The thesis introduces an approach for obtaining higher level decision support information using electromagnetic transient (EMT) simulation programs. In this approach, a suite of higher level driver programs (decision support tools) control the simulator to gain important information about the system being simulated. These tools conduct a sequence of simulation runs, in each of which the study parameters are carefully selected based on the observations of the earlier runs in the sequence. In this research two such tools have been developed in conjunction with the PSCAD/EMTDC electromagnetic transient simulation program. The first tool is an improved optimization algorithm, which is used for automatic optimization of the system parameters to achieve a desired performance. This algorithm improves the capabilities of the previously reported method of optimization-enabled electromagnetic transient simulation by using an enhanced gradient-based optimization algorithm with constraint handling techniques. In addition to allow handling of design problems with more than one objective the thesis proposes to augment the optimization tool with the technique of Pareto optimality. A sequence of optimization runs are conducted to obtain the Pareto frontier, which quantifies the tradeoffs between the design objectives. The frontier can be used by the designer for decision making process. The second tool developed in this research helps the designer to study the effects of uncertainties in a design. By using a similar multiple-run approach this sensitivity analysis tool provides surrogate models of the system, which are simple mathematical functions that represent different aspects of the system performance. These models allow the designer to analyze the effects of uncertainties on system performance without having to conduct any further time-consuming EMT simulations. In this research it has been also proposed to add probabilistic analysis capabilities to the developed sensitivity analysis tool. Since probabilistic analysis of a system using conventional techniques (e.g. Monte-Carlo simulations) normally requires a large number of EMT simulation runs, using surrogate models instead of the actual simulation runs yields significant savings in terms of shortened simulation time. A number of examples have been used throughout the thesis to demonstrate the application and usefulness of the proposed tools.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη και η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ο οποίος θα αποτελέσει μέρος ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος με πηγή ενέργειας μία συσκευή κυψελών καυσίμου (fuel cells). Συγκεκριμένα πρόκειται για ένα μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, με διαδοχική αγωγή δύο παράλληλων κλάδων (2-channel interleaved boost converter). Η είσοδος του μετατροπέα συνδέεται στην πηγή των κυψελών καυσίμου με σκοπό να ανυψώσει τη συνεχή αλλά μεταβλητή τάση που παράγει αυτή και να τη σταθεροποιήσει στα 50V. Στην έξοδο αυτού του μετατροπέα πρόκειται να συνδεθεί ένας αντιστροφέας για την οδήγηση τριφασικού σύγχρονου κινητήρα με μόνιμους μαγνήτες (BLDC), ο οποίος αποτελεί αντικείμενο άλλης διπλωματικής εργασίας, που εκπονείται στο Εργαστήριο. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού χρειάστηκε θεωρητική μελέτη των διακοπτικών τροφοδοτικών συνεχούς τάσης αλλά και της πηγής κυψελών καυσίμου. Στη μελέτη βοήθησε το πρόγραμμα εξομοίωσης, με το οποίο εξομοιώθηκαν εκτός από το προαναφερθέν τελικό σύστημα και διάφορα άλλα συστήματα που αποτέλεσαν ιδέες για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Έπειτα ακολούθησε η κατασκευή της διάταξης και η διεξαγωγή πλήθους πειραματικών δοκιμών. / This diploma thesis deals with the study, design and construction of a power electronic boost converter. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering of School of Engineering of University of Patras. The main purpose of this work is the analysis and construction of a power electronic converter that will be part of an electric propulsion system which has a fuel cell stack as an electrical power source. Particularly, this power electronic converter is a two channel interleaved boost converter. This converter is connected to the fuel cells in order to boost and stabilize the unregulated voltage which they produce. At the output of this converter it will be connected an electronic power inverter which will drive a brushless DC motor (BLDC). For the accomplishment of this purpose, the study of both switching power supplies and fuel cells was needed. At this analysis the system was designed at a simulation program which gave useful information about the system operation. After the system simulation the converter was constructed and the entire system was set up in order to carry out the required experiments and measurements.

This thesis investigates issues affecting grid synchronisation of VSC-HVDC systems with particular regard to, but not limited to, offshore wind power generation during the complex but potentially serious behaviours following solar storms. An averaged value model (AVM) for the contemporary modular multilevel converter (MMC) based VSC-HVDC system is developed and is used in combination with different phase-locked loop (PLL) models and the unified magnetic equivalent circuit (UMEC) transformer model to assess the impacts of geomagnetically induced current (GIC) on grid synchronisation of an offshore VSC-HVDC system. GIC is DC current flowing in the earth caused by strong geomagnetic disturbance events. GIC enters the electric utility grid via the grounded transformer neutral and can cause severe saturation to transformers. This in turn causes disruptions to grid synchronisation. The main contribution of this thesis is that effects of GIC are studied using the UMEC transformer model, which can model saturation. The assessment leads to the development of enhanced fundamental positive sequence control (EFPSC) which is capable of reducing the stress on the system during GIC events. The methods developed can also be applied to other non-symmetrical AC events occurring in VSC-HVDC such as single-phase faults. Additional contributions of the thesis are:A mathematical model of the MMC is derived and forms the foundation of the AVM. The AVM is verified against a detailed equivalent-circuit-based model and shows good accuracy. The PLL is the essential component for grid synchronisation of VSC-HVDC system. Different PLLs are studied in detail. Their performance is compared both qualitatively and quantitatively. This appears to have been done for the first time systematically in the public literature. The UMEC model is verified using hand calculation. Its saturation characteristic is matched to a predefined B-H curve and is also verified. The verifications show that this model is capable of modelling transformer saturation and thus is suitable for this study. The consolidation of the AVM, PLL, UMEC, GIC and EFPSC provides an insight into the how the MMC based VSC-HVDC system behaves under severe geomagnetic disturbances and the possible methods to mitigate the risks and impacts to the power grid.

Le variateur de vitesse est l’un des convertisseurs de puissance le plus utilisé en industrie ; il alimente les pompes, les ventilateurs, les convoyeurs, les ascenseurs …etc. Dans ces systèmes de conversion, les modules de puissance intégrants des composants IGBT représentent la partie cœur de conversion de l’énergie électrique AC/AC. En fonctionnement, ils sont sujets à des conditions fonctionnelles et environnementales sévères (cycles de température, humidité, vibrations …etc.). En raison de la puissance dissipée au niveau de leurs composants (IGBTs et diodes), le module subit des déformations d’origine thermomécanique, qui s’accumulent au fil du temps en limitant sa durée de vie et en impactant sur sa fiabilité. Dès lors, les industriels se trouvent non seulement face au développement des composants robustes et fiables, mais surtout être capable à élaborer des outils permettant la programmation des phases de maintenance. Dans cette thématique s’inscrivent les travaux de cette thèse. Durant laquelle nous essayons de répondre à ce besoin, en proposant une méthodologie de prédiction de durée de vie restante d’un module de puissance intégré au sein d’un variateur de vitesse de 15kW. En effet, nous développons un modèle de durée de vie restante nécessitant une modélisation électrothermique du système, un algorithme de comptage de cycles de température appelé le Rainflow et une loi de durée de vie obtenue à partir des tests de vieillissement. Le paramètre de durée de vie est ensuite calculé en appliquant la règle de Miner. Enfin nous proposons des stratégies de prise en compte de l’effet de dégradation pour ce modèle. / The motor drive is one of the most used power converters in industry; it drives pumps, fans, conveyers, elevators …etc. In this conversion systems, power modules integrating IGBT devices represent the core part in the AC/AC electrical energy conversion. During operation, they are subjected to severe functional and environmental conditions (temperature cycles, humidity, vibrations …etc.). Due to the dissipated power at the level of their devices (IGBTs and diodes), the module undergoes deformations of a thermomechanical origin, which accumulate over time limiting its lifetime and impacting on its reliability. Therefore, manufacturers are not faced only with the development of robust and reliable components, but above all they need to be able to develop tools for maintenance phases scheduling. In this scope, the thesis work is focused. During it, we try to bring a solution to this need, so we propose a remaining lifetime prediction methodology for an integrated power module inside a 15kW motor drive.Therefore, we develop a remaining lifetime model that requires an electrothermal modeling of the system, a temperature cycles counting algorithm called by the Rainflow and a lifetime law obtained from the aging tests. The lifetime parameter is then calculated by applying the Miner’s rule. Finally, we propose strategies to take into account the degradation effect on this model.

Loop measurements are very important in evaluating dynamic performance of DC-DC converters. In this thesis, a small loop measurement tool as a low-cost alternative to a network analyzer is proposed. The tool is particularly useful when a network analyzer is not always available for use, for example when engineers are working on-site with customers or when a network analyzer is not affordable due to their relatively high cost. The design, simulation, and hardware implementation of the inexpensive loop measurement tool will be presented in this thesis. Results from computer simulation and hardware prototype demonstrate the ability of the proposed tool to perform phase margin, gain margin, and cross-over frequency measurements of DC-DC converters. These results are then shown to be comparable with those obtained from a network analyzer. The procedure used to perform loop measurements with the proposed tool will be explained. Limitations in the operation as well as further improvements to enhance the performance of the proposed tool will also be discussed.

This thesis examines the packaging of high-temperature SiC power electronic devices. Current-voltage measurements were conducted on as-received and packaged SiC power devices. The planar structure was introduced and developed as a substitution for traditional wire-bonding vertical structure. The planar structure was applied to a high temperature (>250oC) SiC power device. Based on the current-voltage (I-V) measurements, the packaging structures were improved, materials were selected, and processes were tightly controlled. This study applies two types of planar structures, the direct bond and the bump bond, to the high-temperature packaging of high-temperature SiC diode. A drop in the reverse breakdown voltage was discovered in the packaging using a direct bond. The root cause for the drop in the breakdown voltage was identified and corrective solutions were evaluated. A few effective methods were suggested for solving the breakdown issue. The forward I-V curve of the planar packaging using direct bond showed excellent results due to the excellent electrical and thermal properties of sintered nanosilver. The packaging using a bump bond as an improved structure was processed and proved to possess desirable forward and reverse I-V behavior. The cross-sections of both planar structures were inspected. High-temperature packaging materials, including nano-silver paste, high-lead solder ball and paste, adhesive epoxy, and encapsulant, were introduced and evaluated. The processes such as stencil printing, low-temperature sintering, solder reflowing, epoxy curing, sputtering deposition, electroplating, and patterning of direct-bond copper (DBC) were tightly controlled to ensure high-quality packaging with improved performance. Finally, the planar packaging of the high temperature power device was evaluated and summarized, and the future work was recommended. / Master of Science

Exploring RF models for an integrated power electronics module (IPEM) is crucial to analyzing and predicting its EMI performance. This thesis deals with the parasitics extraction approach for an active IPEM in a frequency range of 1MHz through 30MHz. Based on the classic electromagnetic field theory, the calculating equations of DC and AC parameters for a 3D conducting structure are derived. The influence of skin effect and proximity effect on AC resistances and inductances is also investigated at high frequencies. To investigate RF models and EMI performance of the IPEM, a 1kW 1MHz series resonant DC-DC converter (SRC) is designed and fabricated in this work. For extracting the stray parameters of the built IPEM, two main software simulation tools ¡ª Maxwell Quick 3D Parameter Extractor (Maxwell Q3D) and Maxwell 3D Field Simulator (Maxwell 3D), prevailing electromagnetic simulation products from Ansoft Corporation, are introduced in this study. By trading off between the numerical accuracy and computational economy (CPU time and consumption of memory size), Maxwell Q3D is chosen in this work to extract the parameters for the full bridge IPEM structure. The step-by-step procedure of using Maxwell Q3D is presented from pre-processing the 3D IPEM structure to post-processing the solutions, and exporting equivalent circuit for PSpice simulations as well. RF modeling of power MOSFETs is briefly introduced. In order to verify extracted parameters, in-circuit impedance measurements for the IPEM using Agilent 4294A Impedance Analyzer together with Agilent 42941A probe are then followed. Measured results basically verify the extracted data, while the discrepancy between measured results and simulated results is also analyzed. / Master of Science

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: The use of power electronic converters provides a more efficient, accurate and dynamic solution to reactive compensation. In this thesis the application of power electronic converters to shunt reactive compensation will be discussed. In particular voltage dips and voltage unbalance are considered as both can be mitigated by means of shunt reactive compensation. A pre-existing uninterruptible power supply is adapted to operate as a shunt reactive compensator. The uninterruptible power supply consists of a 250 kVA three phase voltage source inverter. The modifications are limited to software and control algorithms that do not alter the normal operation of the uninterruptible power supply. Control algorithms are designed and discussed in detail. A typical double loop control strategy is implemented on the power electronic converter. The inner loop consists of a dead-beat current controller. The outer loop consists of three proportional and integral controllers controlling the DC-bus voltage, AC voltage and voltage unbalance respectively. Voltage dips and unbalance are compensated for using only reactive power. Focus is placed on producing a result can be used easily in practice. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Drywings elektroniese omsetters wat gebruik word vir newe reaktiewe kompensasie lewer meer effektiewe, akkurate en dinamiese resultate. In hierdie tesis word die toepassing van drywings elektroniese omsetters vir newe reaktiewe kompensasie bespreek. Daar word meer spesifiek na spannings duike en spannings wanbalans gekyk aangesien albei met newe reaktiewe kompensasie verminder kan word. ’n Bestaande nood kragbron is aangepas om as n newe reaktiewe kompenseerder te funksioneer. Die nood kragbron bestaan hoofsaaklik uit ’n 250 kVA drie fase omsetter spanningsbron. Die aanpassings is beperk tot sagteware en beheer algoritmes wat nie die oorspronklike funksionaliteit van die nood krag bron beinvloed nie. Beheer algoritmes word ontwerp en deeglik bespreek. ’n Tipiese dubbel lus beheer strategie word op die drywings elektroniese omsetter toegepas. Die binnelus bestaan uit ’n voorspellende stroom beheerder. Die buite-lus bestaan uit drie proportioneel en integraal beheerders wat onderskeidelik die GS-bus spanning, WS spanning en spanning wanbalans reguleer. Spannings duike en wanbalans is verminder deur slegs reaktiewe drywing te gebruik. Die doel was ook om ’n prakties bruikbare resultaat te lewer.

Η διατριβή αυτή επικεντρώθηκε στη μείωση της αέργου ισχύος και των απωλειών σε συστήματα μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας, τα οποία περιέχουν ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος. Ως γνωστόν, συνήθως, όταν χρησιμοποιούνται ελεγχόμενοι μετατροπείς ισχύος για τον έλεγχο ηλεκτρικών και ηλεκτρομηχανικών μεγεθών, επέρχεται μείωση του συντελεστή ισχύος και του βαθμού απόδοσης. Για να επιτευχθεί υψηλός συντελεστής ισχύος, συνήθως, χρησιμοποιούνται τεχνικές παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων του εκάστοτε μετατροπέα, οι οποίες λειτουργούν με υψηλή διακοπτική συχνότητα. Μ’ αυτό τον τρόπο μειώνεται η άεργος ισχύς, με αποτέλεσμα να μειώνεται και το συνολικό ρεύμα που ρέει από το δίκτυο παροχής της ηλεκτρικής ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό μειώνονται οι απώλειες του δικτύου, αλλά αυξάνονται οι απώλειες του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Στην εργασία αυτή μελετάται εκτενώς η επίδραση της διακοπτικής συχνότητας επί του συνολικού συντελεστή ισχύος και επί του βαθμού απόδοσης. Προσδιορίζεται η διακοπτική συχνότητα, για την οποία επιτυγχάνεται ο υψηλότερος δυνατός συντελεστής ισχύος και βαθμός απόδοσης. Αυτή η συχνότητα εξαρτάται άμεσα από το παθητικό φίλτρο ανώτερων αρμονικών, που συνήθως είναι τοποθετημένο στην είσοδο του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος. Η διερεύνηση για την εύρεση της διακοπτικής συχνότητας για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν τη μέγιστη δυνατή τιμή, πραγματοποιείται για ένα μονοφασικό μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή με διπλή κατεύθυνση ρεύματος. Στις περισσότερες εφαρμογές, στις οποίες υπάρχει ένα δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης, λόγω της φύσεως των φορτίων δημιουργείται καθυστέρηση του ρεύματος ως προς την τάση του δικτύου αυτού. Ένα από τα σημαντικά θέματα που πραγματεύεται η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι η αναίρεση αυτής της καθυστέρησης μέσω κατάλληλης έναυσης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Η καταλληλότητα αυτής της τεχνικής παλμοδότησης εξετάζεται τόσο για την περίπτωση ενός μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης (Ε.Τ.) σε συνεχή τάση (Σ.Τ.), όσο και για έναν ελεγχόμενο μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη σταθερής συχνότητας λειτουργίας. Κατά τον έλεγχο της λειτουργίας ορισμένων φορτίων μέσω ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος εμφανίζονται ανώτερες αρμονικές στο ρεύμα του δικτύου με χαμηλές συχνότητες (π.χ. 150 Hz). Στη διατριβή αυτή μελετάται η μείωση αυτών μέσω της έγχυσης ανώτερων αρμονικών στο σήμα που αποτελεί τη βάση της δημιουργίας των παλμών έναυσης των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Συγκεκριμένα, το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την εισαγωγή και τους στόχους της διατριβής. Το δεύτερο κεφάλαιο περιλαμβάνει τους απαραίτητους ορισμούς βασικών ενεργειακών μεγεθών καθώς και τον προσδιορισμό των προβλημάτων, η λύση των οποίων αποτελεί το σκοπό της παρούσας διατριβής. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με τη σύγκριση των τυπικότερων ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος τύπου μονοφασικής γέφυρας με κριτήρια το συντελεστή ισχύος και το βαθμό απόδοσης. Επίσης, προτείνεται η χρήση ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος Ε.Τ. σε Σ.Τ. διπλής κατεύθυνσης ρεύματος, ο οποίος πλεονεκτεί έναντι των συνήθως χρησιμοποιούμενων και μπορεί να θεωρηθεί κατάλληλος για εφαρμογές στα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς για την αντιστροφή ισχύος π.χ. κατά την πέδηση αυτών. Στο τέταρτο κεφάλαιο διερευνάται η τεχνική παλμοδότησης των ημιαγωγικών στοιχείων ενός μετατροπέα και προτείνεται εκείνη για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν τις υψηλότερες δυνατές τιμές. Στο πέμπτο κεφάλαιο προτείνεται μία μεθοδολογία, μέσω της οποίας καθορίζεται η τιμή των στοιχείων του παθητικού φίλτρου και της διακοπτικής συχνότητας, για την οποία ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης αποκτούν ταυτόχρονα τις μέγιστες δυνατές τιμές. Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται πειραματική διερεύνηση επιβεβαιώνοντας έτσι τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος, τα τροφοδοτικά καθώς και οι επαγωγές των φίλτρων σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας στο πλαίσιο της εκπόνησης της παρούσας διατριβής. Στο έβδομο κεφάλαιο προτείνεται η χρήση μιας τεχνικής παλμοδότησης, με την οποία αναιρείται η καθυστέρηση της βασικής αρμονικής ως προς την τάση του δικτύου. Η τεχνική αυτή στην παρούσα διατριβή ονομάζεται α-sPWM. Με τη χρήση της μεθόδου αυτής βελτιώνεται ο συντελεστής ισχύος και ο βαθμός απόδοσης. Η μελέτη της εφαρμογής της τεχνικής παλμοδότησης α-sPWM πραγματοποιείται μέσω προσομοίωσης και μέσω πειραματικών μετρήσεων. Στο όγδοο κεφάλαιο μελετάται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής παλμοδότησης σε ένα σύστημα, το οποίο αποτελείται από ένα διακοπτικό μετατροπέα εναλλασσόμενης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση σταθερής συχνότητας λειτουργίας αλλά μεταβαλλόμενης ενεργού τιμής. Στο ένατο κεφάλαιο πραγματοποιείται πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης για το προηγούμενο σύστημα, του οποίου ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από τον υποψήφιο στο Εργαστήριο. Στο δέκατο κεφάλαιο προτείνεται μία μέθοδος έγχυσης ανώτερων αρμονικών στο ρεύμα της πηγής μέσω των παλμών έναυσης της τεχνικής παλμοδότησης α-sPWM για την αναίρεση των σημαντικότερων ανώτερων αρμονικών του ρεύματος αυτής. Αυτές οι αρμονικές είναι μικρά πολλαπλάσια της συχνότητας της πηγής και δεν είναι εύκολο να απορροφηθούν από το παθητικό φίλτρο στην πλευρά του δικτύου εναλλασσόμενης τάσης λόγω του μεγάλου μεγέθους των στοιχείων αυτού. Στη συνέχεια προτείνεται ένας τρόπος προσδιορισμού του πλάτους της εκάστοτε προς αναίρεση ανώτερης αρμονικής του ρεύματος, της οποίας η συχνότητα είναι γνωστή. Στο ενδέκατο κεφάλαιο διατυπώνονται τα συμπεράσματα και η συμβολή της διατριβής, στο δωδέκατο μία σύντομη περίληψη και στο δέκατο τρίτο παρατίθεται η βιβλιογραφία. Στο τέλος της διατριβής περικλείεται μία σύντομη περίληψη στα Αγγλικά. / This Ph.d. dissertation deals with the reactive power and power losses reduction. It is well known that the use of a power electronic converter to control the output electrical and electromechanical variables is the best choice. In this case the power electronic converter causes influences on the power efficiency and on the power factor. If the converter’s switching frequency is low (e.g. 50 Hz), the power efficiency is high but the power factor is significant low. On the contrary, by increasing the switching frequency of the semiconductor converter elements the power factor increases while the converter’s efficiency decreases. In this work a study of the switching frequency influence on the power factor and on the power efficiency is curried out. From the results we can determine a frequency by which both the efficiency and the power factor get optimal. This frequency depends on the converter’s input passive filter. For the investigation a controlled bidirectional AC-DC converter is used. Which enables the achieve of high power factor. Τhis work also deals with a switching technique to eliminate the phase angle between the grid’s voltage and the current basic harmonic. The idea is to remove this phase angle through the converter switching pulses. The effect of the proposed switching technique on the power factor and the power efficiency has been investigated for an AC-DC converter as well as for an AC-AC converter. Usually, to control a load through a power electronic converter some high order harmonics with low frequency are generated (e.g 150 Hz). It is well known that it is not easy to eliminate these high order harmonics. In the present work this is curried out through a current injection technique. The idea is to inject the required current harmonic through the converter switching pulses. In this thesis the studied issues were mainly realized through simulation (using the program Matlab/Simulink) as well as experimentally. For the experimental work the prototype converters and the electrical devises were designed and constructed in the laboratory.

Power electronic systems have been widely used in the electrical power processing for applications with power levels ranging from less than one watt in battery-operated portable devices to more than megawatts in the converters, inverters and rectifiers of the utility power systems. These systems typically involve the passive elements such as inductors, capacitors, and resistors, the switching electronic components such as IGBTs, MOSFETS, and diodes, and other electronic circuits. Multifrequency averaging is one of the widely used modeling and simulation techniques today for the analysis and design of power electronic systems. This technique is capable of providing the average behavior as well as the ripple behavior of power electronic systems. This work begins with the extension of multifrequency averaging to represent uniformly sampled PWM converters. A new multifrequency averaging method of solving an observed issue with model stability is proposed and validated. Multifrequency averaging can also be applied to study the instability phenomenon in power electronic systems. In particular, a reduced-order multifrequency averaging method, along with a genetic algorithm based procedure, is proposed in this work to estimate the regions of attraction of power electronic converters. The performance of this method is shown by comparing the accuracy and efficiency with the existing methods. Finally, a new continuous-time multifrequency averaging method of representing discrete-time systems is proposed. The proposed method is applied to model digitally controlled PWM converters. Simulation and hardware results show that the proposed method is capable of predicting the average behavior as well as the ripple behavior of the closed-loop systems. Future research in the area of multifrequency averaging is proposed.