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Universities are the main responsible for generating knowledge and for scientific and technological progress to occur, it is necessary for them to create and improve the procedures for transferring the knowledge developed to society. Therefore, there is a need to value the technologies developed by means of a specific method that is capable to assisting in the process of technology transfer in universities. Thus, the general objective of the research is to propose a methodology for technological valuation in universities, that it be adaptable to the different areas of knowledge of these institutions. In the methodology, there are two major phases: the first, to measure the qualitative aspects and the second, to measure the quantitative aspects of the technologies developed in universities. In order to measure the qualitative aspects relevant to the technological valuation, which are technological maturity, market potential and institutional approach, a method was developed using Fuzzy logic, because this method allows the use of the knowledge of a Nucleus of Technological Innovation (NTI), with great expertise and later dissemination to other NTIs, with less experience in technological valuation. The result of the qualitative analysis influences the choice of the quantitative valuation method, as well as allows the measurement of non-systematic risk, which is one of the most complex and challenging points in the valuation, which, in addition to the systematic risk, calculated according to Capital Asset Pricing Model (CAPM), results in the rate of return of the technology, directly impacting its valuation. For the quantitative aspects, the usual valuation methods are used and widely discussed in the existing literature, which are costs, market, discounted cash flow and theory of real options. Therefore, the greatest contribution of the research is the methodology developed, which allows to measure the rate of return that the technology has the potential to offer, based on the risks associated with the technology and the market in which it is inserted. It is added the possibility of NIT to carry out a previous analysis of the technology, with subsidies for the elaboration of a proposal with the most convenient commercialization strategy for the technology, as well as the form of more adequate remuneration. Moreover, the qualitative assessment can provide subsidies to NTIs when defining whether a technology should be protected and its protection strategy, it being this phase optimized with the development of a web system. As universidades são as principais responsáveis pela geração de conhecimento e, para que ocorra o avanço científico e tecnológico, é necessário que estas criem e aprimorem os procedimentos para transferir o conhecimento desenvolvido para a sociedade. Assim, origina-se a necessidade de valorar as tecnologias desenvolvidas por meio de um método específico capaz de auxiliar no processo de transferência de tecnologia nas universidades. Dessa forma, o objetivo geral da pesquisa é propor uma metodologia para valoração tecnológica em universidades, para que esta seja adaptável às diversas áreas do conhecimento dessas instituições. Na metodologia, existem duas grandes fases: a primeira, de mensuração dos aspectos qualitativos e a segunda, de mensuração dos aspectos quantitativos das tecnologias desenvolvidas em universidades. Para mensurar os aspectos qualitativos relevantes para a valoração tecnológica, que são maturidade tecnológica, potencial mercadológico e abordagem institucional, foi desenvolvido um método utilizando a lógica Fuzzy, pois esse método permite a utilização do conhecimento de um Núcleo de Inovação Tecnológica (NIT), com grande expertise e posterior disseminação a outros NITs, com menos experiência na valoração tecnológica. O resultado da análise qualitativa influencia a escolha do método quantitativo de valoração, bem como possibilita a mensuração do risco não sistemático, que é um dos pontos mais complexos e desafiantes na valoração, o qual, somando-se ao risco sistemático, calculado conforme Capital Asset Pricing Model (CAPM), resulta na taxa de retorno da tecnologia, impactando diretamente na sua valoração. Para os aspectos quantitativos, são utilizados os métodos de valoração usuais e amplamente abordados na literatura existente, os quais são custos, mercado, fluxo de caixa descontado e teoria das opções reais. Portanto, a maior contribuição da pesquisa é a metodologia desenvolvida, que permite mensurar a taxa de retorno que a tecnologia tem potencial de oferecer, com base nos riscos associados à tecnologia e ao mercado em que se insere. Acrescenta-se a possibilidade do NIT realizar uma análise prévia da tecnologia, com subsídios para a elaboração de uma proposta com a estratégia de comercialização mais conveniente para a tecnologia, bem como a forma de remuneração mais adequada. Além disso, a avaliação qualitativa pode fornecer subsídios aos NITs no momento de definir se uma tecnologia deve ser protegida e a sua estratégia de proteção, sendo essa fase otimizada com o desenvolvimento de um sistema web.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This Master Thesis presents the analysis, design and implementation of a grid-connected module integrated converter, or, simply, microinverter, for photovoltaic applications. The system is composed of two stages: a isolated DC-DC converter and a DC-AC converter (inverter). This proposed micro inverter has a DC bus (DC link), decoupling both stages, allowing to make the project, design and implementation of both individually. The first stage is a zero voltage switching DC-DC full bridge, with phase-shift modulation, and the second stage is a DC-AC full bridge with unipolar pulse-width modulation. Briefly, the first stage provides high voltage gain, besides isolation between the photovoltaic module and the electrical grid, in order that inverter bus has enough voltage to perform grid connection. This connection is made by inverter with output inductive filter. In order to extract the maximum power of photovoltaic module, the maximum power point tracking (MPPT) is made indirectly, controlling inverter bus voltage. Thus, the DC-DC converter operates in open loop, so that system control is design and implementated only on second stage. So, in this way, this Master Thesis contributes developing a microinverter employing classical converter topologies, with high efficiency and simplicity of design and implementation, using just two control loops, in a way that external voltage loop should be able to perform MPPT, ensuring maximum power harvesting of photovoltaic module, and the internal current loop should be able to control active power flow to electrical grid by controlling the current. In order to accomplish MPPT properly, the ripple of 120 Hz in voltage and current of photovoltaic module, generated by pulsed single phase grid power, should have low amplitude. Besides that, in order to be in compliance with standards of grid connection, as total demand distortion and power factor, among others, the current controller project should take into account the inffluence of main harmonic components of grid voltage. Experimental results are presented to prove the micro inverter performance. Esta Dissertação de Mestrado apresenta a análise, o projeto e a implementação de um conversor módulo integrado isolado, ou, simplesmente, microinversor, para realizar a conexão de geração fotovoltaica à rede elétrica. O sistema é composto por dois estágios: um conversor CC-CC isolado e um conversor CC-CA (inversor). O microinversor empregado utiliza um barramento (link CC), desacoplando os dois estágios, permitindo que os conversores possam ser projetados e implementados separadamente. O primeiro estágio é um conversor CC-CC, em ponte completa, modulado por deslocamento de fase, com comutação sob zero de tensão (ZVS – Zero Voltage Switching) e o segundo estágio é um conversor CC-CA, também em ponte completa, utilizando a modulação por largura de pulso (PWM – Pulse-Width Modulation) unipolar. Basicamente, o primeiro estágio proporciona um elevado ganho de tensão, além do isolamento entre o módulo fotovoltaico e a rede elétrica, de modo que o barramento de entrada do inversor tenha tensão suficiente para que a conexão com a rede seja realizada. Essa conexão é feita através do inversor com filtro L de saída. Para extrair a máxima potência do módulo fotovoltaico, o rastreamento do ponto de máxima potência (MPPT – Maximum Power Point Tracking) é realizado de maneira indireta, controlando o barramento de entrada do inversor. Dessa maneira, o conversor CC-CC opera em malha aberta, de modo que os controladores sejam projetados e implementados apenas no estágio CC-CA. Neste sentido, esta Dissertação de Mestrado contribui desenvolvendo um microinversor utilizando topologias clássicas de conversores, possuindo elevado rendimento, simplicidade de projeto e desenvolvimento, com apenas duas malhas de controle, de modo que a malha de tensão seja capaz de realizar o MPPT, garantindo a extração da máxima potência do módulo fotovoltaico, e a malha de corrente consiga regular o fluxo de potência injetada na rede elétrica, através do controle da corrente. Para que o MPPT seja realizado adequadamente, as ondulações de 120 Hz na tensão e corrente do módulo fotovoltaico, provenientes da potência pulsada da rede elétrica monofásica, devem ter amplitude bastante reduzida. Além disso, para que a corrente injetada na rede elétrica esteja adequada às normas vigentes, como limite de distorção harmônica e fator de potência, dentre outras, o projeto do controlador desta malha deve levar em conta a influência das principais componentes harmônicas presentes na tensão da rede elétrica. Resultados experimentais são apresentados para comprovar o desempenho do microinversor.

This work presents some conceptual and practical contributions about the use of series-regulated DC/DC converters in multi-string photovoltaic systems, which have been presented in the literature as capable of performing partial power processing. From a conceptual point of view, the requirements for distinguish which topologies are able or not to perform partial power processing are defined, and for that, it is developed a methodology to evaluate the active and nonactive power processing on the converter, which depend on its design parameters. By means of the analysis of various topologies of series regulators, it is concluded that the partial power processing is achieved by adjusting the duty cycle and the turns ratio of transformers (or coupled inductors). However, because of the voltage gain specifications, not all series regulators topologies cited in the literature are able of operating in the partial power processing region. It is observed that the series regulators based on buck-boost and flyback topologies do not allow to achieve partial energy processing, whereas the series regulators based on forward and full-bridge topologies may perform partial power processing in certain operation ranges. In addition, the application of series regulators in photovoltaic systems allows the use of the input voltage regulation range as an additional parameter to reduce the power processing in the converters. Thus, a methodology was developed to obtain a stochastic model of the voltage profile in which the energy is generated. The methodology employs the mathematical model of the photovoltaic module and historical data of temperature and irradiation, and demonstrates that for each project there is a voltage regulation range of the dc-dc stage that may result in performance improvements in terms of power density and efficiency. From the definition of the voltage regulation range, it has been demonstrated that the use of series regulators based on topologies with bidirectional power flow (acting as both voltage step-up and voltage step-down) allows to reduce the power processing in the converters even further. As an example, the full-bridge/push-pull topology was evaluated, some technical constraints are defined and some advantages and disadvantages of its application are presented. As a result, it is concluded that although voltage step-up/down topologies are more complex, their proper design may result in improvements in efficiency and power density. In order to validate the analyzes, seven 750 W prototypes were built, achieving efficiencies of up to 99.58 %, and power densities up to 4.76 W/cm3. Este trabalho apresenta contribuições conceituais e práticas acerca do emprego de reguladores série chaveados no estágio CC-CC de sistemas de geração fotovoltaica com arquitetura multistring, os quais têm sido apresentados na literatura como capazes de realizar processamento parcial de energia. Do ponto de vista conceitual, são definidos os requisitos para distinguir quais topologias são capazes ou não de realizar processamento parcial de energia, e, para isso, é desenvolvida uma metodologia de avaliação da energia ativa e não-ativa processada em função dos parâmetros de projeto dos conversores. Por meio da análise de diferentes topologias de reguladores série, conclui-se que o processamento parcial de energia é alcançado pelo ajuste da razão cíclica e da relação de espiras nos transformadores ou indutores acoplados. Contudo, em virtude das especificações de ganho de tensão, nem todas topologias de regulação série citadas na literatura são capazes de operar na região de processamento parcial de energia. Observase que os reguladores série baseados nas topologias buck-boost e flyback não permitem realizar processamento parcial de energia, enquanto que os reguladores série baseados nas topologias forward e full-bridge realizam processamento parcial de energia em determinadas faixas de operação. Além disso, a aplicação de reguladores série em sistemas fotovoltaicos permite utilizar a faixa de regulação de tensão de entrada como um grau de liberdade adicional para reduzir o processamento de energia nos conversores. Neste sentido, foi desenvolvida uma metodologia que utiliza o modelo do módulo fotovoltaico e dados históricos de temperatura e irradiação para obtenção de um modelo estocástico do perfil de tensão no qual a energia é gerada, demonstrando que para cada projeto existe uma faixa de regulação de tensão de entrada que permite aumentar o desempenho do estágio CC-CC em termos de densidade de potência e eficiência. A partir da definição da faixa de regulação de tensão, é demonstrado que o emprego de reguladores série baseados em topologias com fluxo bidirecional de energia (i.e. capazes de atuar como elevadoras e abaixadoras de tensão) permite reduzir ainda mais o processamento de energia nestas estruturas. Como exemplo, a topologia full-bridge/push-pull é avaliada, sendo definidas algumas restrições técnicas e apresentadas algumas vantagens e desvantagens de sua aplicação. Como resultado, conclui-se que apesar das topologias elevadoras/abaixadoras de tensão serem mais complexas, seu projeto adequado pode resultar em melhorias na eficiência e densidade de potência do sistema. Para validar os resultados das análises, foram construídos sete protótipos de 750 W, os quais alcançaram eficiências de até a 99,58% e densidades de potência de até 4,76 W/cm3.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents a study and analysis of photovoltaic systems subject to partial shading, where the main consequence is the reduction of its energy production. To mitigate this problem, it is proposed a new photovoltaic architecture known as hybrid architecture. In this architecture, the system is separated into arrays that can be partially or completely shaded with other arrays that are not shaded. The partially shaded modules are connected in parallel to maximize its energy production, while unshaded ones are connected in series. A dc-dc converter is used with the array with the modules subject to partial shading for maximum power extraction of this array, to match the operating voltage of both arrays, and to ensure that during its operation, the unshaded array operates in maximum power point. Additionally, it is presented the small signal modeling of the dc-dc converter through the generalized modeling technique, with the inclusion of the dynamic of a photovoltaic array through an equivalent approximate model by a voltage source with a series resistance, and linearized for different curve points of the photovoltaic module. The proposed control system for this converter uses a controller based on the internal model principle, as the resonant one, whose objective is, besides eliminating the low frequency ripple at the input of photovoltaic module to reduce the losses of the maximum power point tracking algorithm, also reduce the dc-bus capacitance in dual-stage photovoltaic inverters. Shaded photovoltaic systems present higher complexity to predict its energy production. This is because there are different configurations to connect photovoltaic modules among each other, which results in different values of generated power. Consequently, a general methodology of energy production forecast that uses only the shaded area of the modules as a factor of analysis can be imprecise. Based on this, a new methodology for energy production forecast in partially shaded photovoltaic systems is presented. The proposed method consists in identifying the shaded modules in each time, to quantify the hourly irradiation incident on all modules, analyze the electrical configuration of the array and, from that, calculate the produced energy. At the end are presented simulation and experimental results that validate the use of hybrid architecture in photovoltaic systems that present partial shading conditions. Este trabalho apresenta um estudo e análise de sistemas fotovoltaicos que apresentam redução da produção de energia devido ao sombreamento parcial em módulos fotovoltaicos. Para mitigar este problema, é proposta uma nova arquitetura de sistemas fotovoltaicos denominada arquitetura híbrida. Nessa arquitetura, o sistema é separado em um arranjo de módulos que podem ser parcialmente ou totalmente sombreados e outro com módulos não-sombreados. Os módulos do arranjo passíveis de sombreamento são conectados em paralelo entre si para se maximizar sua produção de energia, enquanto que os módulos não-sombreados são arranjados em série. Um conversor CC-CC é empregado junto ao arranjo dos módulos passíveis de sombreamento para extração da máxima potência desse arranjo, para compatibilizar a tensão de operação dos dois arranjos, e para garantir que durante a operação conjunta, o arranjo que nunca é sombreado opere no ponto de máxima potência. Adicionalmente, obtém-se a modelagem de pequenos sinais do conversor CC-CC através da modelagem generalizada, com a inclusão da dinâmica de um arranjo fotovoltaico através de um modelo equivalente aproximado por uma fonte de tensão em série com uma resistência, e linearizado para diversos pontos da curva do painel. Como proposta de sistema de controle desse conversor, utiliza-se um controlador baseado no princípio do modelo interno, como o ressonante, cujo objetivo é, além de eliminar a ondulação em baixa frequência presente na entrada dos painéis para reduzir as perdas do algoritmo de rastreamento do ponto de máxima potência, também possibilitar a redução da capacitância do barramento CC de inversores de duplo estágio. Sistemas fotovoltaicos sombreados apresentam maior complexidade para se prever a produção de energia. Isso ocorre pois existem diversas configurações para se conectar os módulos fotovoltaicos entre si, cujo impacto resulta em diferentes valores da energia gerada. Por consequência, uma metodologia generalizada de previsão da produção de energia que utilize apenas a área sombreada dos módulos como fator de análise pode ser pouco precisa. Com base nisso, uma nova metodologia para previsão da produção de energia em sistemas fotovoltaicos parcialmente sombreados é apresentada. O método proposto consiste em identificar os módulos sombreados em cada hora, quantificar a irradiação horária incidente em todos os módulos, analisar a configuração elétrica do arranjo e, a partir disso, calcular a energia produzida. Por fim são apresentados resultados de simulação e experimentais que validam a utilização da arquitetura híbrida em sistemas fotovoltaicos que apresentam condições de sombreamento parcial.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This document aims to develop an automated test platform for grid-connected photovoltaic inverters. Therefore, it was conducted a study of European, North American and Brazilian standards related in order to compare the Brazilian standard with respect to the others. A comparison between them with respect to the operating limits is presented. Further, the restrictions are evaluated for each equipment used in the testing of PV inverters certification: CA emulator source emulator PV supply, power analyzer, oscilloscope and flickermeter. Finally, it was developed a software for automation of tests, which is applied for supporting the configuration sources processes, acquisition measures and test report generation. This software is evaluated by obtaining experimental tests, whose results are compared with equivalent obtained through non-automated tests, enabling the validation of the system. Esse trabalho tem como objetivo desenvolver uma bancada de ensaio automatizado para inversores fotovoltaicos conectados à rede elétrica. Para tanto, se realizou um estudo das normas europeias, norteamericanas e brasileiras relacionadas ao assunto com o propósito de comparar a norma brasileira com relação às demais. Uma comparação entre elas no que tange aos limites de operação é apresentado. Na sequência do trabalho são avaliadas as restrições impostas para cada equipamento utilizado no ensaio de certificação de inversores fotovoltaicos, a destacar: fonte emuladora CA, fonte emuladora FV, analisador de energia, osciloscópio e fliquerímetro. Por fim, é desenvolvido um software para automação dos ensaios que é aplicado para auxílio aos processos de configuração de fontes, aquisição de medidas e geração de relatório. Esse software é avaliado através da obtenção de ensaios experimentais, cujos resultados são comparados com equivalentes obtidos através de ensaios não-automatizados, possibilitando a validação do sistema proposto.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In this thesis an study of AC Power Source (ACPS) topologies that guarantee the synthesis of high quality voltage waveforms (in comparison to the reference signal) without penalizing the system efficiency is carried out. It must be highlighted that these features can be achieved by employing hybrid topologies, which are composed of a switched-mode power amplifier and a linear power amplifier (LPA). The former amplifier (called main amplifier) processes almost the entire load power, while the second one (called correction amplifier) is responsible for the compensation for any distortion at the output voltage waveform, thus, processing a small amount of the load power. In this way, it is possible to combine both the high efficiency of switched-mode power amplifiers with high quality voltage waveforms characteristic of linear power amplifiers. This work is mainly focused on hybrid topologies in series configuration (series connection between main and correction amplifiers). This allows to employ a low voltage/low power LPA. It must be noticed that this configuration is especially suitable for ACPS applications, when, for example, the mains voltage is intended to be emulated (including high order harmonics, controlled disturbances, etc.), since the LPA experiences low voltage levels in comparison to those synthesized by the ACPS. Throughout the thesis are proposed and theoretically/ experimentally analyzed two novel ACPS topologies, which employ multilevel inverters as main amplifier. The analysis take into account the operation, modulation strategy and design methodology of the power and control circuits (of both main and correction amplifiers). Experimental results are presented (Total Harmonic Distortion and converter efficiency) in order to validate the proposed approach. Nesta Tese é realizado um estudo acerca das principais topologias de fontes CA de potência (AC Power Source ACPS), que garantem a síntese de formas de onda de tensão de alta fidelidade (com respeito ao sinal de referência) sem, no entanto, comprometer o rendimento do sistema. Salienta-se que essas características podem ser obtidas por topologias híbridas, compostas pela associação de um amplificador chaveado com um amplificador linear. Enquanto o primeiro (denominado de amplificador principal) processa praticamente a totalidade da energia fornecida à carga, o segundo (denominado de amplificador de correção) é responsável apenas por correções na forma de onda de saída, processando, assim, uma pequena parcela de energia. Então, torna-se possível aliar o alto rendimento característico dos conversores chaveados à alta qualidade da forma de onda associada aos amplificadores lineares. O trabalho é direcionado, principalmente, a topologias híbridas em configuração série (conexão série entre o amplificador principal e o amplificador de correção), de modo que amplificadores de correção de baixa tensão/baixa potência possam ser empregados. Destaca-se que essa configuração é especialmente adequada a aplicações com ACPSs, quando, por exemplo, deseja-se emular a rede elétrica de alimentação (inserindo harmônicos de tensão, provocando distúrbios controlados, etc.), uma vez que o amplificador de correção é submetido a níveis de tensão reduzidos, se comparados aos níveis sintetizados pela ACPS. No decorrer do trabalho, são propostas e analisadas teórico-experimentalmente duas topologias inéditas de ACPS, ambas empregando inversores multiníveis como amplificador principal. São apresentadas análises relativas à operação, modulação, metodologia de projeto dos estágios de potência e controle tanto do amplificador principal quanto do de correção , bem como são apresentados resultados experimentais em termos da distorção harmônica total (Total Harmonic Distortion THD) e rendimento global do sistema.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior The continuous economic development of many countries and the emerging environmental issues (gas emissions and the greenhouse effect) observed in the last decades forced an intense research in renewable energy sources. Hydro, photovoltaic (PV) and wind energy conversion are the most explored technologies due to their considerable advantages, such as reliability, low environmental impact and capability to support microgrid systems or to connect to the electric grid. Among these energy sources the PV is pointed out as one of the most modular and environmentally friendly technologies. Furthermore, this technology enabled, by means of stand-alone or off-grid systems, the access of electricity in many communities distant form the grid, and even in difficult access remote applications. However, the PV panel still represents low efficiency and high cost, making imperative the use of efficient and reliable energy processing stages. Therefore, this work proposes a stand-alone photovoltaic system with decentralized configuration, aiming a high energy yield. For the output stage, a multilevel inverter was chosen, aggregating the intrinsic advantages that these converters present. The analysis of each energy processing stage is presented, as well as the modeling and control of the employed converters. Due to the requirement of a backup system (in stand-alone systems), a decentralized configuration of the battery bank is proposed. Moreover, aiming to optimize the backup system lifetime and reduce the maintenance costs, a controlled charge/discharge process on the batteries is implemented. Simulation and experimental results are presented, verifying the functionality of the proposed structure. O contínuo desenvolvimento econômico de diversos países e as emergentes questões ambientais (emissão de gases e efeito estufa), observados nas últimas décadas, forçaram uma intensa pesquisa em fontes renováveis de energia. Hidro, fotovoltaica (PV Photovoltaic) e eólica são as tecnologias mais exploradas devido as suas vantagens consideráveis, como confiabilidade, reduzidos impactos ambientais e capacidade de suprir pequenas redes ou conexão com a rede elétrica de distribuição. Entre estas fontes de energia, a fotovoltaica destaca-se por ser uma das tecnologias mais modulares, apresentando os menores índices de impactos ambientais. Ainda, esta tecnologia possibilitou, através dos sistemas autônomos (off-grid), o acesso de energia elétrica a diversas comunidades distantes da rede de distribuição, e também em aplicações remotas de difícil acesso. Entretanto, o painel PV ainda apresenta reduzido rendimento e elevado custo, tornando indispensável o uso de estágios de processamento de energia eficientes e confiáveis. Nesse sentido, este trabalho propõe um sistema fotovoltaico autônomo que utiliza uma configuração descentralizada, visando um melhor aproveitamento de energia gerada. Para o estágio de saída, optou-se pela utilização de um inversor multinível, agregando as vantagens intrínsecas que este tipo de conversor apresenta. São apresentadas as análises de cada estágio de processamento de energia, bem como a modelagem e controle de cada conversor empregado. É proposta uma configuração descentralizada para o banco de baterias, visto que se faz necessário um sistema de armazenamento para sistemas autônomos. Ainda, o controle empregado para o sistema de armazenamento de energia implementa um processo de carga/descarga controlado no banco de baterias, visando o aumento da vida útil destas e a redução dos custos por manutenção. São apresentados resultados de simulação e experimentais, comprovando a funcionalidade da estrutura.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This master thesis analyses and implements a stand-alone photovoltaic system based on decentralized Multi String topology. The proposed system is composed of a set of DCDC converters linked to the PV arrays of panels, a bidirectional converter to perform the control of the charge/discharge process of the battery bank and ensure the specifications of DC link and a full-bridge inverter that feed the AC loads. Therefore, all operation modes that the stand-alone PV system can work are presented and analyzed. As the chief aim is to ensure the energy balance of the stand-alone PV system, are presented independents control loops for each converter of the PV system and a propose of a supervisory control that, based on information about the conditions of the DC link and the bank of batteries, defines each operation mode should be active, in order to maximize the power extracted from the PV arrays, the life cycle of the battery bank and ensuring the uninterrupted feeding of energy to the loads. Finally, simulation and experimental results validate the operation of the proposed system under different load and solar radiation conditions. Este trabalho analisa e implementa um sistema fotovoltaico autônomo baseado no conceito de topologia descentralizada do tipo Multi String . O sistema proposto é constituído de um conjunto de conversores CC-CC vinculados aos arranjos de painéis, um conversor bidirecional para controle da carga e descarga do banco de baterias e um inversor de saída que fornece a alimentação CA as cargas. Todos os modos de operação em que o sistema PV autônomo proposto pode funcionar são apresentados e analisados. Com o objetivo principal de assegurar o balanço de energia do sistema PV autônomo, são apresentadas malhas de controle independentes para cada conversor do sistema PV e a proposta de um sistema supervisório o qual, de posse de informações sobre o estado do barramento CC e banco de baterias, define qual modo de operação deve estar ativo, maximizando a potência extraída dos arranjos PV, a vida útil do banco de baterias e garantindo um fornecimento contínuo de energia às cargas. Por fim, resultados de simulação e experimentais validam o funcionamento do sistema proposto em diferentes condições de carga e radiação solar.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This work investigates the influence of operation point (Δi @ fs) in the final volume of PFC boost converter. The boost inductor, EMI filter and thermal heatsink are the elements which main influences in the converter volume. These elements are strongly influenced by the chosen operation point, showing a direct relationship among them. With the increase of switch frequency and of the input current ripple occurs reduction of the boost inductor volume. On the other hand, it increases the switching losses in semiconductors, and influence on the EMI filter volume. It should be highlight that the optimum designs of individual devices or parameters of a system could not take the optimization of the overall system. In this form it is strongly recommended that the engineers and designers take into account the overall system, as well available technologies, standard and recommendation, and finally market commitments. The methodology presented realize the converter design in a integrate form, selecting the operation point that the converter finds the minimal total volume, starting from input variable output power, input and output voltage. The design takes into account different semiconductors technologies, different input filter topologies, different heart sinks profile, different magnetic cores technologies further of international standards that the converter must be adapt. Based on an integrate design of converter parameters is possible optimize the design finding the operation point for the minimal volume. Esse trabalho investiga o impacto do ponto de operação (Δi @ fs) no volume final do conversor boost operando como pré regulador com correção do fator de potência (PFC). Os elementos de maior influência no volume do conversor são o indutor boost, o filtro de entrada e os dissipadores térmicos. O volume destes elementos é diretamente influenciado pelo ponto de operação, mostrando uma relação direta entre eles. Com o aumento da freqüência de comutação e da ondulação da corrente de entrada ocorre a diminuição do indutor boost, porém, aumentam as perdas nas comutações dos semicondutores e aumenta o volume do filtro de entrada. Com a diminuição da freqüência e da ondulação da corrente ocorre o inverso, sabendo disto, fica claro que projetar individualmente cada um destes três elementos pode resultar em um bom projeto individual, contudo penaliza os outros parâmetros. Assim, a metodologia apresentada realiza o projeto do conversor de forma integrada, escolhendo o ponto de operação em que o conversor encontre o volume final mínimo, partindo de algumas variáveis de entrada, como potência de saída e tensões de entrada e saída. O projeto leva em consideração diferentes tecnologias de semicondutores, topologias de filtros de entrada, perfis de dissipadores térmicos, tecnologias de núcleos magnéticos além das normas internacionais a que o conversor deve se adequar. Baseado no projeto integrado dos parâmetros do conversor é possível otimizar o projeto encontrando o ponto de operação para o volume total mínimo do conversor.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents the development of a methodology for design of inductor in singlephase PFC boost converters operating in CCM mode in agreement with international standards IEC 61000-3-2 and CISPR 22. Such converters are used in front-end modules of information technology equipment. This methodology is based on the investigation of the relationship among magnetic volume; switching frequency and input current ripple of the converter, presented in previous work and extended to allow the optimization of inductors with three magnetic materials: Kool Mμ, Molypermalloy and High-Flux. An analysis of some constructive characteristics of the inductors is performed, such as, magnetic materials and most appropriate type of winding, taking into account factors that can determine the lowest volume of the inductor, such as winding and magnetic losses, the flux density, and conducted electromagnetic interference (EMI). In construction of the inductors, it is discussed the use of single-layer winding, presenting their main haracteristics, advantages when seeking the reduction of conducted EMI, and considering the disadvantage of increasing of volume that this type winding may cause. An algorithm for this methodology is developed, that uses models able to estimate the differential mode conducted EMI for frequencies up to 30 MHz, as well the temperature rise of boost inductor by simulating the input current of the converter, considering soft saturation characteristics of magnetic materials and the use of commercial cores. Additionally, it is performed an experimental validation of the developed algorithm by construction of prototypes that uses three selected materials and operate at three different points of operation. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia de projeto do indutor em conversores boost PFC CCM monofásicos de acordo com as normas internacionais IEC 61000-3-2 e CISPR 22. Tais conversores são utilizados como estágio de entrada em fontes de equipamentos da tecnologia da informação. A metodologia é baseada na investigação da dependência existente entre o volume dos elementos magnéticos com a freqüência de comutação e a ondulação da corrente de entrada nestes conversores. O trabalho dá continuidade a trabalhos anteriores, ampliando a análise para a otimização de indutores de três materiais magnéticos: Kool Mμ, Molypermalloy e High-Flux. É realizada uma análise de algumas características construtivas destes indutores, entre elas, os materiais magnéticos mais apropriados e o tipo de enrolamento utilizado levando-se em consideração fatores que permitem a redução do volume do indutor, como as perdas magnéticas e nos enrolamentos, a densidade de fluxo magnético e a interferência eletromagnética (EMI) conduzida. Na implementação dos indutores, é discutida a utilização de enrolamentos de única camada, apresentando suas principais características, as vantagens de sua utilização quando se busca a redução da EMI conduzida, e considerando-se a desvantagem do aumento de volume do indutor que este tipo de enrolamento pode causar. Um algoritmo é desenvolvido para esta metodologia, no qual são utilizados modelos capazes de estimar a EMI conduzida DM para freqüências de até 30 MHz, assim como a elevação da temperatura do indutor, por meio de uma simulação da corrente de entrada do conversor que considera os efeitos da saturação suave dos materiais magnéticos e a utilização de núcleos com dimensões comerciais. É também realizada a validação experimental deste algoritmo, por meio da construção de protótipos que utilizam indutores dos três materiais escolhidos e operam em três pontos de operação distintos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This Ph. D. Thesis presents a in deep study of the mechanism of resonant transition soft-switching techniques. By means of the principles that rules the PWM resonant transition converters, a novel tool for analysis and synthesis have been developed. This novel tool also permit to be verified some of the main factors that made possible to he ZVT technique to achieve its technology level. By means of this tool and with the definition of the basic requirements of the resonant transition converters a new concept concerning the ZCZVT technique have been generated, the ZCZVT converters with discontinuous auxiliary voltage source . The development of this new concept gives rise to a new family of ZCZVT converters with magnetically coupled auxiliary circuit. It also allowed a better perspective of the ZCZVT converters characteristics, advantages, drawbacks and limitations, which contributed significantly with the grown of the technology. Two of the six topologies with bi-directional auxiliary circuits proposed in the thesis have been mathematically analised. A design methodology based on constrains and dynamic characteristics of the IGBT and diode semiconductors under ZCS and ZVS conditions have been presented. Finally, experimental results proved the efficiency gain of the novel ZCZVT inverters with magnetically coupled auxiliary circuit. The ZCZVT inverter with magnetically coupled auxiliary circuit prototype have been compared with its Undeland snubber counterpart, presenting an efficiency of about 4% superior. It corroborates to the thesis proposal of developing novel topologies with better performance and simplicity. O presente trabalho apresenta um estudo aprofundado do mecanismo de comutação presente nas técnicas de comutação suave com transição ressonante. Por meio da definição dos princípios que governam as comutações dos conversores PWM com transição ressonante, desenvolveu-se uma nova ferramenta para análise e síntese de novos circuitos com características aperfeiçoadas. Também através desta ferramenta de análise pode-se verificar alguns dos principais fatores que possibilitaram o amadurecimento da técnica de comutação ZVT. Com esta ferramenta e com a definição dos requisitos básicos para a operação dos conversores com transição ressonante foi gerado o conceito de conversores ZCZVT com fonte auxiliar descontínua. O desenvolvimento deste conceito deu origem a uma nova família de conversores ZCZVT com acoplamento magnético. O desenvolvimento de uma nova família de conversores ZCZVT permitiu uma melhor percepção das características destes circuitos e o amadurecimento da técnica de comutação suave ZCZVT. Duas das seis topologias de circuitos auxiliares bidirecionais propostas na tese para os novos inversores ZCZVT monofásicos com acoplamento foram analisadas matematicamente. Uma metodologia de projeto para estes inversores foi apresentada. Esta metodologia é baseada em restrições obtidas das características dinâmicas dos IGBTs e dos diodos que operam sob comutação em zero de corrente (ZCS) e zero de tensão (ZVS). Por fim, foram apresentados resultados experimentais que comprovam o ganho de eficiência do inversores ZCZVT com acoplamento magnético e circuitos auxiliares em derivação proposto. O protótipo do inversor ZCZVT foi comparado experimentalmente com um inversor utilizando snubber de Undeland, apresentando uma eficiência em média 4% superior. O que corroborou com a proposta inicial de desenvolver topologias ZCZVT com desempenho melhorado e maior simplicidade.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This Ph. D. dissertation presents contributions to the investigation of soft-switching cells with integrated components, presenting three main approaches: (i) Soft-switching cells with filter coupled inductor; (ii) Integrated soft-switching cells of the ZVT type for multipole systems; and (iii) Integrated soft-switching cells for several soft-switching techniques for multipole systems. Firstly it is presented a generic diagram for softswitching inverters with coupled filter inductor. From the generic diagram the turn-on snubber, ZVT and ZCZVT inverters topologies are derived. It is based on an auxiliary loop, which presents an inductor coupled to the filter inductor. The magnetic coupling allows annulling the current through the main switches during the switching transitions and, as a result, reducing the commutation losses. The basic differences among the techniques obtained by this method are the way of implementing the auxiliary switches and the time instants when these switches are triggered. The topological variations are a result of the choice of the voltage applied through the auxiliary loop by its connection to the inverter topology. Analytical expressions for the derived topologies are obtained aiming to evaluate the operation conditions, as well the main features of each topology. It is proposed a design procedure for each derived topology and the operation principles of each topology are verified by means of experimental and simulation results. Then the integrated softswitching cells of the ZVT type for multipole systems are studied. The synthesis methodology presented is based on generating every topological possibility of symmetrical auxiliary cells. The redundant cells are removed from the set of generated topologies resulting in only four diagrams, which are used to derive the integrated ZVT converters already known in the literature, as well several yet unpublished. The synthesis methodology is applied on an interruptible power supply system, which is experimentally evaluated. Finally it is proposed a generalized methodology to obtain integrated auxiliary commutation cells from several soft-switching techniques concerning multipole systems. The integration possibilities among the models obtained for the chosen soft-switching techniques are investigated, resulting in integrated models. The practical implementation of the resulting models is studied originating integrated topologies for multipole systems. The poles of the system can present the same soft-switching technique or different ones. Experimental results are presented in order to validate the concepts proposed herein. Esta tese de doutorado apresenta contribuições ao estudo de células de comutação suave com componentes integrados, apresentando três abordagens principais: (i) Células de comutação suave com indutor de filtro acoplado; (ii) Células de comutação suave integradas do tipo ZVT para sistemas multi-pólos; e (iii) Células de comutação suave integradas considerando-se diversas técnicas de comutação para sistemas multi-pólos. Inicialmente é apresentado um diagrama genérico para os conversores com comutação suave e indutor de filtro acoplado. A partir do diagrama genérico são derivadas topologias de inversores snubber de turn-on, ZVT e ZCZVT. Este diagrama genérico é baseado em uma malha auxiliar que apresenta um indutor acoplado ao indutor de filtro. O acoplamento magnético permite fazer com que a corrente através das chaves principais se anule durante as transições de comutação e, como resultado, ocorre a redução das perdas de comutação. A diferença básica entre as técnicas obtidas através deste método é o modo escolhido para implementar as chaves auxiliares e os instantes de acionamento das mesmas. As variações entre as topologias ocorrem em função da escolha da tensão aplicada à malha auxiliar. São obtidas expressões para as topologias derivadas no intuito de avaliar as condições de operação, bem como algumas de suas características. É proposto um procedimento de projeto e verificado o princípio de funcionamento destes inversores através de resultados experimentais e de simulação. A seguir são estudadas as células de comutação suave do tipo ZVT compartilhadas por sistemas que possuem múltiplos pólos. Esta metodologia de síntese é baseada na geração de todas as possibilidades de configurações para as células auxiliares simétricas. A partir disto, as configurações redundantes são eliminadas chegando-se a quatro diagramas capazes de gerar os conversores ZVT integrados presentes na literatura, bem como alguns ainda inéditos. A metodologia de síntese é aplicada para um sistema de fornecimento ininterrupto de energia, sendo que alguns resultados experimentais são apresentados. Finalmente é proposta uma metodologia generalizada para integrar as células auxiliares de diversas técnicas de comutação suave para conversores com múltiplos pólos. Partindo-se da obtenção de modelos para algumas das técnicas de comutação suave, procura-se verificar todas as possibilidades de combinação entre os modelos inicialmente obtidos, gerando-se modelos integrados e a partir disto, obtendo-se topologias integradas tanto para pólos que comutam auxiliados pela mesma técnica de comutação, como para pólos auxiliados por técnicas distintas. São apresentados resultados experimentais comprovando a viabilidade dos conceitos propostos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents a new energy conditioning system for application in stand-alone photovoltaic systems with battery bank. Firstly, the characteristics of solar photovoltaic energy, the modeling of a photovoltaic cell and the equivalent electrical circuit are presented. In a second moment, the photovoltaic generation systems and a review of the static converters applied to stand-alone photovoltaic systems with battery bank are presented. From this study it is proposed a new photovoltaic generation system, with distributed energy processing based on series-connected DC-DC converters. The proposed system presents better utilization of the energy generated by the panels through the employment of more than one array of photovoltaic panels and a static power converter for each subsystem. Thereby, the losses through shading are reduced, and also the reliability of the system is increased, once even if one of the subsystems fails, the system will keep on generating electricity to the loads of higher priority. Posteriorly, the analyses of the operation of the system and simulation results are presented. Finally, it is presented experimental results, comparing the efficiency of the utilization of the energy generated by the input stage of the proposed system and by a system traditionally employed in stand-alone photovoltaic systems, showing an energy gain of 16% with the utilization of the proposed system for situations in which at least one panel is shaded. Esta dissertação de mestrado apresenta um novo sistema de condicionamento de energia para aplicação em sistemas fotovoltaicos autônomos com banco de baterias. Inicialmente são apresentadas as características da energia solar fotovoltaica, a modelagem de uma célula fotovoltaica e um circuito elétrico equivalente. Em um segundo momento são apresentados os sistemas de geração fotovoltaica e uma revisão dos conversores estáticos aplicados a sistemas fotovoltaicos autônomos com banco de baterias. A partir deste estudo é proposto um novo sistema de geração fotovoltaica, com processamento distribuído de energia baseada em conversores CC-CC conectados em série. O sistema proposto apresenta um melhor aproveitamento da energia gerada pelos painéis através da utilização de mais de um arranjo de painéis fotovoltaicos e o emprego de um conversor estático de potência para cada subsistema. Assim, as perdas por sombreamento são reduzidas bem como é aumentada a confiabilidade do sistema, pois mesmo com a falha de um dos subsistemas o sistema continuará garantindo energia elétrica para as cargas de maior interesse. Posteriormente, são apresentadas as análises do funcionamento do sistema e resultados de simulação. Por fim, resultados experimentais são apresentados, comparando a eficiência no aproveitamento da energia gerada pelo estágio de entrada do sistema proposto e de um sistema tradicionalmente empregado em sistemas fotovoltaicos autônomos, demonstrando um ganho de energia de 16% com a utilização do sistema proposto para situações em que pelo menos um painel está sombreado.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This Master Thesis presents the development of a new dynamic model for the DC-DC Zero-Voltage-Switching Phase-Shift-Modulated Full-Bridge (ZVS-PSM-FB).At first, the ZVSPSM-FB converter is analyzed and the Steady-State equations are derived. Then, using the ac equivalent circuit modeling technique, it is derived two new ZVS-PSM-FB dynamical models, based on step operation of the converter and steady-state converter equations. These two new ZVS-PSM-FB dynamical models with two dynamical models previously presented in the literature are used to perform a frequency response and a transfer-function DC-gain comparison to verify the performance of the dynamical models. Comparison results shows that our second model here derived presents a better performance among other models, keeping the desirable characteristics as simple polynomial ratio transfer-functions, excellent theoretical accuracy of transfer-functions DC-gains, transfer-functions coefficients independency of circuit parasitics components, excepting the primary leakage inductance. Even in this work, it is shown frequency response experimental results of the ZVS-PSM-FB converter, designed following telecommunications rectifiers power supplies standards. Esta Dissertação de Mestrado apresenta o desenvolvimento de um novo modelo dinâmico para o conversor CC-CC Ponte-Completa Modulado por Deslocamento de Fase e com Comutação em Zero de Tensão (ZVS-PSM-FB). Inicialmente, o conversor ZVS-PSM-FB é analisado, onde são derivadas as equações que definem a operação em regime-permanente do conversor. A seguir, utilizando-se da técnica de modelagem ca média de conversores estáticos, deriva-se dois novos modelos dinâmicos para o conversor, tendo por base as etapas de operação do conversor e as equações de regime-permanente. Feito isso, os dois modelos aqui derivados, são comparados com outros dois modelos dinâmicos já apresentados na literatura para verificar seus desempenhos quanto à resposta em freqüência e resposta do ganho-cc das funções de transferências à variações de carga do conversor, dos modelos dinâmicos. Resultados desta comparação mostram que o segundo modelo aqui derivado é o que apresenta melhor desempenho entre os modelos comparados, mantendo características desejáveis de simples formato de função de transferência como razão de polinômios, precisão teórica excelente para resposta de ganho-cc das funções de transferências e não-dependência dos coeficientes das funções de transferências de parâmetros parasitas do circuito, a menos da indutância de dispersão do transformador. Ainda neste trabalho, são mostrados resultados experimentais da resposta em freqüência do conversor ZVS-PSM-FB, projetado com especificações de normas para retificadores chaveados de alta-freqüência para equipamentos de telecomunicações.

This work investigates the relationship among the magnetic volume, switching frequency and input current ripple of a single-phase, 1kW boost based PFC converter with universal input voltage range, complying with the international standards IEC 61000-3-2 and CISPR 22. Such topology is frequently applicable in Telecom power supplies modules, as a part of a Distributed Power System (DPS). The investigation is carried out employing an appropriate magnetic arrangement for the specific case, which has been chosen through an extended bibliographic review, where features such as costs, losses, flux density capability and conducted noise propagation has been considered. The review leads to magnetic arrangement composed by a toroidal core shape, based in the Sendust type powder material which is wounded by a single layer coil. All the limiting factors for the elevation of the switching frequency and input current ripple were identified, modeled and considered to the elaboration of an algorithm that is able to estimate an operation point that minimize the magnetic volume of the PFC converter. Furthermore, all the models used in the analysis are well established in the literature, either in the theoretical development as in the experimental results. Esse trabalho investiga a relação de dependência que existe entre o volume de magnéticos, a freqüência de comutação e a máxima ondulação de corrente em um conversor PFC de 1kW baseado na estrutura boost, monofásico, com entrada universal e que esteja de acordo com as normas internacionais IEC 61000-3-2 e CISPR 22. Tal conversor tem aplicação típica em módulos de fontes para Telecom de sistemas distribuídos de potência (DPS Distributed Power Systems). Para a realização da investigação considerou-se a utilização de um arranjo magnético adequado para a aplicação em questão, o qual foi escolhido através de uma revisão bibliográfica, onde se consideraram aspectos como custo, perdas, densidade de fluxo e propagação do ruído eletromagnético conduzido. Segundo essa análise, o arranjo magnético escolhido baseia-se em um núcleo magnético do tipo Powder no formato toroidal, mais especificamente o material Sendust, no qual a bobinagem é feita com uma única camada de fio. Todos os fatores limitantes para a elevação da freqüência de comutação e da ondulação de corrente foram identificados, modelados e considerados para a implementação de um algoritmo capaz de estimar o ponto de operação que minimiza o volume de magnéticos do conversor PFC. Além disso, todos os modelos utilizados são bem estabelecidos na literatura correlata, tanto no desenvolvimento teórico quanto na comprovação experimental.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents the development of a novel digital acceleration controller for sinusoidal vibration tests using switching-mode AC power source (ACPS) fed electrodynamic vibration machines. The proposed scheme is based on the interaction of two control loops: one for the shaker's acceleration regulation and another for the ACPS output voltage control. A robust model reference adaptive algorithm (RMRAC) is used in the voltage control loop. To reduce the effects caused by the plant's parameters variations as well harmonic vibrations and resonances of the test specimen, the acceleration feedback controller is augmented with a feedforward and a robust controller. Experimental results show that the proposed system is capable to achieve excellent acceleration reference tracking performance and robustness in the closed loop control from 20 Hz to 200 Hz. Investigations shall be performed to evaluate the response of this scheme when controlling vibrations as fast as 2000 Hz. A specific instrumentation system has been developed to feedback the electrodynamic vibration machine's acceleration. The proposed solution employs piezoelectric accelerometers, voltage mode preamplifiers, circuit for signal conditioning, analog to digital conversion and filtering. A study concerning the commonly used vibration measurement techniques and the design procedure, simulation, implementation and experimental results are described in detail. Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de um novo tipo de controlador digital de aceleração para ensaios com vibrações senoidais em máquinas de vibra ção eletrodinâmicas supridas por fontes de potência CA com comutação. O esquema proposto é baseado na interação entre duas malhas de controle: uma para regulação de aceleração da máquina de vibração e outra para ajuste da tensão de saída da fonte de potência CA. Um algoritmo adaptativo robusto por modelo de referência (RMRAC) é utilizado na malha de controle de tensão. Os efeitos de variações paramétricas existentes na planta bem como de vibrações harmônicas e ressonâncias do objeto ensaiado são minimizados com o uso de um controlador feedforward e um controlador feedforward robusto na malha de aceleração. Resultados experimentais demonstram que o sistema proposto é capaz de garantir excelente rastreamento da aceleração de referência e robustez em malha fechada entre 20 Hz e 200 Hz, necessitando ainda de investigação para controle de vibrações tão rápidas quanto 2000 Hz. A realimentação da aceleração da máquina é realizada com o desenvolvimento de uma instrumentação adequada a esse fim. A solução proposta utiliza acelerômetros piezoelétricos, pré-amplificadores modo tensão, circuito para condicionamento de sinais, conversão analógico-digital e filtragem. Um estudo sobre as principais técnicas utilizadas em medições de vibrações bem como a metodologia de projeto, simulação, implementação e testes experimentais são descritos detalhadamente.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This Ph.D. Dissertation presents contributions to the study of hybrid multilevel systems, analyzing several issues that compose this system, such as: topological variations of the output inverter stage and input rectifier stage, design methodologies, modulation strategies and control system. This extensive analysis is carried out because these issues are closely related, so that a modification in any element can affect the overall system performance. Initially, due to the enormous flexibility and large complexity to design hybrid multilevel converters, this work proposes a unified analysis for these converters, which are composed of several series-connected cells with distinct voltage levels, modulation strategies, topologies and/or semiconductor technologies. This unified analysis includes a detailed comparative analysis among distinct topologies and a new generalized design methodology. Different configurations of hybrid converters are proposed from this new design methodology, depending on the specifications imposed to the multilevel system. Therefore, this work can be used as a valuable tool to define an adequate hybrid configuration for a specific application. After, this work also proposes a new arrangement to implement the isolated voltage sources of the series-connected cells that compose a hybrid multilevel inverter. This new arrangement is based on the multipulse connection of uncontrolled rectifiers processing distinct power levels, unlike conventional multipulse converters. A new design methodology for this input stage is proposed in this work, defining the phase shifts among the secondaries of the isolation transformer to eliminate dominant harmonics from the current drawn from the utility grid even when the active power levels processed by rectifiers are different. This work also investigates the impact of the hybrid multilevel modulation strategy on the harmonic contents of the output voltages and input currents. After to demonstrate the negative impact of the modulation strategy on the input harmonic performance for some operating points, this Ph.D. Dissertation proposes a new modulation strategy that makes possible, together with an asymmetrical multipulse connection of rectifiers, to eliminate undesired harmonics from the input current in any operating point without affecting the output harmonic performance. Beyond these issues, this work also includes a qualitative analysis about hybrid multilevel inverters operating as actuators in closed-loop systems, to motivate a discussion about this new subject. Finally, several experimental results are presented to demonstrate the practical feasibility of some proposals of this Ph.D. Dissertation. Esta Tese de Doutorado apresenta contribuições ao estudo de sistemas multiníveis híbridos, investigando vários temas que compõem esse sistema, tais como: variações topológicas do estágio inversor de saída e do estágio retificador de entrada, metodologias de projeto, estratégias de modulação e sistema de controle. Isso se deve principalmente ao fato que esses temas estão intimamente relacionados, de tal forma que uma alteração em qualquer elemento do sistema pode modificar o desempenho do todo. Inicialmente, devido à enorme flexibilidade e grande complexidade para projetar conversores multiníveis híbridos, esse trabalho realiza uma abordagem unificada desses conversores, que são compostos de várias células em série, com valores de tensão, estratégias de modulação, topologias e/ou tecnologias de semicondutores diferentes. Essa abordagem inclui uma análise comparativa entre várias topologias e uma nova metodologia de projeto generalizada. Assim, esse trabalho pode ser usado como uma importante ferramenta para definir um conversor híbrido adequado para uma determinada aplicação. Posteriormente, esse trabalho também propõe um novo arranjo para implementar as fontes de tensão isoladas das células que compõem um inversor multinível híbrido. Esse novo arranjo é baseado na conexão multipulso de retificadores não controlados que, ao contrário dos conversores multipulso convencionais, processam níveis distintos de potência. Uma nova metodologia de projeto generalizada é proposta nesse trabalho para esse estágio de entrada, determinando os ângulos de defasagem entre os secundários do transformador de isolação para eliminar harmônicas dominantes da corrente drenada da rede pública de energia, mesmo quando os retificadores processam níveis distintos de potência ativa. Esse trabalho também investiga o impacto da estratégia de modulação híbrida tanto no conteúdo harmônico das tensões de saída quanto no conteúdo harmônico das correntes de entrada. Após demonstrar o impacto negativo da estratégia de modulação no desempenho harmônico de entrada em alguns pontos de operação, essa Tese propõe uma nova estratégia de modulação que torna possível, juntamente com uma conexão multipulso assimétrica de retificadores, eliminar harmônicas dominantes da corrente de entrada em qualquer ponto de operação sem prejudicar o conteúdo harmônico das tensões de saída. Além desses assuntos, esse trabalho também realiza uma breve análise qualitativa do desempenho de inversores multiníveis híbridos em sistemas de controle em malha fechada, com o intuito de iniciar uma discussão sobre esse novo tema. Por fim, diversos resultados experimentais, tanto do estágio inversor de saída quanto do estágio retificador de entrada, são apresentados para demonstrar a viabilidade prática de algumas propostas dessa Tese de Doutorado.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Dc-dc isolated converters with Zero-Voltage-Switching are proposed and studied in this thesis. Special attention is focused on converters with series switches connections, which allow the use of switches designed for half of dc bus voltage. A new modulation entitled as interleaved-Phase-Shift-Modulation is proposed, which is applied to two half-bridges converter connected in series. The main characteristics of the proposed modulation in relation to the pulse-width-Modulation are the input capacitors voltage equalization and the switches currents symmetrical sharing. This way, low frequency voltage oscillations are eliminated, making possible the implementation of faster control law, and better switches utilization can be obtained, producing higher efficiency. It is proposed an optimization process to design auxiliary circuits of low cost which perform Zero-Voltage-Switching in entire load range. The utilized circuit is composed of inductors connected in series and in parallel with the transformer(s). The optimization method is applied to half-bridge converters connected in series with soft commutation in entire load range with different modulations, and to the fullbridge isolated converter. By the use of the optimization process, it is obtained the set of series and parallel inductances values, which maximize the converters efficiency. Theoretical and experimental results obtained from the converters with output of 60V/25A demonstrate that converters with optimized designs can present efficiency even 2% higher than converters with non-optimized designs. Moreover, it is demonstrated that by utilizing an optimization process, converters with soft commutation in entire load range can present efficiency higher than converter with soft commutation in only a load range, despite the inclusion of auxiliary shunt inductors. An alternative for the use of phase-shift-modulation in half-bridge converter connected in series is presented. The proposed converter utilizes a three-level boost rectifier, which performs the input current power factor correction and maintains the dc bus voltage equally shared. The series converter, with phase-shift modulation is connected on the rectifier output. The main advantages of the phase-shift modulation utilization in relation to the pulsewidth- modulation are the symmetrical current share through the switches and the smaller current peaks on auxiliary circuits, resulting in smaller reactive energy in the converter and higher efficiency. A comparative study among the full-bridge converter and converters with series arrangement of half-bridges with different modulations is performed, considering the efficiency and the cost of the converters as parameters. As a result it can be observed the best performance and smaller cost of the full-bridge converter for 400V applications, while for 800V applications, the series converters present higher efficiency and smaller cost, considering the actual technology. Nesta tese são propostos e estudados conversores cc-cc isolados com comutação sob tensão nula. Especial atenção é dedicada aos conversores com conexão série de semicondutores, que possibilitam o uso de interruptores projetados para suportar metade da tensão do barramento cc. Um novo tipo de modulação intitulada intercalação da modulação por deslocamento de fase é proposta, sendo aplicada a dois conversores meia-ponte conectados em série. As principais características da modulação proposta em relação à modulação por largura de pulso são a equalização de tensão nos capacitores de entrada e a divisão simétrica de corrente nos interruptores. Desta forma, eliminam-se oscilações de baixa freqüência de tensão, possibilitando a implementação de leis de controle mais rápidas e obtém-se um melhor fator de utilização dos interruptores, possibilitando a obtenção de eficiências mais elevadas. É proposto um processo de otimização o projeto de circuitos auxiliares de baixo custo que possibilitam comutação sob tensão nula em toda a faixa de carga. O circuito utilizado é composto por indutores conectados em série e em paralelo com o(s) transformador(es). O processo de otimização é aplicado a conversores em meia-ponte conectados em série com comutação suave em toda a faixa de carga com diferentes tipos de modulação, e ao conversor em ponte-completa isolado. Através do processo de otimização obtém-se o conjunto de valores de indutores séries e paralelos, que maximizam a eficiência dos conversores. Resultados teóricos e experimentais para conversores com saída de 60V-25A demonstraram que conversores com projetos otimizados podem apresentar eficiência até 2% superior à de conversores com projetos não otimizados. Além disto, é demonstrado que com o uso de um processo de otimização, conversores com comutação suave em toda a faixa de carga podem apresentar eficiência superior à de conversores com comutação suave em somente uma faixa de carga, apesar da inclusão de indutores paralelos auxiliares. Uma alternativa para a implementação de modulação por deslocamento de fase em conversores meia-ponte conectados em série é apresentada. O conversor proposto utiliza na entrada um retificador boost três níveis, o qual realiza a correção do fator de potência da corrente de entrada e mantém a tensão regulada do barramento cc com divisão simétrica. O conversor série com modulação por deslocamento de fase é conectado na saída do circuito retificador. As principais vantagens da utilização da modulação por deslocamento de fase em relação à modulação por largura de pulso são a divisão simétrica de corrente nos interruptores e os menores picos de corrente nos circuitos auxiliares, resultando em menor energia reativa no conversor e maior eficiência. Um estudo comparativo entre o conversor em ponte completa e conversores com conexão série de conversores meia-ponte com diferentes modulações é efetuado, considerando como parâmetro a eficiência e o custo dos conversores. Como resultado verifica-se a melhor performance e menor custo do conversor em ponte completa para aplicações de 400V, enquanto que para tensão de 800V os conversores série apresentam maior eficiência e menor custo, com a tecnologia atual.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This thesis presents an analysis, design and implementation soft switching inverters for UPS applications. The inverters considered are constituted of soft switching cells, which provide zero voltage switching (ZVS) for the main power semiconductors devices, and zero current switching (ZCS) for the auxiliary semiconductors devices. The auxiliary cells used in this implementation are based on the Auxiliary Resonant Commutated Pole (ARCP) circuit. Theoretical analyses of the main ARCP topologies existent are presented. All the topologies analyzed are implemented having as base the same layout of the power circuit, just the auxiliary circuit being replaced. In this way it has been possible to ensure a fair comparison among them. A generalized design methodology has been developed for the selection of the auxiliary cells components. This design methodology uses design curves, which have been generated from the solution of equations that describe the operation modes of the converters. Among these design curves are: the losses of duty-cycle, elapsing time of the auxiliary pulses, amplitude of the auxiliary sources, and turns ratio of the transformer. These ARCPs have been implemented in a full-bridge inverter, where one of the inverter leg operates at a low frequency (60Hz). As a result, the circuit could be simplified without penalizing the commutation losses. Experimental results are presented in order to validate the analysis carried out. O presente trabalho apresenta a análise, projeto e a implementação de um inversor PWM monofásico, de alto desempenho, para aplicações em sistemas ininterruptos de energia. O inversor implementado será constituído de células de auxilio a comutação, que propiciam comutação do tipo ZVS dos dispositivos semicondutores principais, e comutação do tipo ZCS dos dispositivos semicondutores auxiliares. As células auxiliares utilizadas nestas implementações são baseadas nas estruturas ARCP (Auxiliary Resonant Commutated Pole). Será feita uma análise teórica e matemática referente as principais topologias ARCP existentes, tendo como critério de escolha, a simplificação de comando. Além disto, todas as topologias analisadas, foram implementadas, tendo como base o mesmo layout da placa de potência, mudando somente as estruturas auxiliares, pois assim, garante-se uma análise comparativa mais eficiente referente às perdas que cada estrutura auxiliar injeta no inversor como um todo. Também foi desenvolvida uma metodologia de projeto generalizada para todas as células auxiliares estudadas, sendo que para isso, contou-se com ábacos de projeto normalizados, gerado segundo o equacionamento obtido para cada estrutura. Estes ábacos descrevem as perdas de razão cíclica, tempo de duração dos pulsos auxiliares, dimensionamento de fontes auxiliares para algumas estruturas e saturação do transformador em outros casos. Com isso, obtêm-se os requisitos mínimos para o desenvolvimento de um projeto que atenda os objetivos buscados com uso de células auxiliares, ou seja, reduzir as perdas nas comutações. Com esta redução, é possível aumentar da freqüência de comutação, diminuir o volume de filtros e dissipadores de calor das chaves de potência, entre outros fatores que contribuem diretamente na eficiência do inversor. Estas estruturas foram implementadas para que operassem em ponte completa, porém, um dos braços do inversor opera em baixa freqüência (60 Hz). Resultados experimentais são apresentados de forma a validar a analise realizada.