In this thesis, a new approach for single-stage power factor correction converters is proposed to increase their power ratings to be in the multiple kilowatts levels. The proposed techniques are based on the utilization of modified three-level resonant converter topologies. These topologies provide low component stresses, high frequency operation, zero voltage switching, applicability under a wide range of input and output conditions as well as added control flexibility. The proposed control algorithms are based on a combination of variable frequency and asymmetrical pulse width modulation control or variable frequency and phase shift modulation control. In either case, the variable frequency control is used to tightly regulate the output voltage, whereas, pulse width or phase shift modulation is used to regulate the dc-bus voltage as well as the input power factor. New converter topologies, their operation and steady state and dynamic analyses are presented in details. A modelling approach based on average multiple frequency methods is also proposed. This approach leads to the development of a full order state space model with the two control variables explicitly separated allowing a better controller design. The model can be used either at high level of detail expressing the non-linearities of the system or it can readily be simplified to a linear decoupled model for approximate solutions. Finally, a discrete time controller for the proposed converters, which is suitable for FPGA implementation, is presented. Analytical, simulation and experimental results are provided to verify the proposed concepts. / Thesis (Ph.D, Electrical & Computer Engineering) -- Queen's University, 2008-01-30 14:28:15.725

The still increasing demand of electrical energy and the rising popularity of renewable energy sources in today's world are two important developments that necessitate the need for innovative solutions in the field of power electronics. Parallel operation of converters is one possible method in trying to bridge an increased current demand. The classical two-level converters, which are the standard in low voltage applications, are rarely adopted in medium and high voltage applications due to the voltage limits on power semiconductor devices. That is one reason for the growing popularity of multilevel converter topologies in medium and high-voltage applications. Although an increase in the number of voltage levels of a multilevel converter has its advantages, there are also challenges posed due to the increased number of switching devices. This has resulted in three-level converters being the most popular compared to converters of higher voltage levels. In this dissertation, the unified operation of parallel connected three-level converter units as a multilevel converter of higher voltage levels is proposed. The mathematical basis for operating parallel connected converter units as a single multilevel converter and the governing equations for such systems are derived. The analysis and the understanding of these equations are important for assessing practicality of the system and devising appropriate control structures. Parallel operation of converter units operating as multilevel converter have their own set of challenges, the two foremost being that of load-sharing and the possibility of circulating and cross currents. Developing solutions to address these challenges require a thorough understanding of how these manifest in the proposed system. Algorithms are then developed for tackling these issues. The control structures are designed and the developed algorithms are implemented. The operation of the system is verified experimentally. / Die weiterhin steigende Nachfrage nach elektrischer Energie und die zunehmende Verwendung erneuerbarer Energiequellen in der heutigen Welt sind zwei wichtige Entwicklungen, die die Notwendigkeit innovativer Lösungen im Bereich der Leistungselektronik erfordern. Der Parallelbetrieb von Stromrichtern ist eine mögliche Methode, um einen erhöhten Strombedarf zu decken. Der klassische Zweipunkt-Spanungszwischenkreisstromrichter, der bei Niederspannungsanwendungen weit verbreitet ist, wird aufgrund der Spannungsgrenzen für Leistungshalbleiterbauelemente zunehmend weniger in Mittel- und Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Die begrenzte Spannungsbelastbarkeit der Leistungshalbleiterbauelemente ist ein Grund für die wachsende Beliebtheit von Mehrpunkt-Stromrichtertopologien in Mittelund Hochspannungsanwendungen. Obwohl eine Erhöhung der Anzahl der Spannungsstufen eines Mehrpunkt-Stromrichters Vorteile hat, gibt es auch Herausforderungen und Nachteile aufgrund der erhöhten Anzahl von Leistungshalbleitern. Dies hat dazu geführt, dass der Dreipunkt-Stromrichter die verbreiteste Topologie im Vergleich zu anderen Stromrichtern mit einer höheren Anzahl von Spannungsstufen ist. In dieser Dissertation wird der Betrieb von parallel geschalteten Dreipunkt-Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter mit erhöhter Anzahl an Spannungsstufen vorgeschlagen. Die mathematische Basis für den Betrieb von parallel geschalteten Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter und die beschreibenden Gleichungen eines solchen Systems werden abgeleitet. Die Analyse und das Verständnis dieser Gleichungen sind wichtig für die Beurteilung der Praktikabilität des Systems und die Erarbeitung geeigneter Regelstrukturen. Der parallele Betrieb von Stromrichtereinheiten hat seine eigenen Herausforderungen, wobei die beiden wichtigsten die Lastverteilung und die Möglichkeit von Kreis- und Querströmen sind. Die Entwicklung von Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert ein gründliches Verständnis dafür, wie sich diese Phänomene in dem vorgeschlagenen System manifestieren. Algorithmen zur Lösung dieser Probleme werden anschlieend entwickelt. Die Regelstrukturen werden entworfen und die entworfenen Algorithmen implementiert. Die Funktionsweise des Systems wird experimentell überprüft.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:57:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3511521 bytes, checksum: b6fc527d9dd12a95d8694d91fe94df32 (MD5) Previous issue date: 2014-05-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This paper presents a technique of Pulse Width Modulation (PWM) converters for single-phase three-level with diode clipping, which aims at balancing the tension in the bus capacitors. The technique consists of injecting a signal common mode voltage of the sinusoidal modulating signal width modulation conventional pulse-based Carrier, which introduces an element of DC current in the neutral bus capacitors, this voltage can be controlled, with the main objective to balance the voltage of the capacitor relative to the neutral point. The technique is presented a set of equations, in order to demonstrate how the injected voltage signal introduces a component DC current at the neutral point. To test the proposed strategy, the structure of the three-level converter with diode clipping was simulated with PSIM and mounted using a digital signal processor for generating the control signals of semiconductor devices. Simulations and experimental results that demonstrate the efficiency and quality of the PWM strategy are presented. / Este trabalho apresenta uma técnica de Modulação por Largura de Pulso (PWM) para conversores monofásicos de três níveis com diodo de grampeamento, que tem como objetivo o balanceamento da tensão no barramento de capacitores. A técnica consiste na injeção de um sinal de tensão de modo comum no sinal modulante senoidal, da modulação por largura de pulso convencional baseada em Portadora (Carrier Based Pulse Width Modulation), o qual introduz uma componente de corrente CC no ponto neutro do barramento de capacitores, podendo essa tensão ser controlada, com o objetivo principal de balancear a tensão dos capacitores em relação ao ponto neutro. A técnica é apresentada em um conjunto de equações, com a finalidade de demonstrar como o sinal de tensão injetado introduz uma componente de corrente CC no ponto neutro. Para testar a estratégia proposta, a estrutura do conversor de três níveis com diodos de grampeamento foi simulada com o PSIM e montada, utilizando um processador digital de sinais para geração dos sinais de comando dos dispositivos semicondutores. Resultados de simulações e experimentais que demonstram a eficiência e a qualidade da estratégia PWM são apresentados.

The still increasing demand of electrical energy and the rising popularity of renewable energy sources in today's world are two important developments that necessitate the need for innovative solutions in the field of power electronics. Parallel operation of converters is one possible method in trying to bridge an increased current demand. The classical two-level converters, which are the standard in low voltage applications, are rarely adopted in medium and high voltage applications due to the voltage limits on power semiconductor devices. That is one reason for the growing popularity of multilevel converter topologies in medium and high-voltage applications. Although an increase in the number of voltage levels of a multilevel converter has its advantages, there are also challenges posed due to the increased number of switching devices. This has resulted in three-level converters being the most popular compared to converters of higher voltage levels. In this dissertation, the unified operation of parallel connected three-level converter units as a multilevel converter of higher voltage levels is proposed. The mathematical basis for operating parallel connected converter units as a single multilevel converter and the governing equations for such systems are derived. The analysis and the understanding of these equations are important for assessing practicality of the system and devising appropriate control structures. Parallel operation of converter units operating as multilevel converter have their own set of challenges, the two foremost being that of load-sharing and the possibility of circulating and cross currents. Developing solutions to address these challenges require a thorough understanding of how these manifest in the proposed system. Algorithms are then developed for tackling these issues. The control structures are designed and the developed algorithms are implemented. The operation of the system is verified experimentally. / Die weiterhin steigende Nachfrage nach elektrischer Energie und die zunehmende Verwendung erneuerbarer Energiequellen in der heutigen Welt sind zwei wichtige Entwicklungen, die die Notwendigkeit innovativer Lösungen im Bereich der Leistungselektronik erfordern. Der Parallelbetrieb von Stromrichtern ist eine mögliche Methode, um einen erhöhten Strombedarf zu decken. Der klassische Zweipunkt-Spanungszwischenkreisstromrichter, der bei Niederspannungsanwendungen weit verbreitet ist, wird aufgrund der Spannungsgrenzen für Leistungshalbleiterbauelemente zunehmend weniger in Mittel- und Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Die begrenzte Spannungsbelastbarkeit der Leistungshalbleiterbauelemente ist ein Grund für die wachsende Beliebtheit von Mehrpunkt-Stromrichtertopologien in Mittelund Hochspannungsanwendungen. Obwohl eine Erhöhung der Anzahl der Spannungsstufen eines Mehrpunkt-Stromrichters Vorteile hat, gibt es auch Herausforderungen und Nachteile aufgrund der erhöhten Anzahl von Leistungshalbleitern. Dies hat dazu geführt, dass der Dreipunkt-Stromrichter die verbreiteste Topologie im Vergleich zu anderen Stromrichtern mit einer höheren Anzahl von Spannungsstufen ist. In dieser Dissertation wird der Betrieb von parallel geschalteten Dreipunkt-Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter mit erhöhter Anzahl an Spannungsstufen vorgeschlagen. Die mathematische Basis für den Betrieb von parallel geschalteten Stromrichtereinheiten als ein Mehrpunkt-Stromrichter und die beschreibenden Gleichungen eines solchen Systems werden abgeleitet. Die Analyse und das Verständnis dieser Gleichungen sind wichtig für die Beurteilung der Praktikabilität des Systems und die Erarbeitung geeigneter Regelstrukturen. Der parallele Betrieb von Stromrichtereinheiten hat seine eigenen Herausforderungen, wobei die beiden wichtigsten die Lastverteilung und die Möglichkeit von Kreis- und Querströmen sind. Die Entwicklung von Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert ein gründliches Verständnis dafür, wie sich diese Phänomene in dem vorgeschlagenen System manifestieren. Algorithmen zur Lösung dieser Probleme werden anschlieend entwickelt. Die Regelstrukturen werden entworfen und die entworfenen Algorithmen implementiert. Die Funktionsweise des Systems wird experimentell überprüft.