Designers of power electronic converters usually face the challenge of having multiple performance indices that must be simultaneously optimized, such as maximizing efficiency while minimizing mass or maximizing reliability while minimizing cost. The experienced engineer applies his or her judgment to reduce the number of possible designs to a manageable number of feasible designs for which to prototype and test; thus, the optimality of this design-space reduction is directly dependent upon the experience, and expertise and biases of the designer. The practitioner is familiar with tradeoff analysis; however, simple tradeoff studies can become difficult or even intractable if multiple metrics are considered. Hence a scientific and systematic approach is needed. In this dissertation, a multi-objective optimization framework is presented as a design tool. Optimization of power electronic converters is certainly not a new subject. However, when limited to off-the-shelf components, the resulting system is really optimized only over the set of commercially available components, which may represent only a subset of the design space; the reachable space limited by available components and technologies. While this approach is suited to cost-reduce an existing design, it offers little insight into design possibilities for greenfield projects. Instead, this work uses the Technology Characterization Methods (TCM) to broaden the reachable design space by considering fundamental component attributes. The result is the specification for the components that create the optimal design rather than an evaluation of an apriori selected set of candidate components. A unique outcome of this approach is that new technology development vectors may emerge to develop optimized components for the optimized power converter. The approach presented in this work uses a mathematical descriptive language to abstract the characteristics and attributes of the components used in a power electronic converter in a way suitable for multi-objective and constrained optimization methods. This dissertation will use Technology Characterization Methods (TCM) to bridge the gap between high-level performance attributes and low-level design attributes where direct relationship between these two does not currently exist. The loss and size models for inductors, capacitors, IGBTs, MOSFETs and heat sinks will be used to form objective functions for the multi-objective optimization problem. A single phase IGBT-based inverter is optimized for efficiency and volume based on the component models derived using TCM. Comparing the obtained designs to a design, which can be made from commercial off-the-shelf components, shows that converter design can be optimized beyond what is possible from using only off-the-shelf components. A module-integrated photovoltaic inverter is also optimized for efficiency, volume and reliability. An actual converter is constructed using commercial off-the-shelf components. The converter design is chosen as close as possible to a point obtained by optimization. Experimental results show that the converter modeling is accurate. A new approach for evaluation of efficiency in photovoltaic converter is also proposed and the front-end portion of a photovoltaic converter is optimized for this efficiency, as well as reliability and volume.

Thesis (Ph. D.)--Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, 2008. / Committee Chair: Chatterjee, Abhijit; Committee Member: Anderson, David; Committee Member: Durgin, Gregory; Committee Member: Swaminathan, Madhavan; Committee Member: Zhou, Hao-Min.

Thesis (Ph. D.)--Hong Kong University of Science and Technology, 2004. / Includes bibliographical references (leaves 101-108). Also available in electronic version. Access restricted to campus users.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 1996. / Vita. Includes bibliographical references (leaves [70]-74).

Thesis (Ph.D.) - University of Queensland, 2006. / Includes graphs in back pocket. Includes bibliography.

Thesis (M.S.)--West Virginia University, 2006. / Title from document title page. Document formatted into pages; contains x, 89 p. : ill. (some col.). Includes abstract. Includes bibliographical references (p. 87-89).

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται το σχεδιασμό και την κατασκευή μίας διάταξης φόρτισης ενός κινητηρίου συστήματος. Η διάταξη αυτή, αποτελούμενη από μια μηχανή Συνεχούς Ρεύματος και έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα, παρέχει τη δυνατότητα εργαστηριακής εξομοίωσης ενός οποιουδήποτε φορτίου που επιθυμούμε να επιβληθεί στο ηλεκτροκινητήριο σύστημα. Η μεταβολή του φορτίου επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο έλεγχο του μετατροπέα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος, ο οποίος σε συνδυασμό με μία μηχανή συνεχούς ρεύματος ξένης διέγερσης, που λειτουργεί ως γεννήτρια, θα φορτίζει έναν κινητήρα που συνδέεται στον άξονα της, εξομοιώνοντας έργαστηριακά τις εξωτερικές δυνάμεις που ασκούνται σε ένα όχημα κατά την κίνηση του. Απώτερος στόχος είναι η κατάλληλη φόρτιση ενός οποιουδήποτε ελεγχόμενου ηλεκτροκινητήριου συστήματος ώστε να υλοποιηθεί ένα εργαστηριακό σύστημα το οποίο να παρέχει τη δυνατότητα διερεύνησης της λειτουργίας του κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες στατικής ή δυναμικής καταπόνησης καθώς και επιβεβαίωσης θεωρητικών αναλύσεων. Αρχικά γίνεται ανάλυση του φορτίου του κινητήρα ενός οχήματος και μέσω της εξίσωσης κινήσεως αναζητείται τρόπος ώστε να συνδεθεί κατάλληλα η σχέση αυτή με την εξίσωση που δίνει τη ροπή στον άξονα μιας μηχανής συνεχούς ρεύματος, ούτως ώστε να εξομοιωθεί το φορτίο του κινητήρα του οχήματος. Στη συνέχεια γίνεται η επιλογή του κατάλληλου για την εφαρμογή μετατροπέα και αναλύεται η λειτουργία του. Την θεωρητική μελέτη ακολουθεί η μελέτη του συστήματος σε περιβάλλον MATLAΒ/SIMULINK προκειμένου να εξακριβωθεί η ορθή λειτουργία του συνολικού συστήματος πριν την κατασκευή του. Συγχρόνως γίνεται η μελέτη για τον έλεγχο του ηλεκτρομηχανικού συστήματος, έτσι ώστε το σύστημα να λειτουργεί ανεξάρτητα, δίνοντας την κατάλληλη ροπή στον άξονα μετρώντας τον αριθμό στροφών, την κλίση του οδοστρώματος και την πραγματική ροπή στον άξονα της γεννήτριας. Τέλος, γίνεται η μελέτη και η κατασκευή της διάταξης στο εργαστήριο, με τη χρήση της οποίας διεξάγονται μετρήσεις για την επιβεβαίωση και την αξιολόγηση της θεωρητικής μελέτης. / This diploma thesis deals with the design and implementation of an electromechanical system able to strain a vehicle’s motor. This system consists of a Direct Current machine and a power converter, which can actually strain any given electric motor drive. Any desirable strain can be achieved on the electric motor drive, by controlling the converter properly. This study was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The purpose of this diploma thesis is the construction of an electromechanical system, which will be attached on the shaft of an electric motor in order to strain it and simulate a car’s driving conditions. The equation of a car’s motion is analyzed and the forces applied on a car are presented. Then these forces are combined with the torque applied on a Direct Current generator’s shaft in order to accomplish the simulation of the external forces applied on a car, while in motion. The next step is to confirm the theoretical analysis by computer simulation, which takes place in Matlab/Simulink environment. Finally, the design and manufacturing of the laboratory experimental set-up is being studied, in order to carry out the measurements required to confirm and evaluate the theory.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2003. / ENGLISH ABSTRACT: The versatility of power electronic converters has made them a dominant force in the current electrical and electronic engineering industry. So too industry presents a wider range of applications, forever demanding operation at higher power levels. To meet this need a variety of multilevel converters have evolved. The challenge often lies in the selection of the appropriate topology for a specific application. This thesis presents a practical comparison between the Series-Stacked and Neutral Point Clamped multilevel converter topologies as candidates for Medium Voltage Direct Current and Traction applications. Their configurations, characteristics, switching techniques and practical performances are compared, in order to aid the topology selection process. / AFRIKAANSE OPSOMMING: As gevolg van die veelsydigheid van drywings elektroniese omsetters word dit geimplementeer in n toenemende hoeveelheid toepassings met toenemende drywings vlakke in die elektriese en elektroniese industrie. Om aan hierdie behoefte te voorsien het n reeks veelvlak omsetters ontstaan. Die uitdaging hiermee is die keuse van die toepaslike topologie vir n spesifieke doelwit. Hierdie proefskrif vergelyk die Serie Gekoppelde en die Geklemde Neutrale Punt omsetters ten opsigte van konfigirasie, karakteristieke, skakel tegnieke en praktiese werksverrigting om die toepaslikheid te bepaal vir Medium Spanning Gelykstroom en Traksie toepassings.

High performance ac-to-dc converters are required to meet the regulation standards to suit wide variety of applications. This thesis presents the steady state analysis, design and operation of high frequency (HF) transformer isolated resonant converters on the single phase utility line as a low harmonic controlled rectifier. Two resonant converter configurations of third order have been studied namely the LCC-type parallel resonant converter also popularly known as series-parallel resonant converter (SPRC) and the hybrid parallel-series resonant converter bridge (HPSRCB). These converters are operated at HF using variable frequency as well as fixed frequency control and they operate in different modes depending on the choice of switching frequency and load. The variable frequency SPRC is operated in discontinuous current mode (DCM), to obtain low line current total harmonic distortion (T.H.D.) and high power factor (pf), without using active control. State space analysis has been presented for one of the predominant circuit modes encountered during its operation in DCM. The various design constraints for operating the resonant converter on the utility line for high pf operation have been stated for different control schemes. In addition, steady state analysis, design optimization carried out for dc-dc converter have been presented. The effect of resonant capacitor ratio on the converter performance characteristics have been studied. SPICE3 simulations and experimental results obtained from a 150 W converter are presented to verify the theory. Continuous current mode (CCM) operation of the SPRC, and its effect on the line current T.H.D. and pf are studied. Both fixed and variable frequency control schemes have been used to control the SPRC. Complex ac circuit analysis method has been considered as the design tool to get the design curves and design of the SPRC operating on the utility line. SPICE3 simulation results for open loop operation and experimental results for both open as well as closed loop operations (active control), for two capacitance ratio's have been presented to verify the converter performance. It is shown that nearly sinusoidal line current operation at unity pf can be obtained with closed loop operation. A HPSRCB has been proposed and operated at very high pf on the utility line as a controlled rectifier. Some of the predominant operating modes of the fixed and variable frequency HPSRCB have been identified. The steady state analysis using state space modeling presented for a dc-to-dc converter has been extended to analyze the ac-to-dc converter. Using the large signal discrete time domain model, the time variation of line current and line pf have been predicted using PROMATLAB for both fixed and variable frequency operations of HPSRCB on the utility line. SPICE3 simulation results without active control and experimental results obtained from the bread board model for both open as well as closed loop fixed and variable frequency operations have been presented to verify the theory and design performance. / Graduate

La production d’électricité par des sources photovoltaïques joue un grand rôle dans les démarches qui visent à remplacer progressivement les combustibles fossiles par des sources d’énergie alternatives. La production énergétique photovoltaïque est en plein essor depuis l’introduction de systèmes photovoltaïques qui sont abordables pour des particuliers, une évolution à laquelle les subventions de l’Etat ont contribuée. C’est la raison pour l’installation de systèmes photovoltaïques dans des zones urbaines où les topologies conventionnelles de panneaux photovoltaïques en couplage série, qui sont appliquées dans les parc solaires, sont moins efficaces en raison des effets d’ombrage partiel par l’environnement urbain. Ce problème peut être réduit par l’application d’une topologie modulaire où chaque panneau est traité individuellement et indépendamment du reste des panneaux de couplage. Pour parvenir à cette modularité une topologie de convertisseur doit être développée qui peut être intégrée dans chaque module solaire. Dans le cadre de cette thèse un nouveau concept d'une installation solaire hybride modulaire a été étudié. Ce concept englobe le développement d'une topologie de convertisseur associé,qui peut être intégrée dans chaque module solaire du système solaire. Pour améliorer encore l’aspect de miniaturisation pour cette topologie de convertisseur et réduire ainsi le volume global du convertisseur, une augmentation de la fréquence de commutation accompagnée par l'utilisation de transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT) a été fixée. Pour cette application,un HEMT sur la base de nitrure de gallium (GaN), qui est disponible dans le commerce auprès de la société EPC a été sélectionné. L'objectif de la thèse est le développement d’un nouveau concept d’un driver intégré avec une séparation galvanique qui est capable de contrôler les HEMT du convertisseur solaire avec une fréquence de commutation de l'ordre mégahertz.À cette fin, une technologie à haute température, fournie par X -Fab Semiconductors AG a été choisie et une bibliothèque de composants contenant toutes les cellules nécessaires à la conception du pilote ASIC a été développée. Pour le driver ASIC un circuit de tension de base a été développé qui génère une tension core stable qui est apte à supporter sans problèmes une large gamme de tensions d'alimentation (5V - 18V) qu’ainsi que les changements de température dans la gamme de température étendue (-40°C -175°C) de la nouvelle technologie ASIC haute température XA035 fourni par X-Fab. Pour réaliser la transmission du signal de commutation à travers l'isolation galvanique, plusieurs circuits ont été évalués et un nouvel algorithme de codage Manchester modifié a été élaboré pour réduire la complexité des éléments de couplage requis.Cela a permis la transmission différentielle de signaux de données et d'horloge sur seulement deux voies de signaux à séparation galvanique. En utilisant ce schéma de codage, une transmission de données à isolation galvanique a été développée, qui permet la transmission d’un signal codé PWM avec une fréquence allant jusqu'à 50 MHz. En outre, le circuit de driver lui même a été intégré ce qui permet de contrôler le nitrure de gallium (GaN) HEMT utilisé avec une fréquence de 5 MHz avec un minimum de retard entre les signaux d'entrée et de sortie.Ceci a permis l'augmentation susmentionnée de la fréquence de commutation du convertisseur et la réduction concomitante du volume global.Comme le concept de driver low-side qui a été développé utilise une isolation galvanique, il peut être utilisé aussi pour commander des transistors high-side, cette technologie n'est pas limitée à l'application dans un convertisseur photovoltaïque et il est envisageable qu’il puisse être réutilisé dans des types de conversion avec une topologie multi-level qui nécessite la commande du HEMT avec une fréquence de commutation élevée. / The generation of electricity through photovoltaic sources plays a great role in the transition from fossil fuel sources to alternate energy sources. It has been on the rise in the especially since the introduction of affordable photovoltaic systems for private customers accompanied by public subsidies. This leads to the application of photovoltaic systems in urban areas where conventional string topologies of photovoltaic arrays that are applied in solar parks are less efficient due to the effects of partial shading by the urban environment. This issue can be reduced by changing the photovoltaic array to a modular topology where each panel is treated individually and independently from the rest of the array. To achieve this modularity a converter topology needs to be developed that can be integrated into each solar module.In the frame of this work a novel concept of a hybrid modular solar array was researched and a converter topology supporting the solar modules was developed. To reinforce the miniaturization aspect of the converter topology the increase of switching frequency and the use of high-electron-mobility-transistors (HEMT) was decided. The focus of the thesis was to develop a novel integrated galvanically-isolated driver concept that is able to drive the HEMTs of the solar converter with a switching frequency in the MHz range. A high-temperature technology provided by X-Fab Semiconductors AG was chosen for this purpose and a component library containing all cells required for the design of the driver ASIC was developed. For the driver ASIC a core voltage circuit was developed that provides a stable core voltage of 3.3V while being able to tolerate a wide range of supply voltages (5V - 18V) as well as temperature changes in the complete extended temperature range (-40°C - 175°C) of the novel high-temperature ASIC technology XA035 provided by X-Fab. To achieve the transmission of the switching signal over the galvanic isolation several coupler circuits were evaluated and a novel modified Manchester coding algorithm was developed to reduce the complexity of the required coupling elements. This modified Manchester code enables the decoding and the rebuilding of the clock signal from just a single transmitted encoded signal and does not require the additional transmission of the original clock signal to for the decoding process usually necessary in a great part of conventional Manchester decoder circuits. Furthermore the driver circuit itself was developed that is able to drive the used GaN HEMT at a frequency of 5MHz with minimal delay between input and output signal of the driver.As the developed galvanically-isolated driver ASIC exhibits a low-side driver topology that can be also be applied for the high-side due to the galvanic isolation its use is not limited to the application in the presented modular photovoltaic system and it can be reused in any kind of multi-level converter topology that requires the driving of HEMTs with a high switching frequency. / Die Erzeugung elektrischer Energie durch Photovoltaik spielt angesichts des angestrebtenEnergiewechsels weg von fossilen Brennstoffen und hin zu erneuerbaren Energien eine bedeutendeRolle. Die photovoltaische Energieerzeugung befindet sich seit der Einführung erschwinglicherSolarmodule gepaart mit staatlichen Subventionen besonders im privaten Bereichim Aufschwung. Dies führte dazu, dass es auch im urbanen Bereich zum Aufbau vonPhotovoltaikanlagen kam, wo sich die herkömmlichen Reihenschaltungs-Topologien, die ingroßen Solarparks zur Anwendung kommen als nicht sehr effektiv erweisen, was besondersauf auftretende Teilverschattung durch die urbane Umgebung zurückzuführen ist. DiesesProblem kann durch die Verwendung von modularer Topologien verringert werden, da hier alleSolarpanels individuell und unabhängig voneinander behandelt werden können. Um diese Modularitätzu ermöglichen muss eine Wandlertopologie entwickelt werden, die in einzelne Solarmoduleintegriert werden kann.Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges Konzept einer hybriden, modularen Solaranlageuntersucht. Dieses Konzept umfasste die Entwicklung einer zugehörigen Wandlertopologie,die in jedes Solarmodul der Solaranlage integriert werden kann. Um den Miniaturisierungsaspektfür diese Wandlertopologie noch zu verstärken und somit das Bauvolumen des Wandlerszu reduzieren, wurde eine Erhöhung der Schaltfrequenz einhergehend mit dem Einsatzvon Transistoren mit hohen Elektronenbeweglichkeit (high-electron-mobility transistor; HEMT)festgelegt. Für diese Anwendung wurde ein HEMT basierend auf Gallium-Nitrid (GaN), derkommerziell von der Firma EPC angeboten wird, ausgewählt. Der Schwerpunkt der vorliegendenArbeit war nun die Entwicklung eines neuartigen integrierten und galvanisch-isoliertenTreiberkonzepts das ermöglichen sollte, diese HEMTs bei einer Schaltfrequenz im MegahertzBereich zu betreiben. Zu diesem Zweck wurde, für die Erstellung des ASIC und einer zugehörigenBauteilebibliothek, eine hochtemperaturfähige CMOS Technologie ausgewählt, die vonX-Fab Semiconductor AG zur Verfügung gestellt wurde. Für die Verwendung im Treiber-ASICwurde eine Schaltung entwickelt, die eine stabile Core-Spannung zur Verfügung stellen kann,die sowohl Versorgungsspannungsabweichungen in einem weiten Bereich (5V-18V) als auchTemperaturabweichungen über den gesamten erweiterten Temperaturbereich (-40°C - 175°C)der XA035 Technologie von X-Fab problemlos tolerieren kann. Um die Übertragung eines Datensignalüber die im Modul präsente galvanische Trennung zu ermöglichen, wurden sowohlmehrere galvanisch Isolierte Koppelkonzepte ausgewertet als auch die Entwicklung eines neuartigenmodifizierten Manchester Kodierungsverfahren vorangetrieben, das es ermöglicht, denUmfang der benötigten galvanischen Koppelelemente zu reduzieren. Dieser modifizierte ManchesterCode erlaubt das Dekodieren und die Wiedergewinnung des Takts aus nur einemübertragenen Signals und benötigt nicht die zusätzliche Übertragung des ursprünglichen Taktsignalsfür den Dekodierungsprozess, wie dies bei vielen herkömmlichen Manchester Decoder-Schaltungen der Fall ist. Dies ermöglichte die differentielle Übertragung von Datensignalund Takt über nur zwei galvanisch isolierte Signalpfade. Unter Verwendung dieses Kodierungsverfahrenswurde eine galvanisch isolierte Datenübertragung realisiert, die ein kodiertesPWM Signal mit einer Frequenz von bis zu 50MHz überträgt. Weiterhin wurde die Treiberschaltungselbst einwickelt, die es ermöglicht den verwendeten Gallium-Nitrid (GaN) HEMTmit einer Frequenz von 5MHz mit minimaler Verzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignaldes Treibers anzusteuern. Damit würde die zuvor erwähnte Erhöhung der Schaltfrequenzdes Wandlers und die damit einhergehende Reduzierung des Bauvolumens erreicht.