O aquecimento indutivo e uma técnica utilizada na indústria para obter resultados de fundição, brasagem, forjaria e também tratamento térmico, aplicação foco deste trabalho. O aquecimento indutivo dá-se através de campos eletromagnéticos induzidos a uma peca metálica, a qual se deseja aquecer. Isso faz com que haja um aumento de temperatura sobre a peca devido ao efeito joule, corrente de foucault e histerese, entre outros efeitos. Para gerar os efeitos acima relatados, são necessários conversores de alta potência e frequência. Tais conversores são compostos em muitos casos de: um retificador, um capacitor filtro de barramento, um inversor e um circuito ressonante. Neste trabalho e proposto a topologia de um circuito ressonante LLC sendo chaveado por um inversor ponte completa. Como todo circuito ressonante, em operação a frequências próximas da ressonância, as correntes são elevadas e consegue-se operar com chaveamento em comutação suave. Entre algumas vantagens da topologia LLC frente a topologias como a série-ressonante, por exemplo, podem-se citar: proteção contra curto-circuito e fácil casamento de impedância entre o circuito ressonante e o inversor. No entanto, conversores com retificadores comuns possuem baixo fator de potência, FP=0,5. Para resolver este problema, propõe-se a utilização de um retificador de alto fator de potência integrado ao conversor através do inversor, formando um sistema de aquecimento indutivo integrado a um retificador com alto fator de potência. Através de um dos braços de comutação do inversor, dá-se o controle do retificador e do conversor ao mesmo tempo. A técnica apresentada resulta em um projeto de custo reduzido e baixo nível de complexidade de implantação. Para controlar a potência do sistema e utilizada uma modulação PWM assimétrica com razão cíclica variável que controla os dois conversores simultaneamente. / Induction heating is a technique used in industry to get results like casting, brazing, forging and heat treatment also, application focus of this work. Induction heating occurs through electromagnetic fields induced in a metal part, which it wants to warm up. This means that there is an increase in temperature on the piece it wants to heat up due to the Joule effect, eddy current and hysteresis, among other effects. To generate the effects reported above, high power converters and frequency are required. These converters are composed in many cases by: a rectifier, filter capacitor DC Link, an inverter and a resonant circuit. This paper proposes the topology of LLC resonant circuit being switched by a full bridge inverter. Like any resonant circuit operating at near of the resonance frequencies, the currents are high and it is possible to operate with soft switching. Among some advantages of the LLC topology against other topologies such as series resonant, for example, can be mention: protection against short-circuit and easy impedance matching between the resonant circuit and the inverter. However, converters with common rectifiers have low power factor. To solve this problem, the use of a rectifier high power factor built into the converter is proposed. This rectifier is integrated into the converter through the inverter, forming a single stage high power factor induction heating system. Through an arm of the inverter is given the control of the rectifier and the converter at the same time. The technique presented results in low cost and low complexity implementation. An asymmetric PWM modulation is used with variable duty cycle to control the power system, which controls both converters at the same time.

A presente dissertação apresenta uma análise comparativa entre os resultados experimentais de dois retificadores monofásicos. Também apresenta o estudo e projeto de um retificador trifásico, o qual é destinado ao processamento de energia elétrica proveniente de aerogeradores de pequeno porte. Ambos retificadores possuem elevado fator de potência, são modulados por largura de pulso e são baseados no conversor CC-CC SEPIC operando no modo de condução descontínuo. Com a finalidade de validar os estudos teóricos, são apresentados os resultados obtidos via simulação numérica e os resultados experimentais obtidos de cada um dos três retificadores. As especificações dos retificadores monofásicos são: potência processada de 500W; tensão de entrada de 220V; tensão de saída de 200V; frequência de comutação de 50kHz. As especificações do retificador trifásico são as mesmas que a dos monofásicos, exceto, pela potência processada que é de 1,5kW. / The present master thesis presents a comparative analysis between the experimental results of two single-phase rectifiers. Also presents the study and design of a three-phase rectifier, which is intended for processing power from small wind turbines. Both rectifiers have high power factor, is modulated by pulse width and are based on DC-DC SEPIC converter operating in discontinuous conduction mode. In order to validate the theoretical studies, presents the results obtained by numerical simulation and experimental results for each of the three rectifiers. The specifications of the single-phase rectifiers are: processed power of 500W; input voltage of 220V; output voltage of 200V; 50kHz switching frequency. The specifications of the three-phase rectifier is the same as that of single phase, except that it is processed by the power of 1.5kW.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Due to the considerable increase of electronic power processing devices in various segments of industry it becomes necessary to control and limit the current harmonic content injected into the distribution systems through the development of pre-regulator converters. In this context, this paper presents an analysis of a hybrid three-phase rectifier developed for power factor correction to be used as an utility interface of power electronics converters. The proposed structure is composed of an ordinary three-phase six-pulse diode-bridge rectifier (Graetz Bridge) with a parallel connection of single-phase SEPIC converters in each threephase rectifier leg. The main feature of the proposed structure is the power sharing technique which assures robustness, cost reduction and high reliability. In this work, is presented a complete discussion about the controlled rectifier s power contribution and also a complete analysis concerning the total harmonic distortion of current. Mathematical modeling analysis using state variables is presented. Experimental results of 5 kW laboratory prototype using DSP-based control technique are presented in order to corroborate with the theoretical analysis. / Devido ao considerável aumento dos dispositivos eletrônicos que processam potência nos vários segmentos da indústria, torna-se necessário controlar e limitar o conteúdo harmônico de corrente injetado nos sistemas de distribuição através do desenvolvimento de conversores pré-reguladores. Neste contexto, este trabalho apresenta uma análise do retificador híbrido trifásico desenvolvido para correção do fator de potência, que será utilizado como uma interface para conversores eletrônicos. A estrutura proposta é composta por um retificador trifásico de seis pulsos (Ponte de Graetz) com uma conexão em paralelo de conversores SEPIC monofásicos com cada braço do retificador trifásico. A principal característica da estrutura proposta é a técnica de divisão de processamento de potência que garante robustez, redução de custos e alta confiabilidade. Neste trabalho, é apresentada uma discussão completa sobre a contribuição de potência dos retificadores controlados e também uma análise completa sobre a distorção harmônica total de corrente. Uma análise por modelagem matemática utilizando variáveis de estado é apresentada. Resultados experimentais para um protótipo de laboratório de 5 kW utilizando uma técnica de controle baseada em DSP são apresentados, corroborando com a análise teórica. / Mestre em Ciências

This dissertation is particularly focused on a novel approach of a wirelessly powered neuromodulation system for chronic patients. The inductively coupled transmitter (TX) and receiver (RX) coils are designed through optimization to achieve maximum efficiency. A power management unit (PMU) consisting of a voltage rectifier, voltage regulator along with a stimulation circuitry is also designed to provide pulse stimulation to genetically modified neurons. For continuous health monitoring purposes, the response from the brain due to stimulation needs to be recorded and transmitted wirelessly outside the brain for analysis. A low-power high-data duty-cycled impulse-radio ultra-wideband (IR-UWB) transmitter is designed and implemented using the standard CMOS process. Another focus of this dissertation is the design of a reverse electrowetting-on-dielectric (REWOD) based energy harvesting circuit for wearable sensor applications which is capable of generating a very low-frequency signal from motion activity such a walking, running, jogging, etc. A commercial off-the-shelf (COTS) based and on-chip based energy harvesting circuit is designed for very low-frequency signals. The experimental results show promising progress towards the advancement in the wirelessly powered neuromodulation system and building the self-powered wearable sensor.

Electromagnetic based energy harvesting systems such as Variable reluctance energy harvesting systems (VREH) have shown to be an effective way of extracting the energy of rotating parts. The transducer can provide enough power to run an electronic sensing system, but the problem arises in finding an efficient way of rectifying that power to generate a stable energy supply to run a system, which this report will investigate. Active and passive voltage doublers have proven to be a suitable candidate in solving this issue due to the simplicity and the small footprint. This thesis will aim to compare active and passive voltage doublers under various scenarios in order to understand under which circumstances are active or passive voltage doublers to be preferred. From the conducted experimental measurements, this thesis concluded that active voltage doublers are recommended during high RPMs (>10 RPM) while passive voltage doublers (especially fullwave voltage doubler) is recommended at lower RPMs. Quality of power also plays a significant role in this study. Therefore, measurements have also been done for ripple and rise time. From the measurements, this thesis can conclude that the overall power quality was the best in Full-wave voltage doublers, while Active-voltage doublers had lower ripple than FWVDs at higher current loads.

One of the requirements for the next generation of power supplies for distributed power systems (DPSs) is to achieve high power density with high efficiency. In the traditional front-end converter based on the two-stage approach for high-power three-phase DPSs, the DC-link voltage coming from the power factor correction (PFC) stage penalizes the second-stage DC/DC converter. This DC/DC converter not only has to meet the characteristics demanded by the load, but also must process energy with high efficiency, high reliability, high power density and low cost. To meet these requirements, approaches such as the series connection of converters and converters that reduce the voltage stress across the main devices have been proposed. In order to improve the characteristics of these solutions, this dissertation proposes high-efficiency, high-density DC/DC converters for high-power high-voltage applications. In the first part of the dissertation, a DC/DC converter based on a three-level structure and operated with pulse width modulation (PWM) phase-shift control is proposed. This new way to operate the three-level DC/DC converter allows soft-switching operation for the main devices. Zero-voltage switching (ZVS) and zero-voltage and zero-current switching (ZVZCS) soft-switching techniques are studied, analyzed and compared in order to improve the characteristics of the proposed converter. This results in a series of ZVS and ZVZCS three-level DC/DC converters for high-power high-voltage applications. In all cases, results from 6kW prototypes operating at 100 kHz are presented. In addition, with the ultimate goal of improving the power density of the DC/DC converter, a study of several resonant DC/DC converters that can operate at higher switching frequencies is presented. From this study, a three-element ZVS three-level resonant converter for applications with wide input voltage and load variations is proposed. Experimental results at 745 kHz obtained without penalizing the efficiency of the PWM approaches are presented. The second part of the dissertation proposes a quasi-integrated AC/DC three-phase converter that aims to reduce the complexity and cost of the traditional two-stage front-end converter. This converter improves the complexity/low-efficiency tradeoff characteristics evident in the two-stage approach and previous integrated converters. The principle of operation for the converter is analyzed and verified on a 3kW experimental prototype. / Ph. D.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema trifásico para a carga rápida de baterias de veículos elétricos, com elevado fator de potência, isolação em alta frequência e reduzidos esforços de corrente. O sistema proposto baseia-se em uma estrutura de estágio único, integrando a etapa retificadora trifásica com um conversor CC–CC isolado em alta frequência. Esta estrutura utiliza dois conjuntos de retificadores bidirecionais trifásicos de dois níveis operando com controle da defasagem entre eles. São inseridos transformadores de alta frequência entre os braços de comutação, no total de três transformadores e um retificador e um indutor de filtro na saída. Esta estrutura permite a utilização da modulação PWM clássica para o controle das correntes de entrada, com elevado fator de potência, além de controlar a tensão do barramento primário. O controle do ângulo de defasagem entre os dois módulos retificadores permite controlar o fluxo de potência entre o barramento primário e o secundário, possibilitando o controle independente da corrente de saída do conversor. A operação integrada dos módulos retificadores e transformadores de alta frequência, permite obter algumas características importantes como redução das ondulações de corrente de entrada e de saída devido a operação multifase dos retificadores, divisão dos esforços de corrente entre os semicondutores, entre os indutores de entrada e divisão da potência nos transformadores de alta frequência (importantes para a operação em alta potência), um único estágio de processamento de energia com controles independentes das correntes de entrada e saída, operação com comutação suave na maioria dos interruptores e possibilidade de operação bidirecional entre a rede e outra fonte CC, tais como painéis fotovoltaicos, permitindo a redução do impacto dos sistemas de carga rápida no sistema elétrico, e também possibilitando a injeção de energia em períodos ociosos. O trabalho apresenta a análise da topologia, projeto e implementação de um protótipo de 10 kW para a carga rápida de baterias. / This work presents the development of a three-phase system for fast charging electric vehicle batteries, with high power factor, insulation at high frequency and low current stresses. The proposed system is based on a single-stage structure, by integrating the three-phase rectifier stage with a DC–DC converter isolated at high frequency. The proposed structure is based on the use of two sets of two levels bidirectional three-phase rectifiers operating with phase shift control between them. High–frequency transformer are inserted between the arms of each switching set, for a total of three transformers and a rectifier and a filter inductor on the output. This structure allows the use of classical PWM to control the input currents, obtaining high power factor, besides controlling the voltage of the primary bus. The phase shift control angle between the two rectifier modules allows to control the flow of power between the primary and the secondary bus, allowing independent control of the output current. The integrated operation of rectifier modules and high frequency transformers, allow to obtain some important operating characteristics such as reducted input current ripple and output by multi-phase operation of the rectifiers, division of the current efforts of the semiconductor between the input inductors and power division in the high-frequency transformers (important for operation with high power), single power processing stage with independent control of input and output currents, soft switching operation on most switches and possibility of bidirectional operation between the power grid and other DC source, such as photovoltaic panels, allowing the reduction of the impact of fast charge systems in the electrical system, and also enabling injection of energy in idle periods. his work presents the analysis of the topology, design and implementation of a 10 kW prototype for the fast charging batteries.

NHS / Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de um retificador Ponte Completa isolado em alta frequência com elevado fator de potência para aplicações em UPS. Este conversor é composto por um conversor Boost multi-fase operando em modo contínuo (CCM) integrado a um conversor ZVS CC-CC Ponte Completa sem o indutor de saída operando em modo descontínuo (DCM). A topologia apresenta comutação suave intrínseca, permitindo a operação com baixas perdas por comutação em altas frequência. Este conversor também apresenta operação multi-fase e redução da ondulação da corrente de entrada com o uso de dois indutores de entrada. A estrutura sem ponte de diodos possibilita a redução do número de componentes da etapa de potência, apresentando baixas perdas por condução. A implementação de uma nova malha de controle de potência, adicional ao controle convencional, permite melhor resposta dinâmica do conversor. Os detalhes da estratégia de controle, bem como o projeto dos componentes do circuito são apresentados. Os resultados são obtidos através de um protótipo com frequência de chaveamento de 43,2 kHz e comprovados através da simulação, sendo o rendimento máximo é igual a 92,2 % com potência nominal, 1,7 kW. Um novo controle com duas modulações independentes também é proposto, permitindo o conversor também operar como abaixador de tensão. Esta modificação possibilita maior faixa de tensão de saída do conversor e consequentemente para a saída do UPS. / This paper presents the development and implementation of a high power factor full-bridge rectifier with high frequency isolation for UPS applications. This converter is composed by a multiphase boost converter operating in continuous mode (CCM) integrated with a ZVS DC-DC full-bridge converter without the output inductor and operating in discontinuous mode (DCM). The topology presents intrinsic ZVS commutation allowing the operation with lower switching losses at higher frequencies. It also presents multiphase operation and input current ripple reduction by using two input inductors. The structure bridgeless rectifier reduces the number of semiconductors in conduction of power circuit, presenting lower conduction losses. The implementation of a new power loop control, allows a better dynamic converter response. Details of the control strategy and circuits components design are presented. The results are verified through a prototype with switching frequency equal to 43,2 kHz and the maximum efficiency is equal to 92,2 % at nominal power, 1,7 kW. A new control with two independent modulations is also proposed, allowing the converter operating also as step-down voltage. This modification provides greater range of converter output voltage and thus the output of the UPS.

NHS / Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de um retificador Ponte Completa isolado em alta frequência com elevado fator de potência para aplicações em UPS. Este conversor é composto por um conversor Boost multi-fase operando em modo contínuo (CCM) integrado a um conversor ZVS CC-CC Ponte Completa sem o indutor de saída operando em modo descontínuo (DCM). A topologia apresenta comutação suave intrínseca, permitindo a operação com baixas perdas por comutação em altas frequência. Este conversor também apresenta operação multi-fase e redução da ondulação da corrente de entrada com o uso de dois indutores de entrada. A estrutura sem ponte de diodos possibilita a redução do número de componentes da etapa de potência, apresentando baixas perdas por condução. A implementação de uma nova malha de controle de potência, adicional ao controle convencional, permite melhor resposta dinâmica do conversor. Os detalhes da estratégia de controle, bem como o projeto dos componentes do circuito são apresentados. Os resultados são obtidos através de um protótipo com frequência de chaveamento de 43,2 kHz e comprovados através da simulação, sendo o rendimento máximo é igual a 92,2 % com potência nominal, 1,7 kW. Um novo controle com duas modulações independentes também é proposto, permitindo o conversor também operar como abaixador de tensão. Esta modificação possibilita maior faixa de tensão de saída do conversor e consequentemente para a saída do UPS. / This paper presents the development and implementation of a high power factor full-bridge rectifier with high frequency isolation for UPS applications. This converter is composed by a multiphase boost converter operating in continuous mode (CCM) integrated with a ZVS DC-DC full-bridge converter without the output inductor and operating in discontinuous mode (DCM). The topology presents intrinsic ZVS commutation allowing the operation with lower switching losses at higher frequencies. It also presents multiphase operation and input current ripple reduction by using two input inductors. The structure bridgeless rectifier reduces the number of semiconductors in conduction of power circuit, presenting lower conduction losses. The implementation of a new power loop control, allows a better dynamic converter response. Details of the control strategy and circuits components design are presented. The results are verified through a prototype with switching frequency equal to 43,2 kHz and the maximum efficiency is equal to 92,2 % at nominal power, 1,7 kW. A new control with two independent modulations is also proposed, allowing the converter operating also as step-down voltage. This modification provides greater range of converter output voltage and thus the output of the UPS.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema trifásico para a carga rápida de baterias de veículos elétricos, com elevado fator de potência, isolação em alta frequência e reduzidos esforços de corrente. O sistema proposto baseia-se em uma estrutura de estágio único, integrando a etapa retificadora trifásica com um conversor CC–CC isolado em alta frequência. Esta estrutura utiliza dois conjuntos de retificadores bidirecionais trifásicos de dois níveis operando com controle da defasagem entre eles. São inseridos transformadores de alta frequência entre os braços de comutação, no total de três transformadores e um retificador e um indutor de filtro na saída. Esta estrutura permite a utilização da modulação PWM clássica para o controle das correntes de entrada, com elevado fator de potência, além de controlar a tensão do barramento primário. O controle do ângulo de defasagem entre os dois módulos retificadores permite controlar o fluxo de potência entre o barramento primário e o secundário, possibilitando o controle independente da corrente de saída do conversor. A operação integrada dos módulos retificadores e transformadores de alta frequência, permite obter algumas características importantes como redução das ondulações de corrente de entrada e de saída devido a operação multifase dos retificadores, divisão dos esforços de corrente entre os semicondutores, entre os indutores de entrada e divisão da potência nos transformadores de alta frequência (importantes para a operação em alta potência), um único estágio de processamento de energia com controles independentes das correntes de entrada e saída, operação com comutação suave na maioria dos interruptores e possibilidade de operação bidirecional entre a rede e outra fonte CC, tais como painéis fotovoltaicos, permitindo a redução do impacto dos sistemas de carga rápida no sistema elétrico, e também possibilitando a injeção de energia em períodos ociosos. O trabalho apresenta a análise da topologia, projeto e implementação de um protótipo de 10 kW para a carga rápida de baterias. / This work presents the development of a three-phase system for fast charging electric vehicle batteries, with high power factor, insulation at high frequency and low current stresses. The proposed system is based on a single-stage structure, by integrating the three-phase rectifier stage with a DC–DC converter isolated at high frequency. The proposed structure is based on the use of two sets of two levels bidirectional three-phase rectifiers operating with phase shift control between them. High–frequency transformer are inserted between the arms of each switching set, for a total of three transformers and a rectifier and a filter inductor on the output. This structure allows the use of classical PWM to control the input currents, obtaining high power factor, besides controlling the voltage of the primary bus. The phase shift control angle between the two rectifier modules allows to control the flow of power between the primary and the secondary bus, allowing independent control of the output current. The integrated operation of rectifier modules and high frequency transformers, allow to obtain some important operating characteristics such as reducted input current ripple and output by multi-phase operation of the rectifiers, division of the current efforts of the semiconductor between the input inductors and power division in the high-frequency transformers (important for operation with high power), single power processing stage with independent control of input and output currents, soft switching operation on most switches and possibility of bidirectional operation between the power grid and other DC source, such as photovoltaic panels, allowing the reduction of the impact of fast charge systems in the electrical system, and also enabling injection of energy in idle periods. his work presents the analysis of the topology, design and implementation of a 10 kW prototype for the fast charging batteries.