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.

Diferente do projeto de sistemas digitais, no qual as técnicas de projeto e ferramentas CAD vêm apresentando uma crescente evolução acompanhada da redução de seus preços, o projeto de sistemas analógicos CMOS ainda apresenta uma forte correlação com a experiência do projetista. Dentro deste contexto, importantes fatores como caracterização de tecnologia, modelamento de dispositivos e metodologia de projeto devem ser considerados. Este trabalho apresenta um estudo destes importantes fatores necessários para se realizar o projeto de um sistema analógico com menor custo, bom desempenho e reduzido tempo de projeto. Primeiramente, é necessária uma extensa caracterização da tecnologia CMOS a ser usada, onde os parâmetros que descrevem as caracteristicas elétricas dos dispositivos são obtidos. A partir desta caracterização e das especificações requeridas para o circuito, é feita uma modelagem e sintese a fim de se obter as dimensões dos transistores. Ferramentas para a análise do desempenho elétrico são utilizadas a seguir, antes de se realizar a descrição geométrica (layout) do circuito. Com o layout pronto, uma nova simulação elétrica é feita incluindo os efeitos geométricos, incluindo-se os parasitas R, C e L extraídos do layout. Se os resultados forem satisfatórios, o circuito está pronto para fabricação; havendo degradação do desempenho esperado, uma nova iteração de projeto é realizada. Mais especificamente, este trabalho ilustra o processo de análise de vários circuitos analógicos, assim como as caracteristicas de cada circuito em questão, empregando diferentes metodologias de projeto. Uma metodologia de projeto convencional, baseada em modelos onde se obtém uma equação explícita para a corrente válida na região de operação de saturação do transistor, e uma metodologia de projeto baseada na caracteristica g,/ID do transistor, que apresenta uma sintese unificada, considerando todas as regiões de operação do transistor MOS. Os circuitos a serem analisados e projetados neste trabalho são blocos considerados básicos para construção da maioria dos sistemas analógicos usados atualmente, como, por exemplo, Moduladores Sigma-Delta. Tais blocos são amplificadores, comparadores e filtros analógicos. A metodologia de projeto, baseada em parâmetros do modelo elétrico, é apresentada, enfatizando a caracteristica ~,/ID do transistor. Simulações elétricas serão realizadas (esquemático e layout extraído) para cada bloco, validando-se o projeto para as especificações requeridas. / Design techniques and CAD tools for digital systems are advancing rapidly at decreasing cost, while CMOS analog circuit design is related mostly with the individual experience and background of the designer. Therefore, the design of an analog circuit depends on several factors such as a reliable design methodology, good modeling and circuit fabrication technology characterization. This work presents a study of these factors that allow an analog system to be designed with high quality and performance at low cost, in a reasonable design time. First, an extensive characterization of the technology must be developed, where a11 the parameters that describe the electrical properties of the device are obtained. When this task is complete, an extensive analysis and modeling is made, transforming specifications into circuits with the transistor dimensions calculated. This leads to another important task - using electrical simulation to predict the performance of the circuit. Once the performance goals are satisfied, the designer is faced with the task of geometrical description (layout) of the circuit. Once the layout is finished, it is necessary to include the geometrical effects in a post-extraction simulation. If the results are satisfactory, the circuit is ready for fabrication. In case the specifications are not met, new design iteration must be undertaken. Most of this work focuses on the analysis of several analog circuits, including their functionality, using different design methodologies. A "conventional" design methodology, based on the modeling where a current equation is obtained considering that the transistor is in the saturation region, and a design methodology based on the gm/ID characteristic, that allows a unified synthesis methodology in a11 regions of operation of the transistor. The analog circuits to be analyzed and designed in this work are basic building blocks (amplifiers, comparators and analog filters) that find vast applications today, including an application of interest - Sigma-Delta Modulators. The design methodology based on the g,,lI~ characteristic, and the electrical device parameters related to them, are exercised in this work. In order to demonstrate this analysis, electrical simulations (schematic and extracted layout) of performance will be obtained for each block.

Diferente do projeto de sistemas digitais, no qual as técnicas de projeto e ferramentas CAD vêm apresentando uma crescente evolução acompanhada da redução de seus preços, o projeto de sistemas analógicos CMOS ainda apresenta uma forte correlação com a experiência do projetista. Dentro deste contexto, importantes fatores como caracterização de tecnologia, modelamento de dispositivos e metodologia de projeto devem ser considerados. Este trabalho apresenta um estudo destes importantes fatores necessários para se realizar o projeto de um sistema analógico com menor custo, bom desempenho e reduzido tempo de projeto. Primeiramente, é necessária uma extensa caracterização da tecnologia CMOS a ser usada, onde os parâmetros que descrevem as caracteristicas elétricas dos dispositivos são obtidos. A partir desta caracterização e das especificações requeridas para o circuito, é feita uma modelagem e sintese a fim de se obter as dimensões dos transistores. Ferramentas para a análise do desempenho elétrico são utilizadas a seguir, antes de se realizar a descrição geométrica (layout) do circuito. Com o layout pronto, uma nova simulação elétrica é feita incluindo os efeitos geométricos, incluindo-se os parasitas R, C e L extraídos do layout. Se os resultados forem satisfatórios, o circuito está pronto para fabricação; havendo degradação do desempenho esperado, uma nova iteração de projeto é realizada. Mais especificamente, este trabalho ilustra o processo de análise de vários circuitos analógicos, assim como as caracteristicas de cada circuito em questão, empregando diferentes metodologias de projeto. Uma metodologia de projeto convencional, baseada em modelos onde se obtém uma equação explícita para a corrente válida na região de operação de saturação do transistor, e uma metodologia de projeto baseada na caracteristica g,/ID do transistor, que apresenta uma sintese unificada, considerando todas as regiões de operação do transistor MOS. Os circuitos a serem analisados e projetados neste trabalho são blocos considerados básicos para construção da maioria dos sistemas analógicos usados atualmente, como, por exemplo, Moduladores Sigma-Delta. Tais blocos são amplificadores, comparadores e filtros analógicos. A metodologia de projeto, baseada em parâmetros do modelo elétrico, é apresentada, enfatizando a caracteristica ~,/ID do transistor. Simulações elétricas serão realizadas (esquemático e layout extraído) para cada bloco, validando-se o projeto para as especificações requeridas. / Design techniques and CAD tools for digital systems are advancing rapidly at decreasing cost, while CMOS analog circuit design is related mostly with the individual experience and background of the designer. Therefore, the design of an analog circuit depends on several factors such as a reliable design methodology, good modeling and circuit fabrication technology characterization. This work presents a study of these factors that allow an analog system to be designed with high quality and performance at low cost, in a reasonable design time. First, an extensive characterization of the technology must be developed, where a11 the parameters that describe the electrical properties of the device are obtained. When this task is complete, an extensive analysis and modeling is made, transforming specifications into circuits with the transistor dimensions calculated. This leads to another important task - using electrical simulation to predict the performance of the circuit. Once the performance goals are satisfied, the designer is faced with the task of geometrical description (layout) of the circuit. Once the layout is finished, it is necessary to include the geometrical effects in a post-extraction simulation. If the results are satisfactory, the circuit is ready for fabrication. In case the specifications are not met, new design iteration must be undertaken. Most of this work focuses on the analysis of several analog circuits, including their functionality, using different design methodologies. A "conventional" design methodology, based on the modeling where a current equation is obtained considering that the transistor is in the saturation region, and a design methodology based on the gm/ID characteristic, that allows a unified synthesis methodology in a11 regions of operation of the transistor. The analog circuits to be analyzed and designed in this work are basic building blocks (amplifiers, comparators and analog filters) that find vast applications today, including an application of interest - Sigma-Delta Modulators. The design methodology based on the g,,lI~ characteristic, and the electrical device parameters related to them, are exercised in this work. In order to demonstrate this analysis, electrical simulations (schematic and extracted layout) of performance will be obtained for each block.

Diferente do projeto de sistemas digitais, no qual as técnicas de projeto e ferramentas CAD vêm apresentando uma crescente evolução acompanhada da redução de seus preços, o projeto de sistemas analógicos CMOS ainda apresenta uma forte correlação com a experiência do projetista. Dentro deste contexto, importantes fatores como caracterização de tecnologia, modelamento de dispositivos e metodologia de projeto devem ser considerados. Este trabalho apresenta um estudo destes importantes fatores necessários para se realizar o projeto de um sistema analógico com menor custo, bom desempenho e reduzido tempo de projeto. Primeiramente, é necessária uma extensa caracterização da tecnologia CMOS a ser usada, onde os parâmetros que descrevem as caracteristicas elétricas dos dispositivos são obtidos. A partir desta caracterização e das especificações requeridas para o circuito, é feita uma modelagem e sintese a fim de se obter as dimensões dos transistores. Ferramentas para a análise do desempenho elétrico são utilizadas a seguir, antes de se realizar a descrição geométrica (layout) do circuito. Com o layout pronto, uma nova simulação elétrica é feita incluindo os efeitos geométricos, incluindo-se os parasitas R, C e L extraídos do layout. Se os resultados forem satisfatórios, o circuito está pronto para fabricação; havendo degradação do desempenho esperado, uma nova iteração de projeto é realizada. Mais especificamente, este trabalho ilustra o processo de análise de vários circuitos analógicos, assim como as caracteristicas de cada circuito em questão, empregando diferentes metodologias de projeto. Uma metodologia de projeto convencional, baseada em modelos onde se obtém uma equação explícita para a corrente válida na região de operação de saturação do transistor, e uma metodologia de projeto baseada na caracteristica g,/ID do transistor, que apresenta uma sintese unificada, considerando todas as regiões de operação do transistor MOS. Os circuitos a serem analisados e projetados neste trabalho são blocos considerados básicos para construção da maioria dos sistemas analógicos usados atualmente, como, por exemplo, Moduladores Sigma-Delta. Tais blocos são amplificadores, comparadores e filtros analógicos. A metodologia de projeto, baseada em parâmetros do modelo elétrico, é apresentada, enfatizando a caracteristica ~,/ID do transistor. Simulações elétricas serão realizadas (esquemático e layout extraído) para cada bloco, validando-se o projeto para as especificações requeridas. / Design techniques and CAD tools for digital systems are advancing rapidly at decreasing cost, while CMOS analog circuit design is related mostly with the individual experience and background of the designer. Therefore, the design of an analog circuit depends on several factors such as a reliable design methodology, good modeling and circuit fabrication technology characterization. This work presents a study of these factors that allow an analog system to be designed with high quality and performance at low cost, in a reasonable design time. First, an extensive characterization of the technology must be developed, where a11 the parameters that describe the electrical properties of the device are obtained. When this task is complete, an extensive analysis and modeling is made, transforming specifications into circuits with the transistor dimensions calculated. This leads to another important task - using electrical simulation to predict the performance of the circuit. Once the performance goals are satisfied, the designer is faced with the task of geometrical description (layout) of the circuit. Once the layout is finished, it is necessary to include the geometrical effects in a post-extraction simulation. If the results are satisfactory, the circuit is ready for fabrication. In case the specifications are not met, new design iteration must be undertaken. Most of this work focuses on the analysis of several analog circuits, including their functionality, using different design methodologies. A "conventional" design methodology, based on the modeling where a current equation is obtained considering that the transistor is in the saturation region, and a design methodology based on the gm/ID characteristic, that allows a unified synthesis methodology in a11 regions of operation of the transistor. The analog circuits to be analyzed and designed in this work are basic building blocks (amplifiers, comparators and analog filters) that find vast applications today, including an application of interest - Sigma-Delta Modulators. The design methodology based on the g,,lI~ characteristic, and the electrical device parameters related to them, are exercised in this work. In order to demonstrate this analysis, electrical simulations (schematic and extracted layout) of performance will be obtained for each block.