Uma Carga Pulsada de Alta Potência, cujo comportamento é típico de uma classe de equipamentos militares, deve ser instalada em uma aeronave comercial adaptada com tensão padrão do sistema elétrico de 28 Volts em corrente contínua. Por ser um equipamento sensível com consumo não-linear de corrente, o sistema elétrico dessa aeronave deve ser modificado para adequar sua qualidade de energia àquela requisitada, além de garantir que nenhuma carga necessária para o voo seguro seja afetada durante a sua operação. Para atender estes dois objetivos, uma fonte de tensão deve ser instalada entre o sistema elétrico e a carga pulsada. Em seguida, requisitos para definição da arquitetura desta fonte de tensão são estabelecidos, possibilitando que algumas alternativas sejam apresentadas e comparadas. Uma proposta de arquitetura é, então, desenvolvida e simulada computacionalmente para verificar o seu comportamento. Ao final deste trabalho, uma proposta de instalação da carga pulsada é apresentada de forma a cumprir com ambos os objetivos estabelecidos. Além disso, esta proposta diminui a necessidade de componentes da arquitetura da fonte de tensão, tornando seu projeto e realização prática mais simples.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A distributed power supply composed of multiple DC-DC converters connected in parallel offers several advantages in comparison to a centralized solution. Among these benefits are the following: redundancy, system modularity, increased reliability, improved thermal ow on the system and reduction in the physical size of the units. Its main purpose is to evenly share the output current between the converters. In practice, this specification is rarely achieved without the use of a specific control strategy for sharing, since each converter produces output dependent on the tolerances of the components and the line impedance that connects the unit to the load bus. This imbalance in the shared current can cause excessive stress on the units operating outside of their specifications, increasing their chances of failure. Also, it is desirable that any points of failure are minimized or eliminated by adopting a decentralized control strategy, minimizing connections between units. In this work, the generalized model of output current for a i -th converter from a source with n converters connected in parallel is obtained. To obtain this model, each converter present in the system is modeled as a controlled voltage source, connected to the load bus through an individual line resistance. As the main contribution, two strategies to control current sharing between converters are proposed, based on parallelism without communication between modules, specifically the droop control. To validate the design, the simulation results for a power supply containing three converters in parallel applied to a LED street lamp fixture are shown and analyzed. At the end of this document, the conclusions and suggestions for future work involving the subject are developed. / Uma fonte distribuída de potência composta por vários conversores CC-CC conectados em paralelo oferece diversas vantagens em comparação a uma solução centralizada. Entre esses benefícios, destacam-se os seguintes: redund^ancia, modularidade do sistema, aumento da confiabilidade, melhoria no uxo térmico do sistema e redução no tamanho físico das unidades. Seu principal objetivo é compartilhar uniformemente a corrente de saída entre os conversores. Na prática, esta especificação é raramente atingida sem o emprego de uma estratégia de controle específica para o compartilhamento, visto que cada conversor produz saída dependente das tolerâncias de seus componentes e da impedância de linha que o conecta ao barramento de carga. Este desequilíbrio nas correntes compartilhadas pode ocasionar estresse excessivo nas unidades operando fora de suas especificações, aumentando suas chances de falha. Ainda, é desejável que quaisquer pontos de falha sejam minimizados ou eliminados através da adoção de uma estratégia de controle descentralizada, minimizando conexões entre os conversores. Neste trabalho, o modelo generalizado de corrente para um i -ésimo conversor constituinte de uma fonte com n conversores conectados em paralelo é obtido. Para obtenção deste modelo, modelou-se cada conversor presente no sistema como uma fonte de tens~ao controlada, conectado ao barramento de carga através de uma resistência de linha individual. Como principal contribuição, são apresentadas duas estratégias de controle para compartilhamento de corrente entre conversores, baseados no paralelismo sem comunicação entre módulos, mais especificamente o controle por decaimento. Para validar o projeto, são mostrados e analisados os resultados de simulação para uma fonte de potência contendo três conversores em paralelo aplicados a uma lâmpada de LEDs para iluminação pública. No final deste documento, as conclusões e sugestões para futuros trabalhos envolvendo o tema são elaboradas.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Neste trabalho à apresentado o estudo, modelagem e projeto de uma nova topologia de conversor CC-CC, o Conversor Buck QuadrÃtico CC-CC nÃo isolado (QBC). Inicialmente, foi realizada a anÃlise qualitativa e quantitativa da topologia proposta para operaÃÃo em modo de conduÃÃo contÃnua (MCC), verificando-se as etapas de operaÃÃo e obtendo-se as relaÃÃes de tensÃo e corrente para dimensionar os componentes de projeto do conversor, tambÃm foi realizada a modelagem do sistema atravÃs da representaÃÃo no espaÃo de estados. Em seguida, a fim de validar a topologia proposta, utilizou-se simulaÃÃo via PSpice. ApÃs essa etapa, iniciou-se a construÃÃo de um protÃtipo com 500 W de potÃncia total de saÃda, operando em 20 kHz. Os resultados experimentais obtidos confirmam que a topologia proposta pode ser utilizada em atividades prÃticas, como por exemplo, para o carregamento de baterias. / In this paper is presented the study, modeling and design of a new DC-DC converter topology, the Converter Quadratic Buck DC-DC non-isolated (QBC). Initially, was made the qualitative and quantitative analysis of the proposed topology of continuous conduction mode operation (MCC), the steps of operation and thus the relationship of voltage and current to size the components converter project, was also held the system modeling through representation on the State space. Then, in order to validate the proposed topology, was used simulation via PSpice. After this step, began the construction of a prototype with 500 W total power output, operating at 20 kHz. The experimental results obtained confirm that the proposed topology can be used in practical activities, for example, for battery charging.

Esta dissertação aborda aspectos gerais relativos à utilização de um conversor CC-CC que opera conectado à rede de distribuição e que emprega como fonte primária células a combustível. Neste trabalho, a modelagem matemática em espaços de estados (pequenos sinais e média) dos conversores Boost e Boost Interleaved com Multiplicador de Tensão (IBVM), assim como as arquiteturas de controle utilizadas em modo tensão, corrente média e corrente de pico são comparadas para determinar qual delas apresenta melhor desempenho. Devido ao fato das células a combustível apresentarem tensão terminal baixa e corrente terminal elevada, há a necessidade de utilizar conversores eletrônicos com alto ganho para equalizar a tensão produzida pela fonte com o nível de tensão presente na rede de distribuição. Tendo isso em vista, este trabalho mostra uma análise do ganho estático de tensão do conversor Boost e IBVM considerando os efeitos das resistências parasitas dos componentes utilizados e da carga conectada nos terminais de saída do conversor. Como resultado da modelagem matemática do ganho, é mostrado um conjunto de equações que definem o valor mínimo de resistência do semicondutor de potência, indutor, capacitor do multiplicador de tensão e a máxima carga que os conversores Boost e Boost Interleaved com Multiplicador de Tensão podem suprir. Por fim, os resultados experimentais são apresentados com o intuito de validar os resultados teóricos e de simulação obtidos. / This thesis addresses general aspects concerning the application of DC-DC converters applied to a grid connected Fuel Cell system. It is discussed in this thesis the averaged and small signals space state modeling of the Boost and Interleaved Boost with Voltage Multiplier (IBVM) converter, it is also mentioned the control architectures in voltage mode, average current mode and peak current mode. The voltage and average current mode control architectures are simulated and implemented in hardware in order to be compared. Due to the fact that Fuel Cells present low terminal voltage and high current, it is needed to use high gain DC-DC converters with the aim connect the system to the grid. This thesis also presents an approach in the analysis of DC-DC converter static voltage gain considering the effect of the parasitic resistances and the load connected to the converter terminals. As a result of the gain analysis, it is presented a set of equation, from which is possible to determine the maximum value of the parasitic resistances for the switch, inductor and capacitor of the voltage multiplier. It is also calculated the maximum value of load connected to the Boost and Interleaved Boost with Voltage Multiplier converters with the aim to present the designed voltage gain. Additionally, by the maximum load value calculated it is possible to determine the maximum power that the converter will be capable to process, considering a specific point of operation. Finally, the designed DC-DC converter is implemented with the aim to validate the theoretical and simulation results.

O presente trabalho aborda a análise e o desenvolvimento de conversores CC-CC com alto ganho de tensão, para aplicações com fontes de energia de baixíssima tensão, porém capazes de fornecer altas correntes, como: painéis fotovoltaicos, células a combustível e baterias. O principal objetivo deste trabalho é elevar a tensão de uma única célula a combustível até um nível adequado de tensão para realizar a carga de uma bateria com tensão nominal de aproximadamente 12 V, de modo eficiente, com baixa ondulação na corrente de entrada do conversor e com baixa ondulação na tensão de saída. Para alcançar o objetivo proposto, dezenas de topologias de conversores foram estudadas, analisadas, simuladas e implementadas. O trabalho também apresenta uma comparação entre topologias de conversores CC-CC que realizam a transferência de energia por meio de indutores acoplados, com uma topologia de conversor que opera com transferência direta de energia por meio de um transformador. Por fim, os resultados experimentais são apresentados com o intuito de validar os resultados simulados e teóricos. / This work shows the analysis and development of DC-DC converters with high voltage gain, for applications with energy sources of low input voltage, but capable of providing high currents, such as: photovoltaic panels, fuel cells and batteries. The main objective of this work is to raise the voltage of a single fuel cell to a suitable vol-tage level to efficiently charge a battery with rated voltage of approximately 12 V, with low current ripple in the converter and with low output voltage ripple. To achieve the proposed objective, dozens of topologies of converters were studied, analyzed, simulated and implemented. This work shows a comparison between topologies of DC-DC converters that perform power transfer via coupled inductors, with a converter topology operating with direct energy transfer through a transformer. Finally, experimental results are presented in order to validate the theoretical and simulated results.

O presente trabalho aborda a análise e o desenvolvimento de conversores CC-CC com alto ganho de tensão, para aplicações com fontes de energia de baixíssima tensão, porém capazes de fornecer altas correntes, como: painéis fotovoltaicos, células a combustível e baterias. O principal objetivo deste trabalho é elevar a tensão de uma única célula a combustível até um nível adequado de tensão para realizar a carga de uma bateria com tensão nominal de aproximadamente 12 V, de modo eficiente, com baixa ondulação na corrente de entrada do conversor e com baixa ondulação na tensão de saída. Para alcançar o objetivo proposto, dezenas de topologias de conversores foram estudadas, analisadas, simuladas e implementadas. O trabalho também apresenta uma comparação entre topologias de conversores CC-CC que realizam a transferência de energia por meio de indutores acoplados, com uma topologia de conversor que opera com transferência direta de energia por meio de um transformador. Por fim, os resultados experimentais são apresentados com o intuito de validar os resultados simulados e teóricos. / This work shows the analysis and development of DC-DC converters with high voltage gain, for applications with energy sources of low input voltage, but capable of providing high currents, such as: photovoltaic panels, fuel cells and batteries. The main objective of this work is to raise the voltage of a single fuel cell to a suitable vol-tage level to efficiently charge a battery with rated voltage of approximately 12 V, with low current ripple in the converter and with low output voltage ripple. To achieve the proposed objective, dozens of topologies of converters were studied, analyzed, simulated and implemented. This work shows a comparison between topologies of DC-DC converters that perform power transfer via coupled inductors, with a converter topology operating with direct energy transfer through a transformer. Finally, experimental results are presented in order to validate the theoretical and simulated results.

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 thesis presents a design methodology for the dual active bridge converter, that includes the influence of the nominal phase-shift angle in the behavior of the DAB converter for entire power and voltage ranges. The analysis presented focus on two important performance parameters of the DAB converter: the nonactive power and the limits of ZVS operation. The study of these two parameters results in a prior knowledge of the qualitative characteristics of the conduction and switching losses, respectively. Using this knowledge it is possible to optimize the converter operation considering the priorities of application performance. The experimental results were performed for three different projects nominal angles and three different input voltages for the whole load range, and they prove the feasibility of the proposed analysis. The analyse of the limit ZVS area took into account the switches intrinsic capacitances, and the dead time between the complementary switches. The DAB converter placed at a three-stage structure applied to solid state transformer, has voltage ripple at low frequency in their bus voltages because of the connection into the distribution network. Thus, it becomes possible to apply a low frequency burst mode modulation, without needing to oversize the bus capacitors. Three burst mode modulations are evaluated in simulation. The modulation which performed better results in simulation was implemented in practice, and the experimental results showed significant improvement in the converter´s efficiency when it is operating in light loads. Finally, a discussion of the parameters to be evaluated for the DAB converter´s design is proposed. / Esta tese de doutorado apresenta uma metodologia de projeto do conversor DAB, a qual inclui a influência do ângulo nominal de defasagem no comportamento do conversor DAB para toda faixa de potência e de tensão. Além disso, as análises focam em dois importantes parâmetros de desempenho do conversor DAB: a potência não ativa e os limites de operação com ZVS. O estudo destes dois parâmetros resulta em um conhecimento prévio das características qualitativas das perdas de condução e comutação, respectivamente. Através deste conhecimento é possível otimizar a operação do conversor considerando as prioridades de desempenho da aplicação. Os resultados experimentais, que comprovam as análises referentes à potência não ativa e aos limites de operação com ZVS, são realizados para três diferentes projetos de ângulos nominais e três diferentes tensões de entrada, para toda faixa de operação de carga. O estudo dos pontos de perda de ZVS considerou as capacitâncias intrínsecas dos interruptores e o tempo morto entre os interruptores complementares. O conversor DAB funcionando em uma estrutura de três estágios, aplicado a transformadores de estado sólido, apresenta ondulação de tensão em baixa frequência em seus barramentos, provinente da conexão da estrutura na rede de distribuição. Deste modo, torna-se possível a aplicação de modulações de baixa frequência do tipo burst, sem a necessidade de sobredimensionamento dos capacitores. Três modulações são realizadas e avaliadas em simulação. A modulação que apresentou melhores resultados em simulação foi implementada na prática, e os resultados experimentais mostraram melhora significativa da eficiência do conversor em baixas cargas. Por fim, uma discussão sobre as considerações a serem avaliadas nos parâmetros de projeto do conversor DAB é proposta.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / This work presents the analysis, design example, simulations and experimental results on a soft-switching bidirectional isolated three-phase dc-dc converter using dual phase-shift control with variable duty cycle. The topology uses three single H-bridges in the primary side and a three-phase inverter in the secondary side. High-frequency isolation is ensured by using three single-phase transformers connected in open delta-wye configuration. The variation of both phase-shift (PS) angles between the H-bridge legs and/or primary and secondary sides allows controlling the power flow, while reduced reactive power flow is possible. The variable duty cycle is used to ensure a constant voltage bus and/or zero voltage switching (ZVS) operation. A detailed analysis is presented considering a model based on the fundamental components for the voltages and currents in the transformer and, aiming its validation, a second analysis from the operation stages of the converter has also been developed. Besides, the dynamic model of the converter, based on fundamental components and employing the gyrator theory has been developed. A design example with nominal values assumptions, stresses and specifications for components, discrete control system characterization and its FPGA programming are presented. Simulation and experimental results in steady state and closed-loop performance are presented and discussed to validate the proposed approach. / Este trabalho apresenta a anÃlise, exemplo de projeto, simulaÃÃes e resultados experimentais de um conversor CC-CC trifÃsico isolado bidirecional com comutaÃÃo suave, dual phase shift (DPS) e razÃo cÃclica variÃvel. A topologia utiliza trÃs pontes H monofÃsicas no lado primÃrio e um inversor trifÃsico no lado secundÃrio. A isolaÃÃo em alta frequÃncia à garantida utilizando-se trÃs transformadores monofÃsicos conectados em uma configuraÃÃo delta aberto/estrela. A variaÃÃo de ambos os Ãngulos de deslocamento de fase, entre os braÃos de uma ponte H e/ou entre os lados primÃrio e secundÃrio, permitem o controle do fluxo de potÃncia. Esta flexibilidade garante a obtenÃÃo de um baixo conteÃdo reativo na anÃlise de projeto da topologia. A razÃo cÃclica variÃvel à utilizada para assegurar um barramento constante e uma operaÃÃo dos interruptores com comutaÃÃo suave. Uma anÃlise matemÃtica da estrutura à apresentada considerando um modelo baseado em componentes fundamentais e, com o propÃsito de comprovar a validade deste modelo, uma segunda anÃlise a partir das etapas de operaÃÃo do conversor tambÃm foi desenvolvida. O modelo dinÃmico do conversor, baseado nas componentes fundamentais, tambÃm foi concebido com auxÃlio da teoria do gyrator. Um exemplo de projeto, com a obtenÃÃo de valores nominais, esforÃos e especificaÃÃes dos componentes, caracterizaÃÃo do sistema de controle discreto e sua programaÃÃo atravÃs de FPGA sÃo desenvolvidos. SimulaÃÃes e resultados experimentais do conversor operando em regime permanente e dinÃmico sÃo apresentados para validar o modelo proposto.

Made available in DSpace on 2016-08-17T14:53:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Evandro de Carvalho Gomes.pdf: 6042842 bytes, checksum: 26caa437e6eddbd118b3278d1421a757 (MD5) Previous issue date: 2009-09-11 / In this work, we propose to analyze the controller design of a classical dc-dc converter in a different manner. Instead of the traditional mathematics transfer function analysis, we will describe the block diagram of the plant to be controlled using Space-State Averaging, decoupling the states effects one acts each other and designing the controllers individually. With this technique, we can obtain first order transfer function allowing easier synthesis and design of the involved controllers. Outcomes are compared to controllers based on K-factor approach which are entirely applicable in academy and industry environment. / Neste trabalho propomos analisar o projeto de controladores para conversores cc-cc clássicos de uma forma diferente da tradicional análise matemática da função de transferência, descrevendo o diagrama de blocos da planta a ser controlada, desacoplando os efeitos que um estado exerce sobre o outro e projetando os controladores individualmente. Com essa técnica, obtêm-se funções de transferências de primeira ordem o que permite um projeto e síntese mais fácil dos controladores envolvidos. Os resultados são comparados com os controladores baseados na abordagem do fator K, por se tratar de uma abordagem amplamente aplicada no meio acadêmico e industrial.