review of the relevant wind energy conversion systems to the scope of work, the analysis of the rectifier stage (power and control), the analysis of the inverter stage (power and control), a efficiency theoretical comparison between the proposed rectifier (three-phase bridgeless) and the three-phase fullbridge rectifier, and the experimental results of an 5kW validation prototype of the proposed system.