This thesis presents the design and implementation of a single-stage with high power factor asymmetrical half-bridge converter. The main structure combines a boost converter with an asymmetrical half-bridge. An Asymmetrical half-bridge converter has many advantages such as soft-switching properties and fewer components. Therefore it is suitable for DC/DC cell. The boost converter is used in a PFC cell that operating in discontinuous condition mode have innate ability of power factor correction without additional controller. In this thesis, the complete analysis of operation principle and design of controller for the equivalent circuits of a single-stage AC/DC converter in every operating stage have been described in detail. Finally, we construct the single-stage circuit and experimental result show that it can reach the expected goal for power-factor correction.

A solution to reduce exhaust emissions from heavy commercial vehicles are to haul the vehicles completely or partially electric. This means that the vehicle must contain a significant electric energy source. The large capacity of the energy source causes the vehicle to either sacrifice a large part of its up time to charge the source or apply a higher charge power at the cost of power losses and lifetime of the energy source. This thesis contains a pre-study of high-power DC-charge of hybrid batteries from existing infrastructure suited to electric hybrid cars. Following parts are included in the thesis: modeling of a battery pack and a DC-DC converter, formulation of a MPC controller for the battery pack, analysis of charging strategies and battery restrictions through simulations. The thesis results shows that a longer charging time increases the energy efficiency and reduces the degradation in the battery. It also shows that a charging strategy similar to constant-current-constant-voltage charging should be used for a full charge of an empty battery.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This master thesis performs the analysis and design of an AC-DC converter with high voltage gain to be used to supply a magnetron in a microwave generation system. The converter topology is chosen so as to enable input power control, operation with high power factor and with possibility of wide variation in the effective voltage input, so that the converter operates in the universal 100-240 V effective voltage range. The topology consists of a controlled type half-bridge rectifier at the entrance, responsible for the current control and diferencial voltage balance on the DC link capacitors and an isolated DC-DC half-bridge converter with high voltage gain, which operates with a fixed duty cycle. The design of passive and active elements of AC-DC converter are presented and the discrete control to implement a prototype that operates with input power up to 800 W is performed. The controllers are implemented in a low-cost 32-bit and fixed point arithmetic microcontroller. Experimental results to validate the designed controllers are obtained for various power reference values, evaluating the converter for practically all operational range. / A presente dissertação de mestrado realiza a análise e o projeto de um conversor CA-CC de elevado ganho de tensão para ser utilizado na alimentação de um magnetron em um sistema de geração de micro-ondas. A topologia do conversor é escolhida de forma a possibilitar o controle da potência de entrada, operação com elevado fator de potência e com possibilidade de grande variação na tensão eficaz da entrada, de forma que o conversor opere na faixa de tensão universal eficaz de 100 a 240 V. A topologia é composta por um retificador meia-ponte na entrada, responsável pelo controle de corrente e equilíbrio das tensões no barramento CC, e por um conversor CC-CC meia ponte isolado na saída com elevado ganho de tensão, que opera com razão cíclica fixa. O projeto dos elementos passivos e ativos do conversor CA-CC são apresentados e o controle discreto para implementação de um protótipo que opera com potência de entrada de até 800 W é realizado. Os controladores são implementados em um microcontrolador de baixo custo de 32 bits e operação aritmética de ponto fixo. Resultados experimentais para validação dos controladores projetados são obtidos, para vários valores de referência de potência, avaliando o conversor para praticamente toda sua faixa de operação.

O presente trabalho apresenta o estudo, o equacionamento, a simulação e uma metodologia de projeto para um conversor CC/CC do tipo Half-Bridge, com transformador de potência alimentado por transistores bipolares em semi-ponte, com circuito de acionamento de base proporcional isolado. O circuito possui um controle de sincronismo aplicado ao transformador de pulso responsável pelo controle das chaves semicondutoras do conversor. A metodologia de projeto do circuito de acionamento de base proporcional isolado é discutida e alguns resultados são mostrados. Além disso, pretende-se empregar esse tipo de conversor em veículos aeroespaciais devido a robustez no circuito de acionamento de base, em específico na Unidade de Suprimento de Energia do satélite universitário ITASAT. Utilizando-se o diagrama esquemático do conversor proposto é feito o equacionamento matemático, a fim de se obter a frequência de oscilação livre, ou natural, a partir do qual é proposta uma metodologia de projeto. Ao final do trabalho são comparados os resultados experimentais com a simulação, com o objetivo de melhor avaliar a metodologia proposta. / This work presents the study, equation development, simulation and a design methodology for a Half-Bridge DC/DC converter, with power transformer fed by bipolar transistors in a half-bridge configuration, with proportional base drive circuit. The circuit has a synchronism control applied to the pulse transformer responsible for controlling the semiconductor switches of the converter. The design methodology of the proportional base drive is discussed and some results are shown. In addition, this type of converter is intended to be used in aerospace vehicles due to the increased robustness of the base drive circuit, for instance, the Power Supply Unit of ITASAT Satellite. A mathematical modeling is done in order to obtain the oscillation frequency (natural frequency) of the converter, from which a design methodology is proposed. At the end of the study the experimental are compared with the simulation, in order to evaluate the proposed methodology.

O presente trabalho apresenta o estudo, o equacionamento, a simulação e uma metodologia de projeto para um conversor CC/CC do tipo Half-Bridge, com transformador de potência alimentado por transistores bipolares em semi-ponte, com circuito de acionamento de base proporcional isolado. O circuito possui um controle de sincronismo aplicado ao transformador de pulso responsável pelo controle das chaves semicondutoras do conversor. A metodologia de projeto do circuito de acionamento de base proporcional isolado é discutida e alguns resultados são mostrados. Além disso, pretende-se empregar esse tipo de conversor em veículos aeroespaciais devido a robustez no circuito de acionamento de base, em específico na Unidade de Suprimento de Energia do satélite universitário ITASAT. Utilizando-se o diagrama esquemático do conversor proposto é feito o equacionamento matemático, a fim de se obter a frequência de oscilação livre, ou natural, a partir do qual é proposta uma metodologia de projeto. Ao final do trabalho são comparados os resultados experimentais com a simulação, com o objetivo de melhor avaliar a metodologia proposta. / This work presents the study, equation development, simulation and a design methodology for a Half-Bridge DC/DC converter, with power transformer fed by bipolar transistors in a half-bridge configuration, with proportional base drive circuit. The circuit has a synchronism control applied to the pulse transformer responsible for controlling the semiconductor switches of the converter. The design methodology of the proportional base drive is discussed and some results are shown. In addition, this type of converter is intended to be used in aerospace vehicles due to the increased robustness of the base drive circuit, for instance, the Power Supply Unit of ITASAT Satellite. A mathematical modeling is done in order to obtain the oscillation frequency (natural frequency) of the converter, from which a design methodology is proposed. At the end of the study the experimental are compared with the simulation, in order to evaluate the proposed methodology.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:27:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marcos Vinicius Bressan.pdf: 3794882 bytes, checksum: c55b9af15d7d913dc3d962a990a792c4 (MD5) Previous issue date: 2014-02-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work present a new three-phase hybrid multilevel inverter, that is composed of two topologies in cascaded association. The three-phase NPC and the half-bridge modules are connected in series. This con¬nection increases the number of the output voltage levels, improves the output voltage quality and rises the power process by inverter. The theoretical analysis is presented, the switching states are investigated and the average and the RMS currents values in the semiconductors are verified. Based on the current values are projected the dc capacitors, and analyzed the semicondutors loss energy and the input currents of the inverter. Two modulation scheme are presented at proposed inver¬ter, the hybrid PWM and SVM modulation scheme. The first part of the experimental results are verified behavior of the multilevel power structure developed in laboratory. The second part of the experimen¬tal results evaluates quality of output voltage with different modulation scheme using of the mathematical tools THD and WTHD. / Este trabalho apresenta um novo inversor multinível híbrido trifásico, que é formado pela associação em cascata de duas topologias. No caso, um conversor NPC trifásico conectado em série a módulos de converso¬res meia ponte. A ligação em série desses conversores permite ampliar o número de níveis de tensão sintetizados pelo inversor, melhorar a qualidade da forma de onda da tensão de saída e o aumento da energia processada pelo inversor. Uma análise teórica do inversor é apresen¬tada, averiguando as etapas de operação e determinando os valores médio e eficaz da corrente nos semicondutores de potência. Com base nas análises dos valores médio e eficaz da corrente nos semicondutores dimensiona-se os capacitores de barramento, assim com a energia dissi¬pada pelos semicondutores e a análise teórica das correntes de entradas do inversor empregando de retificadores multipulsos. Também são apre¬sentadas duas técnicas de modulação ao inversor proposto: a técnica de modulação PWM híbrida e a SVM. Os resultados experimentais, em sua primeira parte, avaliam o comportamento da estrutura multinível desenvolvida em laboratório. Na segunda parte dos resultados experi¬mentais, avalia-se qualidade da forma de onda de tensão com diferentes técnicas de modulação utilizando das ferramentas matemáticas THD e WTHD.

This work presents an analysis of a Piezoelectric Transformer (TP), showing the main types of devices, characteristics, operation modes, among others important points. The parameters of Mason Classic Model are determined by frequency response analysis. The nominal load is determined considering the maximum power transfer and the efficiency from the load tests. In order to obtain a more accurate equivalent model, an optimization methodology of equivalent model is proposed. The criterion used to optimize the model is the minimum standard square error between frequency response of TP and model. To prove the results obtained by the optimization meth-odology, it is presented, in impedance graphs, the curves of model obtained by fre-quency response, optimized model and TP. The optimized model is obtained for dif-ferent segments configurations of TP. The analysis of segments has the goal to adapt the TP to specific applications, enabling the parameters adjust, to different condi-tions of load impedance to maximum power transfer, voltage gain and efficiency, among others. The Half-Bridge practical results with nominal load are presented to all segments configurations, using as resonant converter. / Este trabalho apresenta uma análise sobre Transformador Piezelétrico (TP), mostrando os principais tipos de dispositivos, características, modos de operação, en-tre outros pontos importantes. Os parâmetros do modelo clássico de Mason são de-terminados pela análise da resposta em frequência. A carga nominal é determinada levando em conta a máxima transferência de potência e o rendimento a partir de tes-tes de carga. Para obter o modelo equivalente mais preciso é proposto uma metodolo-gia de otimização do modelo equivalente. O critério utilizado para otimizar o modelo é do menor erro quadrático normalizado e ponderado entre a resposta em frequência do modelo e a resposta experimental do TP. Para comprovar os resultados obtidos pela metodologia de otimização, são apresentados gráficos de resposta em frequência do modelo obtido pela resposta em frequência, do modelo otimizado e a resposta ex-perimental do TP. O modelo otimizado é estendido para diferentes configurações de segmentos do TP. A análise dos segmentos tem como objetivo adequar o TP para aplicações específicas, possibilitando o ajustes de parâmetros, para diferentes condi-ções de resistência de carga para máxima transferência de potência, ganho de tensão e rendimento, entre outros. Resultados práticos com carga nominal são apresentados para todas configurações de segmentos, utilizando como conversor ressonante o con-versor Half-Bridge.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The subject of this work is to present a switched reluctance machine (SRM) driver capable to control the machine as a motor/generator, allowing the transition between the modes of operation while the machine is running. Six load voltage control strategies developed to be applied to a switched reluctance generator was performed, being that the strategies AV2, TBV, Hi and AMV was developed in this work. A SRM simulation able to represent the machine as a motor/generator was implemented and the results were presented. The load voltage strategies showed in this work was tested through simulations and the results indicate that the strategy called AV2 was the best one, providing a better utilization of the mechanical energy from the primary source. A prototype was assembled and the experimental results showed that the machine operating as a motor/generator operate properly and all the load voltage strategies developed to switched reluctance generator kept the voltage on the load near to the reference value confirming the functionality of the strategies. / Este trabalho tem como objetivo apresentar um acionamento capaz de controlar a máquina de relutância variável (MRV) como motor e como gerador, permitindo a transição de modos de operação com a máquina girando. Seis técnicas de controle de tensão na carga da máquina operando como gerador foram implementadas, sendo que as estratégias AV2, TBV, Hi e AMV foram desenvolvidas neste trabalho. Uma simulação da MRV capaz de representar a operação da máquina como motor/gerador foi desenvolvida e os resultados foram apresentados. As estratégias de controle de tensão na carga foram testadas através de simulação. Comparações entre as mesmas demonstraram que a estratégia AV2 é a que proporciona maior geração de energia elétrica, demonstrando a importância de se adicionar uma etapa de roda livre ao controle do GRV com malha fechada de tensão na carga. Um protótipo foi construído no laboratório utilizando DSP e resultados experimentais da máquina operando como motor/gerador, assim como resultados do GRV controlado pelas estratégias de controle de tensão na carga foram apresentados e discutidos. / Doutor em Ciências

This thesis deals with the design of Hybrid Energy Storage System (HESS) for Light Electric Vehicles (LEV) and EVs. More specifically, a tri-mode high-efficiency non-isolated half-bridge converter is developed for the LEV based HESS applications. A 2 kW, 100 V interleaved two-phase converter prototype was implemented. The peak efficiency of 97.5% and a minimum efficiency of 88% over the full load range are achieved. Furthermore, a power-mix optimizer utilizing the real-time Global Positioning System (GPS) data for the EV based HESS is proposed. For a specific design, it is shown that at the cost of less than 1.5% of the overall energy savings, the proposed scheme reduces the peak battery charge and discharge rates by 76% and 47%, respectively. A 30 kW bi-directional dc-dc converter is also designed and implemented for future deployment of the designed HESS into a prototype EV, known as A2B.

This thesis deals with the design of Hybrid Energy Storage System (HESS) for Light Electric Vehicles (LEV) and EVs. More specifically, a tri-mode high-efficiency non-isolated half-bridge converter is developed for the LEV based HESS applications. A 2 kW, 100 V interleaved two-phase converter prototype was implemented. The peak efficiency of 97.5% and a minimum efficiency of 88% over the full load range are achieved. Furthermore, a power-mix optimizer utilizing the real-time Global Positioning System (GPS) data for the EV based HESS is proposed. For a specific design, it is shown that at the cost of less than 1.5% of the overall energy savings, the proposed scheme reduces the peak battery charge and discharge rates by 76% and 47%, respectively. A 30 kW bi-directional dc-dc converter is also designed and implemented for future deployment of the designed HESS into a prototype EV, known as A2B.