O uso crescente de fontes alternativas de energia exige conversores de energia capazes de aumentar sua tensão nos terminais e conectá-los ao sistema de distribuição. Neste contexto, o conversor step-up clássico (conversor de potência CC/CC) e o inversor de fonte de tensão (VSI) são as soluções mais aplicadas para processar o fluxo de energia da fonte para a rede. No entanto, apresentam um baixo rendimento devido ao duplo estágio de conversão, isto é, a energia flui também através dos conversores de energia CC/CC e CC/CA. Para evitar esse tipo de desvantagem, no início da última década, o Z-Source-Inverter (ZSI) foi introduzido. Nesta nova solução, o conversor de energia CC/CC responsável por elevar a tensão nos terminais do conversor foi removido e uma rede de impedância LCLC foi adicionada com duas tarefas, ou seja, aumentar a tensão do terminal e melhorar a eficiência do ZSI. Infelizmente, os trabalhos da literatura não apresentaram um modelo matemático generalizado para apoiar os projetistas de conversores de potência na análise de estabilidade, projeto de controladores ou avaliar o ganho de tensão do conversor. Neste sentido, esta dissertação propõe o desenvolvimento de um modelo matemático completo e a análise de estabilidade da planta. Para suportar todo o desenvolvimento teórico, foi realizado um conjunto de análises no domínio do tempo e da frequência. Por fim, verificou-se o controle da tensão do elo CC para suportar todas as afirmações apresentadas neste trabalho (controle da tensão no capacitor da rede Z). / The growing use of alternative energy sources require power converters able to boost their terminal voltage and connect them to the distribution system. In this context, the classical step-up converter (DC/DC power converter) and the voltage source inverter (VSI) are the most applied solutions to process the power flow from the source to the grid. However, they present a low efficient because of the double stage of conversion, i.e. the power flows through the DC/DC and DC/AC power converters as well. To avoid this type of drawback, in the beginning of the last decade the impedance source inverter (ZSI) was introduce. In this new solution, the DC/DC power converter responsible for boosting the voltage at the DC-source terminals was removed and a Z (LCLC-network) was added with two tasks, i.e. boost the DC-source terminal voltage and improve the ZSI efficiency. Unfortunately, the papers in the literature did not present a generalized mathematical model to support designers of power converters in the analysis of stability, design of controllers or evaluate the voltage gain of the converter. In this sense, this thesis proposes the development of a complete mathematical model and the stability analysis of the plant. To support all the theoretical development a set of analysis in the time and frequency-domain was performed. Finally, the control of DC-link voltage was verified to support all the statements presented in this thesis (control on the Z-network voltage capacitance).

O uso crescente de fontes alternativas de energia exige conversores de energia capazes de aumentar sua tensão nos terminais e conectá-los ao sistema de distribuição. Neste contexto, o conversor step-up clássico (conversor de potência CC/CC) e o inversor de fonte de tensão (VSI) são as soluções mais aplicadas para processar o fluxo de energia da fonte para a rede. No entanto, apresentam um baixo rendimento devido ao duplo estágio de conversão, isto é, a energia flui também através dos conversores de energia CC/CC e CC/CA. Para evitar esse tipo de desvantagem, no início da última década, o Z-Source-Inverter (ZSI) foi introduzido. Nesta nova solução, o conversor de energia CC/CC responsável por elevar a tensão nos terminais do conversor foi removido e uma rede de impedância LCLC foi adicionada com duas tarefas, ou seja, aumentar a tensão do terminal e melhorar a eficiência do ZSI. Infelizmente, os trabalhos da literatura não apresentaram um modelo matemático generalizado para apoiar os projetistas de conversores de potência na análise de estabilidade, projeto de controladores ou avaliar o ganho de tensão do conversor. Neste sentido, esta dissertação propõe o desenvolvimento de um modelo matemático completo e a análise de estabilidade da planta. Para suportar todo o desenvolvimento teórico, foi realizado um conjunto de análises no domínio do tempo e da frequência. Por fim, verificou-se o controle da tensão do elo CC para suportar todas as afirmações apresentadas neste trabalho (controle da tensão no capacitor da rede Z). / The growing use of alternative energy sources require power converters able to boost their terminal voltage and connect them to the distribution system. In this context, the classical step-up converter (DC/DC power converter) and the voltage source inverter (VSI) are the most applied solutions to process the power flow from the source to the grid. However, they present a low efficient because of the double stage of conversion, i.e. the power flows through the DC/DC and DC/AC power converters as well. To avoid this type of drawback, in the beginning of the last decade the impedance source inverter (ZSI) was introduce. In this new solution, the DC/DC power converter responsible for boosting the voltage at the DC-source terminals was removed and a Z (LCLC-network) was added with two tasks, i.e. boost the DC-source terminal voltage and improve the ZSI efficiency. Unfortunately, the papers in the literature did not present a generalized mathematical model to support designers of power converters in the analysis of stability, design of controllers or evaluate the voltage gain of the converter. In this sense, this thesis proposes the development of a complete mathematical model and the stability analysis of the plant. To support all the theoretical development a set of analysis in the time and frequency-domain was performed. Finally, the control of DC-link voltage was verified to support all the statements presented in this thesis (control on the Z-network voltage capacitance).

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Depuis les dix dernières années, dans les domaines liés aux transports (automobile, avionique, ferroviaire, naval), les technologies thermiques et hydrauliques tendent à laisser de plus en plus de place aux systèmes électriques. L’intérêt et le dynamisme de la Recherche en électronique de puissance se justifient par le rôle déterminant que la discipline joue au sein du développement des systèmes embarqués "plus électriques". Ce mémoire de thèse s’intéresse à l’étude de convertisseurs d’électronique de puissance, les onduleurs à source impédante, en tant que topologies alternatives aux architectures existantes au sein des systèmes de traction électrique. Plusieurs études sont établies suivant différents critères, qui, au delà d’une simple comparaison avec les architectures conventionnelles, proposent des solutions et des améliorations intervenant aussi bien dans le contrôle du système que dans sa topologie initiale. Ces études sont toutes appliquées à un système de traction électrique muni d’une machine synchrone à aimants et d’un onduleur à source impédante alimentée par une source de tension continue. Les résultats qui en découlent ont montré de larges intérêts de ces topologies concernant la maîtrise de la qualité du courant de batterie (annulation de ses ondulations hautes fréquences) mais aussi la maîtrise de certaines contraintes liées aux vieillissement des machines (possibilité de maîtriser les dv/dt). Certains inconvénients sont néanmoins établis comme le fait que la topologie n’offre guère d’amélioration du rendement (en comparaison avec les structures classiques) ou comme le fait que l’architecture rende dépendantes les commandes de l’onduleur à source impédante (côté DC) et de la machine (côté AC) / Over the past ten years, hydraulic and thermal technologies tend to make room for electrical system. Fields related to transportation (automotive, avionics, railway or naval) are directly impacted. The interest and dynamism in power electronics Research are justified by the impact of such a field in the development of embedded systems. This thesis focuses on the study of impedance-source inverters as possible topologies to replace conventional ones. Several studies are conducted according to different criteria and do not aim at only comparing the topologies. It proposes solutions and improvements in the control system as well as in its basis architecture. These studies are all applied to an electric traction system composed of an synchronous machine fed by an impedance-source inverter. It is showed that large interests come out of the obtained results. For instance, the cancellation of the high-frequency current ripples allows mastering the quality of the battery current. Moreover, some constraints as regards machine ageing can be reduced by mastering the slew rates dv/dt. Some drawbacks are nevertheless pointed out. There is no need in using such a topology to improve efficiency that is above the same as conventional structures. Moreover, controls of DC-side AC-side of the system are dependent due to the fact that inverter’s control is used to step up the DC-bus voltage