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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diagrams, which are used to derive the integrated ZVT converters already known in the literature, as well several yet unpublished.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 - CAPES This Doctoral Thesis makes a detailed study and development of topologies of dc-dc converters with high voltage gain for photovoltaic microinverters. This requirement is because of low voltage of photovoltaic module, which has to be suitable for the high voltage of inverter dc bus. Due to low power of this system, the isolated SEPIC is chosen as standard topology for synthesis of others converters, because it uses a single semiconductor switch, besides providing galvanic isolation among photovoltaic module and electrical grid. To solve some problems of this converter, besides providing a higher static gain, some cells are added to converter and analyzed. The topologies obtained and defined as most promising and more relevant are selected to be analyzed with more detailing. The proposed converters are deeply analyzed as to its operation and equation for operation analysis and definition of voltage and current stress. All the analyzed converters show a characteristic of resonant operation, which brings the advantage of soft switching, reducing the switching losses. Besides that, they are capable to solve some problems of isolated SEPIC, such as the replacement of coupled inductor by the transformer, besides mitigating voltage spikes on secondary side, and decreasing voltage stress over some components. Lastly, and not less important, the static gain is significatively increased, without the excessive addition of components. To validate all the concepts, assumptions and equations performed, experimental results are presented. These results aim to verify the compatibility among converters waveforms, besides issues of soft switching, listing some advantages and disadvantages of each converter, also presenting the efficiency curves and the loss estimation for each converter. In this way, this work aims to contribute making a detailed study and developing converters to be used on a photovoltaic microinverter. To affirm this propose, experimental results are obtained and presented, in order to make a theoreticalexperimental comparison among topologies of converters, aiming to improve the quality and trustworthiness of this work. Esta Tese de Doutorado faz um estudo e desenvolvimento de topologias de conversores CCCC com elevado ganho de tensão para a aplicação de microinversores fotovoltaicos. Nestas aplicações, é necessário que a baixa tensão de um módulo fotovoltaico seja adequada para a alta tensão de entrada do inversor. Devido à baixa potência do sistema, o SEPIC isolado foi adotado como topologia base para a síntese de outros conversores, pois utiliza apenas uma chave semicondutora, além de garantir a isolação galvânica entre o módulo fotovoltaico e a rede elétrica. Para solucionar alguns problemas existentes desta topologia e também proporcionar um maior ganho estático, diversas células são inseridas ao conversor e analisadas. As topologias obtidas e julgadas como mais promissoras e de maior relevância são selecionadas para serem abordadas com maior detalhamento. Os conversores propostos são analisados com aprofundamento quanto ao seu funcionamento e ao equacionamento para análise de operação e definição dos esforços de tensão e corrente. Todos os conversores analisados apresentam a característica de possuírem etapas ressonantes em seu funcionamento, o que traz a vantagem de se ter comutações suaves, reduzindo as perdas de comutação. Além disso, são capazes de solucionar problemas existentes do SEPIC isolado, tais quais a substituição do indutor acoplado por um transformador, além da mitigação de spikes no secundário, reduzindo também os esforços de tensão sobre alguns elementos. Por fim, e não menos importante, o ganho estático é significativamente elevado, sem o acréscimo excessivo de componentes. Para validar todos os conceitos, suposições e equacionamentos realizados, os resultados experimentais são apresentados. Estes resultados visam verificar a compatibilidade entre as formas de onda, além de questões acerca das comutações suaves, elencando vantagens e desvantagens de cada topologia, mostrando também as curvas de rendimento e a estimativa de perdas de forma individual para cada conversor. Neste sentido, este trabalho visa contribuir fazendo o estudo detalhado e o desenvolvimento de conversores para serem utilizados em um microinversor fotovoltaico. Para todos os conversores, os resultados apresentados foram obtidos para uma frequência de comutação de 50 kHz, com tensão de entrada de 37,4 V e tensão de saída de 400 V, com todos apresentando rendimentos acima de 96% para a maior parte da faixa de potência de saída testada.

This thesis presents a proposal for a gate-driver system, for MOSFET and IGBT power semiconductor devices, which uses a piezoelectric transformer in the power circuit and communication channel. Thus, a bibliographical review of the already known topologies of gate-drivers communication channel and energy transmission was conducted, focusing on isolated structures, where the potentiality of using piezoelectric transformers in this type of application was identified. Therefore, for simplicity, an E-Class converter was used to power the transformer, implementing both the isolated source and the communication channel of the gate-driver circuit. So, the study of the Class-E converter was conducted, involving the modeling of the converter together with a screening of the resonance frequency and the piezoelectric transformer's ratios. A detailed analysis of the piezoelectric transformer was also made to obtain its equivalent electrical model to identify the resonance frequencies and, consequently, its point of operation. Also, regarding the E-Class converter, modulation and demodulation techniques for the gate-driver circuit command signal are proposed. Finally, experimental results for a gate-driver circuit with 30 V supply voltage and command signal between -5 and +15 V are presented for the validation of the proposal. Esta dissertação apresenta uma proposta de sistema de gate-driver para dispositivos semicondutores de potência do tipo MOSFET e IGBT que faz uso de um transformador piezoelétrico no circuito de alimentação e no canal de comunicação. Para tanto, se fez uma revisão bibliográfica das topologias já conhecidas de canal de comunicação e transmissão de energia de gate-drivers, com foco em estruturas isoladas, onde se identificou a potencialidade do emprego de transformadores piezoelétricos neste tipo de aplicação. Assim, por sua simplicidade, empregou-se um conversor Classe-E na alimentação do transformador, implementando tanto a fonte isolada quanto o canal de comunicação do circuito de gate-driver. Deste modo, fez-se o estudo do conversor Classe-E, englobando a modelagem do conversor juntamente com um rastreio da frequência de ressonância e da razão-clica do transformador piezoelétrico. Também fez-se a análise detalhada do transformador piezoelétrico de forma a obter o seu modelo elétrico equivalente para identificar as frequências de ressonância e, por consequência, seu ponto de operação. Ainda com respeito ao conversor Classe-E, são propostas técnicas de modulação e demodulação do sinal de comando do circuito de gate-driver. Por fim, resultados experimentais para um circuito de gate-driver com tensão de alimentação de 30 V e sinal de comando entre –5 e +15 V são apresentados para a validação da proposta.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Este trabalho propõe o desenvolvimento de um conversor ACCFHB (Active-Clamped Current-Fed Half-Bridge) alimentado em corrente com acoplamento magnético e grampeamento ativo, operando em malha aberta para aplicações em sistemas fotovoltaicos com alto ganho de tensão. Inicialmente são apresentadas as características do conversor boost e suas variações e, consequentemente, a topologia do conversor boost intercalado, apontando suas vantagens e desvantagens. Em seguida, realiza-se a análise do conversor CFHB (Current-Fed Half-Bridge) alimentado em corrente e a implementação prática do conversor, com o intuito de verificar os efeitos causados pela indutância de dispersão do transformador no funcionamento do circuito. O principal efeito são os picos de tensões gerados sobre as chaves semicondutores que podem extrapolar os limites e danificar as chaves. Diante disso, são inseridos circuitos auxiliares do tipo snubber para minimizar esses efeitos. Por fim, são apresentadas as etapas de operação do conversor ACCFHB que servem de base para o projeto e com isso, o protótipo é construído para obter os resultados experimentais que são comparados com a teoria. Os principais resultados obtidos podem ser citados, como: elevado ganho de tensão, redução do tamanho físico do conversor através dos indutores acoplados, elevação do rendimento, redução dos efeitos causados pela indutância de dispersão e a tensão máxima sobre as chaves fica grampeada. This paper proposes the design of an Active-Clamped Current-Fed Half- Bridge converter (ACCFHB) with magnetic-coupling, operating in open loop for photovoltaic applications with high voltage gain. Initially the characteristics of the boost converter and its deviations are shown, consequently the interleaved boost converter is presented, pointing out its advantages and disadvantages. Next, the analysis of the Current-Fed Half-Bridge Converter (CFHB) is made, and its physical implementation is realized, with the intent to verify the effects caused by the leakage inductance of the transformer over the circuit functioning. The main effects are the voltage spikes over the semiconductor switches, that can surpass the supported limits causing permanent damage. In front of that, snubber auxiliary circuits are inserted in order to minimize theese effects. Lastly, the power stages of the ACCFHB converter are shown in order to realize its design, and with that, the prototype was build in order to obtain the experimental results that are compared with the theory. The main results obtained can be cited as: high voltage gain, physical size reduction of the converter by means of coupled inductors, an efficiency increase, reduction of the effects caused by the leakage inductance, and a clamped voltage over the switches.

This paper presents the losses and efficiency evaluation to three different topologies. This paper goals are evaluating the losses percental related to the semiconductors devices, Gallium Nitride (GaN). This paper presents the converters: synchronous Buck, quasi-resonant Buck converter and LLC resonant converter. The topologies have their losses evaluated by calculation, simulation and experimental, therefore it is possible to compare the methods. Utilizing the calculation and simulation method is possible to predict the real converter behaviour, as result is possible to evaluate each device losses. In conclusion the Gallium Nitrite have some limitations to low load applications and hard switching operation. In the resonant applications the semiconductor devices, GaN, have their losses decreased. O presente trabalho apresenta o estudo das perdas e da eficiência para três topologias de conversores. Tendo como objetivo avaliar a percentagem de perdas relativas ao semicondutor à base de Nitreto de Gálio (GaN). As topologias empregadas neste trabalho são Buck síncrono, Buck quase-ressonante e conversor ressonante LLC. Para cada uma das topologias são avaliadas as perdas por cálculo, por simulação e de modo experimental, de forma a realizar um comparativo entre os métodos. Com o uso dos métodos de cálculo e de simulação foi possível prever-se o comportamento real dos conversores, assim como avaliar as perdas em cada um dos componentes. Com este trabalho conclui-se que o GaN possui suas limitações em aplicações de baixa potência e em aplicações em comutação forçada. Em aplicações ressonantes as perdas relativas aos semicondutores GaN, são reduzidas significativamente.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq The Microinverter is an inverter sized to meet individual solar panels, usually consisting of two stages, one DC-DC stage and another CC-AC stage. For the first stage of the DC link microinverter, the isolated current-fed half-bridge converter was chosen because of its characteristics. Such as, lower number of components, simplicity of operation and higher voltage gain. The isolated current-fed half-bridge inverter was analyzed for the operating principle, static gain, voltage and current stresses, estimated losses and efficiency. To improve the performance of the isolated current-fed half-bridge converter, high voltage gain circuit techniques were evaluated and associated in the converter. In this way, four high step-up topologies are proposed and evaluated. In relation to CC-CA stage, the adopted converter is the buck with unfolding. The principle of operation, modeling and control, power losses estimation and design methodology of this converter are analyzed. In addition, a small modification in the circuit caused this topology to present an LCL filter, which is an attractive for systems connected in the grid tie. Finally, to validate the theoretical analyzes, five prototypes of 200 W are evaluated experimentally in the laboratory. The Microinverter based on isolated current-fed half-bridge with Cockcroft-Walton cell voltage multiplier presented better features among all DC-DC converters. On the other hand, the results of the CC-CA stage validated achieved the main objective of supplying power to the grid according to standard. Finally, the microinverter based on isolated current-fed half-bridge with Cockcroft-Walton cell and buck with unfolding is the one that achieved better performance. O Microinversor é um inversor dimensionado para atender painéis solares individualmente, usualmente composto por dois estágios, um estágio CC-CC e outro estágio CC-CA. Para o primeiro estágio do microinversor com link CC, o conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente foi escolhido devido às suas características. Tais como, menor número de componentes, simplicidade de operação e maior ganho de tensão. O conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente foi analisado em relação ao princípio de funcionamento, o ganho estático, esforços de tensão e corrente, estimativa de perdas e rendimento estimado. Para melhorar o desempenho do conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente, técnicas de circuitos elevadores de tensão foram avaliadas e associadas no conversor. Dessa forma, quatro topologias elevadoras de tensão foram propostas e avaliadas. Em relação ao estágio CC-CA do Microinversor, o conversor adotado é o buck com unfolding, e foram analisados o princípio de funcionamento, a modelagem, o controle, a estimativa de perdas e a metodologia de projeto desses conversores. Além disso, uma pequena modificação no circuito fez com que essa topologia apresentasse um filtro LCL, o que é um atrativo para sistemas conectados na rede elétrica. Por fim, para validar as análises teóricas, cinco protótipos de 200 W foram avaliados experimentalmente no laboratório. O conversor meia-ponte isolado alimentado em corrente com célula de Cockcroft-Walton multiplicador de tensão apresentou melhores características dentre todos os conversores CC-CC elevadores de tensão. O objetivo principal do estágio CC-CA é fornecer energia à rede elétrica de acordo com as normas, e os resultados experimentais comprovaram esse objetivo. Por fim, o microinversor baseado nas topologias meia-ponte isolado alimentado em corrente com célula de Cockcroft-Walton multiplicador de tensão e buck com unfolding foi o que alcançou melhor desempenho.

This work proposes an optimized design methodology for static converters applied to systems where the processed energy is discontinuous and/or variable over time. It will be demonstrated that in these cases, it is not just to design the converter in order to have the maximum efficiency at the rated power of the system, in the worst case or a previously defined point. In most of the time, these converters will operate in several other load processing regions. Thus, the proposed methodology will take into account the behavior of this energy processed by the converter. The maximization of an equation that represents this behavior, together with the minimization of the Boost DC / DC converter volume, working as tracking of the maximum power of a photovoltaic system, will be the criteria to be optimized by this methodology. The search for the ideal solution will be performed through a sweeping of design parameters such as inductor current ripple, switching frequency, output voltage ripple and current density. A database with several magnetic cores, semiconductors and capacitors will be used for different design can be tested. For case study, the methodology will be applied to a photovoltaic system, considering the statistical data of solar irradiation from the meteorological station of São Martinho da Serra / RS. Esse trabalho propõe uma metodologia de projeto otimizada para conversores estáticos aplicados a sistemas onde a energia processada pelos mesmos é intermitente e/ou variável ao longo do tempo. Será demonstrado que nesses casos, não basta projetar o conversor para que se tenha a máxima eficiência na potência nominal do sistema, em um pior caso ou em um ponto previamente definido. Na maior parte do tempo, estes conversores irão operar em diversas outras regiões de processamento de carga. Dessa forma, a metodologia proposta levará em consideração o comportamento desta energia processada pelo conversor. A maximização de uma equação que represente esse comportamento, em conjunto com a minimização do volume de um conversor Boost CC/CC, utilizado na etapa de rastreamento da máxima potência de um sistema fotovoltaico, serão os critérios a serem otimizados pela metodologia. A busca pela solução ideal será realizada através de um método de varredura de parâmetros de projeto como ondulação de corrente do indutor, frequência de chaveamento, ondulação de tensão de saída e densidade de corrente. Um banco de dados com diversas opções de núcleos magnéticos, semicondutores e capacitores será utilizado para que diferentes possibilidades de projetos sejam testadas. Para estudo de caso, a metodologia será aplicada a um sistema fotovoltaico, considerando os dados estatísticos de irradiação solar da estação meteorológica de São Martinho da Serra/RS.

A variação do comportamento de consumo elétrico ao longo do dia vem sendo um constante desafio para planejamentos e operação de sistemas de distribuição de energia elétrica. A diversidade de ocorrência dos picos de demanda, considerando diferentes classes de consumo, para um transformador de distribuição, são determinados de uma forma estatística, assim possibilitando uma aproximação do real comportamento dos consumidores de energia elétrica. Mas não basta apenas considerar dados estatísticos, e sim adicionar outros fatores que são determinísticos para definição real desse comportamento destes consumidores ao longo do dia. Neste contexto, é fundamental considerar dados climáticos. Durante um período de 12 meses foi realizada uma campanha de medições e paralelamente um arquivamento de informações utilizando sites da internet sobre dados climáticos da região. Como as medições (amostragens) foram, geograficamente, muito próximas, foi possível acompanhar e perceber a modificação de comportamento dos consumidores, como a utilização de condicionadores de ar e refrigeração em geral. Portanto, como objetivo de aperfeiçoar a caracterização de curvas típicas de demanda de energia elétrica, neste trabalho, utilizando metodologias de redes neurais, serão agrupadas as curvas de demanda considerando: classes, subclasses, consumo médio (últimos 12 meses) de energia elétrica, e adicionalmente dados climáticos. The variation of the behavior of electrical consumption throughout the day has been a constant challenge for planning and operation of electric power distribution systems. The diversity of occurrence of peak demand, considering different classes of consumption to a distribution transformer are determined in a statistical manner, allowing an approximation of the actual behavior of consumers of electricity. But not enough to consider only statistical data, but add other factors that are deterministic for real definition of the behavior of these consumers throughout the day. In this context, it is crucial to consider climate data. During a period of 12 months, a measurement campaign was carried out in parallel and an archive of information using the internet sites on climatic data of the region. Because measurements (samples) were geographically very close, it was possible to follow and realize the change in consumer behavior, such as the use of air conditioners and cooling in general. Therefore, the objective of improving the characterization of typical curves of electricity demand, this paper, using methodologies neural networks, are grouped considering the demand curves: classes, subclasses, middle (last 12 months) of electricity, and additionally climatic data.

Atualmente, as tecnologias para comunicações sem fio que utilizam a rádio-frequência estão em ascensão. Um dos motivos é o baixo custo que esta tecnologia atingiu e também a nova gama de aplicações possíveis com a sua utilização. Em particular, destacam-se os sistemas de localização em uma rede de sensores sem fio. Nestes sistemas de localização, métodos especiais são necessários para determinar distância ou ângulo e a localização do objeto de interesse, tendo cada método suas vantagens e desvantagens. Nesta dissertação é desenvolvido um novo sistema de localização em campo aberto de baixo custo utilizando a técnica conhecida como received signal strength indication (RSSI), juntamente com a técnica de medição de ângulo angle of arrival (AoA). Finalmente, um novo método de localização de baixo custo é sugerido: Localização por um Ponto (LpUp). Esta dissertação consta de uma revisão bibliográfica dos métodos de medição de distância, ângulo e localização existentes, simulação, testes em campo, determinação de variáveis de influência do RSSI, algoritmo e firmware do LpUp. Testes em campo indicaram que a acurácia do sistema pode chegar a 0,4 m, dependendo das condições do local e da configuração do LpUp. Devido à redução de custos do LpUp em comparação a outras técnicas de localização, será possível introduzir uma nova gama de aplicações no mercado. Nowadays, wireless technologies that use radio-frequency are growing, whereby the reason can be attributed to the low cost of this technology and to the possibility of developing several different applications. One of these applications is the localization system in a wireless sensor network. In this work, a low-cost localization method for open-field applications that uses the RSSI technique to estimate distance and angle is presented: Localization by one Point (LboP). This work includes: literature review of the distance, angle and localization methods, simulation, field tests, determination of the RSSI influences on the precision and accuracy of the positioning, algorithm and firmware of the LboP. This new localization system was realized and field tests show that the LboP accuracy can go down to 0,4 m.A limitation of the proposed method is its dependency on the terrain and on the LboP configurations. Due to the cost reduction of the LboP in comparison to other localization systems, new types of applications may be introduced in the market.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This Ph.D. Dissertation focuses on the proposal of a novel converter topology applied to the connection of an energy storage system, composed of a supercapacitor bank and a battery bank, to the dc bus of a residential microgrid. The proposed full-bridge-forward integrated dc-dc converter presents high voltage gain between the input and output, a fundamental requirement for the desired application, bidirectional power flow, galvanic isolation, among other features. The integration process, operation stages (including converter waveforms and equations), design methodology, dc modeling, among others, are presented. Three different clamping circuits structures are studied and applied to the proposed converter. Moreover, a comparison including several parameters with the dual active bridge converter, which is one of the most used topologies for similar applications is performed, highlighting the lesser number of active switches. Experimental results of the proposed converter in different operation modes are presented, validating the theoretical analysis. Experimental results of the dual active bridge converter are also presented and its performance is compared to the proposed converter, where it can be seen that the efficiency of the proposed converter is higher. The topology application is directed to microgrid systems, which attract high attention nowadays due to the possibility of renewable electric energy generation through distributed energy resources and with high reliability. Esta Tese de Doutorado tem como foco a proposta de uma nova topologia de conversor aplicado para conexão de um sistema de armazenamento de energia, composto de um banco de supercapacitores e um banco de baterias, ao barramento CC de uma microrrede residencial. O conversor CC-CC integrado full-bridge-forward proposto apresenta alto ganho de tensão entre a entrada e saída, requisito fundamental para a aplicação desejada, fluxo de potência bidirecional, isolação galvânica, entre outras características. O processo de integração, etapas de operação (incluindo formas de onda e equações do conversor), metodologia de projeto, modelagem CC, entre outros, são apresentados. Três diferentes estruturas de circuitos grampeadores são estudadas e aplicadas ao conversor proposto. Além disso, uma comparação de diversos parâmetros com o conversor dual active bridge, que é uma das topologias mais utilizadas para aplicações semelhantes é realizada, destacando o menor número de interruptores. Resultados experimentais do conversor proposto em diferentes modos de operação são apresentados, validando as análises teóricas. Resultados experimentais do conversor dual active bridge também são apresentados e o seu desempenho é comparado ao do conversor proposto, onde se observa que o rendimento do conversor proposto é superior. A aplicação da topologia é voltada para sistemas de microrrede, os quais atraem grande atenção atualmente devido à possibilidade de geração de energia elétrica de maneira renovável através de fontes distribuídas e com elevada confiabilidade.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents as contributions a design procedure for controllers applied to single-phase uninterruptible power supplies and the certification of the closed-loop stability and performance using linear matrix inequalities. The design procedure takes into account the IEC62040-3 standard to select the components of an internal model principle based controller that guarantees tracking of sinusoidal reference and rejection of disturbances from typical nonlinear loads. It also takes into account the suitability of the controller for implementation in fixed point digital signal processors, including constraints on data representation and transport delay. A discrete linear quadratic regulator is used to ensure to the closed-loop system satisfactory transient responses and steady-state performance. The proposed design procedure is applied to a prototype of the output stage of an uninterruptible power supply, with simulation and experimental results that totally comply with the requirements of the IEC62040-3 standard. Finally, the performance of closed-loop system is certified by means of linear matrix inequalities that allow to determine the capacity of rejection of disturbances under time-varying or time invariant parametric uncertainties, providing new information on limits of performance for this class of systems. Este trabalho apresenta como contribuições um procedimento de projeto para controladores aplicados a fontes ininterruptas de energia monofásicas e a certificação da estabilidade e do desempenho em malha fechada utilizando desigualdades matriciais lineares. O procedimento de projeto leva em conta a norma IEC62040-3 para a escolha das componentes de um controlador baseado no princípio do modelo interno, que garante rastreamento da referência senoidal e rejeição de distúrbios provenientes de cargas não lineares típicas. Também leva em conta a adequação do controlador à implementação em processadores digitais de ponto fixo, incluindo restrições na representação dos dados e de atraso de transporte. Um regulador linear quadrático discreto é utilizado para garantir ao sistema em malha fechada respostas transitórias e desempenho em regime permanente satisfatórios. O procedimento de projeto proposto é aplicado a um protótipo de estágio de saída de uma fonte ininterrupta de energia, com resultados de simulação e experimentais que atendem completamente às exigências da norma IEC62040-3. Finalmente, o desempenho do sistema em malha fechada é certificado por meio de desigualdades matriciais lineares que permitem determinar a capacidade de rejeição de distúrbios sob incertezas paramétricas variantes no tempo ou invariantes no tempo, fornecendo novas informações sobre limites de desempenho para essa classe de sistemas.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This study proposes an auxiliary commutation circuit, applied to a double-conversion uninterruptible power supply, operating with a three-level PWM full-bridge inverter. In order to construct this circuit, we use the concept of integration of auxiliary commutation circuit: the case study of ZVT. The concept of iCAC is not directly applied to three-level PWM inverters. Then, it is necessary the use of classic auxiliary commutation techniques combined with the concept of integration. In this study, it is presented a hybrid auxiliary commutation circuit. Due to the restrictions imposed by the iCAC, just one of the inverter legs can be integrated. To the other inverter leg it is used a conventional auxiliary commutation circuit. The proposed system aims at achieving a better performance if compared to the same uninterruptible power supply operating with a classic ZVT auxiliary commutation circuit. There is also the advantage that all the auxiliary switches operate with ZVS and/or ZCZ soft switching. Through the use of iCAC it is obtained a minimization of circulating reactive energy in the auxiliary commutation circuits and it contributes to increase the global performance of the uninterruptible power supply. The number of additional components is reduced in relation to the classic CAC and, consequently, the system becomes more attractive to the industry. During this study, the analysis of the system and the simulation results are presented. Finally, experimental results are presented, comparing the efficiency of the CAC iZVT proposed system versus the classic CAC ZVT, in order to validate the proposed system. Este trabalho propõe um circuito de auxílio à comutação, aplicado a uma fonte ininterrupta de energia de dupla conversão, operando com inversor PWM ponte completa modulado em três níveis de tensão. Para obtenção desse circuito, este trabalho utiliza o conceito de integração de circuitos de auxílio à comutação: O estudo do caso ZVT. O conceito de iCAC não é aplicável diretamente a inversores PWM modulados em três níveis de tensão. Dessa forma faz-se necessário a utilização de técnicas clássicas de auxílio à comutação em conjunto com o conceito de integração. A partir deste estudo é proposto um circuito de auxílio à comutação híbrido. Devido às restrições impostas pelo iCAC apenas uma das pernas do inversor pode ser integrada. Para a outra perna do inversor é então utilizado um circuito de auxílio à comutação convencional. O sistema proposto visa obter melhor rendimento em relação à mesma fonte ininterrupta de energia operando com circuito de auxílio à comutação clássicos do tipo ZVT. Há também a vantagem de que todas as chaves auxiliares operam com comutação suave ZVS e/ou ZCS. Com uso do conceito de iCAC é obtida a minimização da energia reativa circulante nos circuitos de auxílio à comutação, o que contribui para elevar o rendimento global da fonte ininterrupta de energia. O número de componentes adicionais é reduzido em relação ao CAC clássico, tornando assim o sistema atrativo à indústria. Ao longo desse estudo, são apresentadas as análises do funcionamento do sistema e resultados de simulação são apresentados. Por fim, resultados experimentais são apresentados, comparando a eficiência do sistema proposto CAC iZVT versus CAC ZVT clássico, para dessa forma validar o sistema proposto.

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.