Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the analysis and implementation of a connection between two power converters, applied to street lighting with LEDs. This connection is called optimized cascade. The main idea of this connection is the reduction of the processed energy by the second converter, increasing this way the system efficiency. Besides that, the electrolytic capacitor is eliminated, aiming the life-span increase of the converter. To do that, the capacitance is reduced, causing a low frequency ripple, which is compensated by the second converter. This way, it is possible to unify high eficiency with long life-span on this converter. Such characteristics are considered fundamentals on LED driver. To prove the idea, two prototypes were built, one based on feedback control scheme and the other on a feedback plus feedforward control scheme. Both had shown good results, however the feedback plus feedforward controller proved to be more effiective on the active compensation of the low frequency ripple. In the end, a comparison between the two most used topologies on LED driver with the optimized cascade was performed. The results had shown a possible application range, advantages e limitations of this idea. / Este trabalho apresenta a análise e implementação de uma conexão entre dois conversores de potência, com aplicação para iluminação pública com LEDs. Essa conexão foi chamada de cascata otimizada. A principal ideia dessa conexãoo é a minimização da energia processada pelo segundo conversor, aumentando assim a eficiência do sistema. Além disso, o capacitor eletrolítico é eliminado desta topologia com o intuito de aumentar a vida útil do sistema. Para tal, a capacitância é reduzida, sendo a ondulação de baixa frequência, proveniente de tal redução, compensada ativamente pelo segundo conversor. Com isso, é possível unir alta eficiência e durabilidade, características consideradas fundamentais em um driver para LEDs. Para provar a ideia, dois protótipos foram desenvolvidos, um baseado em controle feedback e o outro baseado na união de um controle feedback com feedforward. Ambos mostraram bons resultados, o entanto o controle feedback mais o feedforward mostrou-se mais eficaz na compensação ativa da ondulação de barramento. Por fim, uma comparação entre as duas topologias mais utilizadas em drivers para LED e a cascata otimizada foi realizada. Os resultados obtidos mostraram sua possível faixa de aplicação, bem como vantagens e limitações.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the research and development of a connection method for static converters, called Optimized Cascade, which aims to reduce the redundant power processing in multiple stage topologies for LED driving. An initial analysis of possible solutions available on the literature is conducted, where different kinds of solutions are demonstrated, their characteristics and how they can be classified. Afterward, an analysis of the general characteristics of the optimized cascade is presented, as well as the method employed to reduce the bus capacitance value. This reduction aims to replace the electrolytic capacitor for alternative technologies, in order to increase the lifespan of the LED driver. One of the inovations of this work is the proposal of a project methodology, focusing the conversion efficiency and the capacitance reduction. Besides that, a mathematical model of the optimized cascade was derived, so as to establish the impact of the bus voltage ripple on the LED current. From this model, it has been possible to determine parameters for choosing the best operating mode for the second stage and the estimation of capacitance reduction-. Also, some controllers were analyzed to control the PC stage, on which the resonant controller has been proposed for demanding projects, regarding the capacitance value and LED current ripple. Finally, two prototypes were mounted and tested, where an efficiency of thereabout 90% was get with a power factor of 0; 99, along with total compliance with the power quality parameters and flicker. In both prototypes film capacitors were employed, contributing to enhance the lifespan of the converter, making it compatible with LED lifespan. / Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de um método de conexão de conversores, chamado Cascata Otimizada, o qual visa reduzir o processamento redundante de energia em topologias de múltiplos estágios para acionamento de LEDs. Uma análise preliminar das soluções disponíveis atualmente na literatura acadêmica é realizada, na qual são demonstrados diferentes tipos de soluções, suas características e como podem ser classificadas. Em seguida, uma análise das características gerais da cascata otimizada é apresentada, bem como o método empregado para redução da capacitância de barramento. Tal redução visa a substituição de capacitores eletrolíticos por tecnologias alternativas, com o intuito do aumento da vida útil do driver. Uma das inovações deste trabalho é a proposição uma metodologia de projeto, com foco na eficiência e na redução da capacitância. Além disso, também foi elaborado um modelo matemático, de forma a determinar o impacto da ondulação da tensão no barramento sobre a corrente nos LEDs. A partir desse modelo, foi possível estabelecer parâmetros para a escolha do melhor modo de operação para o segundo estágio e estimação da redução do capacitor de barramento. Também foram analisados diversos controladores para o segundo estágio, sendo proposto o uso do controle ressonante para projetos mais exigentes com respeito ao valor do capacitor de barramento e da ondulação na corrente de saída. Por fim, dois protótipos foram montados e testados, obtendo uma eficiência de aproximadamente 90%, fator de potência de 0;99 e total observância aos parâmetros de qualidade de energia e flicker. Em ambos os protótipos foram empregados capacitores de filme, o que contribui para elevar a vida útil do conversor, compatibilizando-a com a vida útil da carga LED.

This master thesis presents the development of a 100 W LED driver, suitable for outdoor and street lighting. In order to match the driver and LED features, special functionalities are added to the electronic system. To obtain a long lifetime, electrolytic capacitor are exchanged by film capacitor, with longer useful lifetime. However, this practice outcome in higher bus voltage ripple, which have to be compensated in the LED current control stage, named as power control stage. To achieve special functionalities, the proposed driver is designed to operate with universal input voltage and dimming capability, being the entire driver control implement in a digital way, increasing significantly the LED driver flexibility. After the literature review, which aimed to evaluate the characteristics of the LED driver topology structure, the two independent stage topology is selected. The buckboost converter operating in discontinuous conduction mode is employed on the power factor correction stage. The power control stage is composed by the DC/DC LLC resonant converter. Once the LED driver topology is defined, each converter is designed, following by the small signal modeling and the control system design. Experimental results of the driver operating with a reduced bus voltage capacitance (25 μF), are presented for a universal input voltage (85 – 265 VRMS) and different dimming levels (100% − 30%). A high power factor (> 0,94) and a medium to high efficiency (> 82%) is noticed in whole operation points, as well as, a reduced flicker (< 10%), being in accordance with the recent released IEEE Std 1789-2015 and IEC61000-3-2 Class C. / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um driver para o acionamento de um módulo de LEDs de 100 W, destinado a iluminação de exteriores ou iluminação pública. De forma a compatibilizar as características do LED com o driver, diferentes funcionalidades e condições de operação são adicionadas ao sistema eletrônico desenvolvido. Para alcançar longa vida útil, o driver desenvolvido substituiu os capacitores eletrolíticos por capacitores de filme. No entanto, essa prática resulta em maiores ondulações da tensão de barramento, as quais são compensadas pelo estágio de controle da corrente dos LEDs. De modo a aumentar as funcionalidades do driver, o mesmo opera com tensão de entrada universal e controle da intensidade luminosa, sendo o sistema de controle do driver implementado de forma digital, aumentando consideravelmente sua flexibilidade. Após revisão da literatura, a qual objetivou avaliar as características das estruturas e topologias empregadas em drivers para LEDs, seleciona-se a estrutura de dois estágios independentes. O conversor buck-boost operando no modo de condução descontínuo de corrente é empregado no estágio de correção do fator de potência. Para o estágio de controle da corrente dos LEDs, utiliza-se o conversor CC/CC meia ponte ressonante LLC. Definida a estrutura topológica, bem como os conversores utilizados, o projeto dos elementos é desenvolvido, seguido da modelagem dinâmica e do projeto do sistema de controle de cada estágio. Resultados experimentais do driver com reduzida capacitância de barramento (25 μF) mostram a sua operação com tensão de entrada universal (85 – 265 VRMS) e controle de intensidade luminosa (100% − 30%). Verificou-se um alto fator de potência (> 0,94) em toda a faixa de operação, rendimento média-alto (> 82%), bem como reduzida modulação de intensidade luminosa (< 10%), estando em conformidade com a IEEE Std 1789-2015 e a IEC61000-3-2 Classe C.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-01-08T12:01:24Z No. of bitstreams: 1 guilhermemárciosoares.pdf: 24810934 bytes, checksum: d538ec8cfbd6bb9363a5aa07343bda48 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-01-22T18:36:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 guilhermemárciosoares.pdf: 24810934 bytes, checksum: d538ec8cfbd6bb9363a5aa07343bda48 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-22T18:36:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 guilhermemárciosoares.pdf: 24810934 bytes, checksum: d538ec8cfbd6bb9363a5aa07343bda48 (MD5) Previous issue date: 2017-11-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este documento apresenta uma nova técnica para a minimização da ondulação de baixa frequência, típica de conversores para o acionamento de LEDs alimentados a partir da rede elétrica. Esta estratégia baseia-se na modulação em baixa frequência da razão cíclica do conversor de modo que a ondulação de corrente possa ser reduzida e, consequentemente, as capacitâncias de filtragem do conversor possam ser minimizadas. Esta técnica foi desenvolvida para a aplicação em conversores de malha única, como é o caso de conversores de estágio único ou mesmo dois estágios integrados. A modulação da razão cíclica é projetada de maneira que o comportamento de baixa frequência das principais variáveis do conversor seja alterado, permitindo uma redução da ondulação da corrente de saída ao custo de um incremento cotrolado no conteúdo harmônico da corrente de entrada. Duas possíveis metodologias para a implementação da técnica proposta são discutidas ao longo do trabalho. A primeira envolve a injeção de harmônicas específicas no sinal da razão cíclica do conversor através de ramos adicionais na estrutura de controle. Esta abordagem foi aplicada para projetar um controlador de LEDs baseado em um conversor flyback e também em uma topologia integrada baseada na conexão cascata de dois conversores Buck-boost. Este estudo inicial foi expandido para outros conversores e uma análise generalizada acerca da influência da modulação da razão cíclica no comportamento de controladores de LED alimentados a partir da rede elétrica é apresentada. A segunda metodologia para a implementação da compensação ativa da ondulação de baixa frequência do conversor é baseada na otimização de um controlador proporcional-integral a fim de que tal elemento influencie não só no comportamento dinâmico do circuito, mas também na característica de baixa frequência do conversor. Por fim são discutidas as principais contribuições da tese e algumas propostas para trabalhos futuros são apresentadas / This document presents a novel approach for low-frequency output current ripple minimization in off-line light-emitting diode (LED) drivers. This strategy is based on the large-signal modulation of the duty-cycle so that the output ripple can be reduced and, consequently, the required filtering capacitances of the converter can be somehow decreased. This technique is devised to be used on converters in which a single control loop is employed, such as off-line single-stage or integrated converters. The duty-cycle modulation is used to change the shape of the main waveforms of the converter, especially the input and output currents. This allows for a reduction of the output current peak-to-peak ripple while the harmonic content of the input current is increased but kept within the limits imposed by the IEC standard. Two methodologies for implementing the proposed technique are discussed along the text. The first one is related to the injection of harmonic components to the duty cycle signal by means of additional branches inserted in the conventional control structure. This approach was applied to design an off-line flyback-based LED driver and also a circuit based on the Integrated Double Buck-boost converter. This first study was expanded to other topologies and a generalized analysis regarding the impact of the duty cycle modulation on off-line converters is then presented. The second methodology for implementing the ripple compensation is based on the optimization of a proportional-integral controller so that this element is designed to influence not only in the dynamic behavior of the circuit, but also in its low-frequency characteristic. Finally, the main contributions of this work are discussed and the proposals for future works are presented.

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