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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This thesis presents a new optimization design methodology for power electronics converters with volume, cost and efficiency objectives. The optimization methodology, achieved by mathematical interactions, is based on the concept of the converter integrated design. In other words, the main physical converter components are designed simultaneously in the function of a common variable. The integrated design provides for the reduction of cost and time of the system design and also gives complete and matched solutions with the objective of the proposed optimization. The proposed methodology is illustrated with the help of a case study of a Boost Power Factor Correction converter (PFC) including an input EMI filter. In this case study, three different magnetic materials are used in both inductors designs (Boost and EMI filter), different semiconductors technologies and heat sink profile are also analyzed, aiming to demonstrate how technology affects the volume, cost and efficiency of the converter. Furthermore, switching auxiliary circuits (snubber and ZVT) are designed and its volume, cost and efficiency results are compared to the converter with hard switching. To confirm the models and theoretical analysis that was carried out, the experimental mechanical, electrical and thermal measurements are presented. Esta tese apresenta uma nova metodologia de projetos para conversores eletrônicos de potência, com otimização de volume, custo e rendimento. A metodologia de otimização, desenvolvida através de interações matemáticas, é baseada no conceito de projeto integrado do conversor, em outras palavras, os principais componentes do sistema são projetados simultaneamente em função de uma variável comum. O projeto integrado disponibiliza redução de tempo e custo do projeto fornecendo uma solução completa de acordo com o objetivo de otimização. A metodologia proposta é ilustrada com a ajuda do estudo de caso do conversor Boost com correção do fator de potência (do inglês power factor corrector - PFC), com a inclusão de um filtro de EMI. Para este estudo de caso, três diferentes tecnologias de materiais magnéticos são utilizadas nos projetos do indutor Boost e dos indutores de filtro, diferentes tecnologias de semicondutores e perfis de dissipadores também são analisadas, objetivando avaliar o impacto de cada diferente tecnologia no volume, custo e rendimento do conversor. Além disso, circuitos de auxílio à comutação (snubber e ZVT) são projetados e os resultados de seu volume, custo e rendimento comparados aos do conversor com comutação forçada. Para validar os modelos adotados e as analises teóricas, medidas elétricas, térmicas e mecânicas são obtidas experimentalmente.

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.

This doctoral thesis presents the development of an analythical method to characterize the parasitic elements and surface temperatures in a synchronous boost power converter. Initially is presented the bibliography review punctuating the inherent challenges and scientific researches developed in the power electronics research field in the evolution of DC/DC power conconverters design, like power density, switching frequency, efficiency and reliability increasing. From this point further study on high frequency power converters is made, highlighting power losses and negative effects which occur in the electrical circuit. Furthermore, are evaluated the impacts of the power converter PCB layout in the definition of parasitic elements and the thermal behavior of the constituent elements. After building the theoretical foundation is developed an analythical method which quantifies the parasitic elements and the surface temperature of the main power converter elements in a synchronous boost before its prototyping process in two distinct PCB layouts, with different surface area, cooper thickness, PCB thickness and pcb path dimensions. The analythical method was validated through experimental measurements in two physical prototypes and FEA simulation developed with Ansys Icepak and Ansys Q3D softwares. The obtained results are satisfactory and provide and improvement to the state of the art of high power density and efficient power converters design. A presente tese de doutorado apresenta o desenvolvimento de um método analítico para a caracterização dos elementos parasitas e as temperaturas superficiais em um conversor estático boost síncrono. Inicialmente apresenta-se a revisão bibliográfica contemplando os desafios e pesquisas científicas desenvolvidas no campo da eletrônica de potência na evolução dos conversores estáticos CC/CC, como o aumento da densidade de potência, aumento da frequência de comutação, o aumento do rendimento dos dispositivos eletrônicos e a confiabilidade. A partir disto, aprofunda-se o estudo sobre o comportamento dos conversores estáticos comutados em altas frequências, destacando as perdas e efeitos negativos que ocorrem no circuito elétrico. Ainda, avaliam-se os impactos do layout da PCB dos conversores na definição dos elementos parasitas do circuito elétrico e o comportamento térmico dos elementos constituintes do conversor. Após a construção do embasamento teórico deste tema, desenvolveu-se um método analítico que quantifica os elementos parasitas e as temperaturas superficiais dos principais elementos de um conversor boost síncrono antes da sua prototipação desenvolvidos em dois distintos layouts, com valores diferentes de áreas superficiais, espessura total, espessura dos planos condutores e dimensões das trilhas. Validou-se o método analítico através de medições experimentais em dois protótipos físicos e ferramentas de engenharia assistida por computador (CAE) através da análise por elementos finitos (FEA) desenvolvidas nos softwares Ansys Icepak e Ansys Q3D. Os resultados obtidos são satisfatórios e proporcionam um incremento ao estado da arte no projeto de conversores estáticos com maiores densidades de potência e rendimento.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Given that the volumetric design of transformers and inductors is directly connected to losses, the correct prediction of these is fundamental for their optimization. With this vision, this work presents techniques for the modeling of copper and core losses on magnetic devices, through the discussion of two subjects relevant to magnetic design. The first one is a study on core loss modeling, making use of empirical models based on Steinmetz’s equation. A comparative analysis among the main analytical models is done, as well as an experimental evaluation, in order to verify the precision of these models, and the influence of the operating point on losses, including premagnetization. For the evaluated material, of High Flux technology, it is shown that, for the evaluated range, premagnetization does not have an influence on core loss. The model recommended by the manufacturer, based on Steinmetz’s equation, is valid for 0,5 duty cycle, and the IGSE (Improved Generalized Steinmetz Equation), which does account for variations of duty cycle, has good accuracy. The second subject discussed is the re-designing of the transformer of a Line Interactive UPS aiming to improve its global efficiency. By modeling transformer losses, the characterization, quantification and relativization of loss allows for the identification of points of improvement in the transformer design, and with the reproduction of the LI-UPS via simulation, the efficiency of new transformer prototypes is estimated with the experimentally co-validated loss models. Making small changes on the transformer design, the analyzed prototypes raised global efficiency by up to 1,11% at the highest point of the original efficiency curve, and up to 2,60% in higher power levels. Uma vez que o projeto volumétrico de transformadores e indutores está diretamente ligado às perdas, a predição correta destas é fundamental para a sua otimização. Sob esta ótica, este trabalho apresenta técnicas de modelagem de perdas no cobre e no núcleo de dispositivos magnéticos, através da abordagem de dois assuntos pertinentes ao seu projeto. O primeiro trata-se de um estudo da modelagem das perdas no núcleo, fazendo uso de modelos empíricos baseados na equação de Steinmetz. Uma análise comparativa entre os principais modelos analíticos é feita, bem como um levantamento experimental, a fim de verificar a exatidão dos modelos e a influência do ponto de operação sobre as perdas, incluindo a premagnetização. Para o material avaliado, de tecnologia High Flux, é demonstrado que, na faixa analisada, a premagnetização não possui influência sobre as perdas. A modelagem recomendada pelo fabricante, baseada na equação de Steinmetz, é válida para a razão cíclica de 0,5, e a modelagem da IGSE (Improved Generalized Steinmetz Equation), que por sua vez prevê variações de razão cíclica, possui boa acurácia. O segundo tema abordado é o reprojeto do transformador de uma UPS Line Interactive visando aumentar o seu rendimento global. Através da modelagem das perdas do transformador, a caracterização, quantificação e relativização das perdas permite a identificação dos pontos de melhoria para o reprojeto do transformador, e com a reprodução da LI-UPS em simulação, o rendimento com novos transformadores é estimado pelos modelos de perdas co-validados experimentalmente. Fazendo-se pequenas alterações no projeto do transformador, os protótipos analisados elevaram o rendimento global do equipamento em até 1,11% no ponto mais alto da curva original, e em até 2,60% nas potências mais elevadas.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This dissertation presents an analytical model to assist in the calculation of switching losses and a methodology for selecting MOSFETs that with breakdown voltages greater than 100 V. The model was developed based on physical and electrical concepts of the FET structure, considering non-linearities of Miller capacitance as a function of voltage variation, mainly present in MOSFETs manufactured to operate in voltages above 100 V. Simulation and experimental results that validate the model were obtained, considering the frequency range of 1 - 300 kHz, at which the limit of gate driver operation has been reached. The proposed model was compared to other loss calculation models frequently used in the literature, where it was observed that other models show an increase in the relative error for frequencies above 50 kHz. Heat transfer systems are analyzed and discussed. The proposed loss calculation model is used in the development of a comparative analysis between the technologies of conventional Silicon MOSFET, superjunction, SiC and GaN. The impact of stray capacitances, junction temperature, intrinsic resistances, switching frequency and power levels in each technology are analyzed. Application trend areas are defined for each technology based on yields as a efficiency of frequency and power. Esta dissertação apresenta um modelo analítico para auxiliar no cálculo de perdas por comutação e uma metodologia de seleção de MOSFETs que operam tensões de bloqueio maiores que 100 V. O modelo foi desenvolvido com base em conceitos físicos e elétricos da estrutura FET, considerando as não linearidades da capacitância Miller em função da variação de tensão, presentes principalmente em MOSFETs fabricados para operar tensões acima de 100 V. Resultados de simulação e experimentais que validam o modelo foram obtidos, considerando a faixa de frequência de 1 - 300 kHz, onde o limite de operação do gate driver foi atingido. O modelo proposto foi comparado a modelos de cálculo de perdas frequentemente utilizados na literatura, onde se observou que os demais modelos utilizados apresentaram aumento no erro relativo para frequências acima de 50 kHz. Sistemas de transferência de calor são analisados e discutidos. O modelo de cálculo de perdas proposto é utilizado no desenvolvimento de uma análise comparativa entre as tecnologias de MOSFET convencional de Silício, superjunção, SiC e GaN. O impacto das capacitâncias parasitas, temperatura de junção, resistências intrínsecas a estrutura, frequência de comutação e níveis de potência em cada tecnologia são analisados. Áreas de tendências de aplicação são definidas para cada tecnologia com base nos rendimentos em função da frequência e da potência.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Sistemas de eletrônica de potência eficientes e confiáveis a longo prazo são um dos próximos grandes desafios no setor de energia. A eficiência e a confiabilidade do conversor de potência são elementoschave para expandir a capacidade instalada de fontes de energia renováveis e devem ser levadas em consideração na estimativa de processamento anual de energia e em suas fases de projeto. Assim, para maximizar o rendimento energético, reduzir custos e aumentar o lucro por geração de energia, um conversor de potência deve ser projetado de acordo com as características específicas do sistema e de seu perfil energético. Tomando como estudo de caso sistemas fotovoltaicos, a potência instantânea fornecida depende de vários fatores, como irradiância solar, temperatura ambiente, orientação e tipo de montagem do painel, eficiência das células solares, entre outros. Esta tese de doutorado visa contribuir com este tópico propondo uma nova e abrangente metodologia de projeto multiobjetivo para a seleção de capacitores em conversores de potência, com base no perfil de missão energética e ambiental em que o sistema irá operar. Para atingir esse objetivo, um método de caracterização do perfil da missão foi desenvolvido para permitir ao projetista um conjunto de informações sobre o comportamento de longo prazo de uma usina fotovoltaica. Além disso, para realizar uma análise de longo prazo do desempenho do conversor de energia, é feita uma modelagem eletro-térmica e de vida útil dos capacitores que atuam como buffer de energia, em função das condições variáveis das condições ambientais e do processamento de energia. Os resultados de um inversor fotovoltaico de estágio único são apresentados e discutidos com os seguintes objetivos: 1) entender como os diferentes perfis de missão afetam o desempenho dos conversores de potência e 2) como usar esse conhecimento para projetar adequadamente os capacitores com uma visão de longo prazo. Uma ferramenta de projeto de várias etapas é desenvolvida para atingir esse objetivo, onde o custo, o volume e a confiabilidade de vários projetos de banco de capacitores podem ser avaliados rapidamente pelo designer. Para demonstrar ainda mais a utilidade desta ferramenta de projeto proposta, também são apresentados análises e resultados de um segundo estudo de caso, onde os mesmos passos são utilizados para projetar os capacitores do DClink de uma fonte ininterrupta de potência de dupla conversão. Long-term effective and reliable power electronics systems are one of the next big challenges in the energy sector. Power converter’s efficiency and reliability are key elements for expanding renewable sources installed capacity and should be taken into account in annual power processing estimation and in its design phases. Thus, in order to maximize energy yield, reduce costs, and increase revenues by power generation, a power converter must be designed according to the specific system characteristics and its energy profile. Considering photovoltaics (PV) systems as a case study, the instantaneous power delivered is dependent on several factors, such as solar irradiance, ambient temperature, module orientation and mounting type, solar cell performance, among others. This Doctoral dissertation aims to contribute to this topic by proposing a comprehensive and novel multi-objective design methodology for designing capacitors in power converters, based on the energy and environmental mission profile in which they will operate. To achieve this goal, a mission profile characterization method was developed in order to enable the designer with a set of information about the long-term behavior of a PV power plant. Also, in order to enable the long-term analysis of power converter performance, an electro-thermal and lifetime modeling of energy buffer capacitors are done in the function of varying conditions of both ambient levels and energy processing. Results for a single-stage PV inverter are presented and discussed with the following objectives: 1) to understand how different mission profiles affect the performance of power converters and 2) how to use this knowledge in order to properly design the capacitors on a longterm view. A multi-step design tool is developed to reach this goal, where cost, volume, and reliability of multiple capacitor bank designs can be quickly evaluated by the designer. To further demonstrate the usefulness of this proposed design tool, analyses and results of a second case study are also presented, where the DC-link capacitors of a double-conversion uninterruptable power supply are designed.

In this dissertation is presented a voltage source converter consisting of a Buck converter and a linear amplifier connected in parallel. This configuration is called as a Switched-Linear converter and the main feature of this converter is that when it is operating in permanent regime, the Buck converter, because it is a less dissipative converter, processes most of the energy, and the Linear amplifier, for having higher frequency band and fast response, regulates and eliminates the voltage oscillations at the output. The benefit of this configuration is that it combines the best features of both switched and linear converters. In addition, the circuit presented in this work can eliminate the need for an output capacitor, reducing filter and elevating the lifespan of the converter. Other features include: fast response to load disturbances (for load step of 100%: stabilization time less than 2.0 μs, risetime less than 100ns), null output voltage ripple, efficiency above 85% and high fidelity and output signal reliability. In this work, an analysis of this converter is also presented, which aims to show a project base form for future studies, presenting in the project methodology the equations of the converter in permanent regime, analysis of the circuits of the Linear amplifier and switched converter, principles that must be observed when connecting the two topologies in parallel and modeling the control to ensure the results. Finalizing with experimental tests and results. Nesta dissertação é apresentado um conversor fonte de tensão constituído por um conversor Buck e um amplificador linear conectados em paralelo. Esta configuração é denominada como conversor Chaveado-Linear e a característica principal deste conversor é que quando está operando em regime permanente, o conversor Buck, por se tratar de um conversor menos dissipativo, processa a maior parte da energia, e o amplificador linear, por ter banda de frequência maior e resposta rápida, regula e elimina as oscilações de tensão na saída. O benefício desta configuração é que ela combina os melhores recursos de ambos os conversores chaveado e linear. Além disso, o circuito apresentado neste trabalho pode eliminar a necessidade de um capacitor de saída, reduzindo filtro e elevando o tempo de vida útil do conversor. Outras características apresentadas incluem: resposta rápida a distúrbios de carga (para degrau de carga de 100%: tempo de estabilização menor que 2,0μs, tempo de subida menor que 100ns), ondulação de tensão de saída nula, eficiência acima de 85% e alta fidelidade e confiabilidade do sinal de saída. Neste trabalho, também é apresentado uma análise deste conversor que tem como objetivo mostrar uma forma base de projeto para estudos futuros, apresentando na metodologia de projeto o equacionamento do conversor em regime permanente, análise dos circuitos do amplificador linear e do conversor chaveado, princípios que devem ser observados ao conectar as duas topologias em paralelo e a modelagem do controle para garantir os resultados. Finalizando com testes e resultados experimentais.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This thesis presents an optimized design methodology for non-isolated static converters with Nboost cells in parallel, that process energy between a renewable energy source and a DC bus. The method scans for the best solution in view of the maximum efficiency for the minimum volume. It combines distinct technologies and cell numbers and picks a set of solutions in accordance to the preselected discrete parameters range for each operation point, which is described by three parameters ( IL@fs@J). It also searches in databases for the components in which the arrangement leads to the best performance regarding the design requirements. Among the possible solutions, the method chooses the solution that yields the maximum efficiency and/or the minimum volume for the continuous conduction mode as well as for the discontinuous conduction mode. Thus, it is possible to design converters with high efficiency and reduced volume for high static gain applications. This study also presents the components modeling and the converter static gain curves, considering parasitic resistances and their impact. By identifying the parameters that prevent converters, as simple as a boost converter, from achieving high static gain, it is possible to apply techniques that mitigate the impact of these undesired effects, allowing converters to operate closer to their ideal static gain. The input and output filter design of the converter reflects the dynamic behavior of a fuel cell, making it possible to reduce its volume and to increase its efficiency without hindering or damaging the power supply operation. As auxiliary tools to design a project and to understand the results, in this proposal, the behavior of the input and output currents and the impact that they produce on the output converter voltage are analyzed. By selecting the adequate number of cells and the operation mode, it is possible to find operation conditions where the current ripple is drastically reduced. As a result, the filtering capacitors can be significantly reduced and there is also the possibility of reducing the inductor size irrespective of the operation mode used. Esta dissertação apresenta uma metodologia de projeto otimizado para conversores estáticos, não isolados, com paralelismo de N-células boost, afim de realizar o processamento de energia entre uma fonte de energia renovável e um barramento em corrente contínua. O método busca a melhor solução objetivando tanto a melhor eficiência quanto o menor volume. Atrelado a um ponto de operação ( IL@fs@J), combina diferentes tecnologias e número de células, identificando qual configuração apresenta o melhor resultado. Ainda, por meio de varredura, faz a escolha do conjunto de soluções para os intervalos de parâmetros discretos pré especificados para cada trio de parâmetros que configura o ponto de operação. O método busca, também, em bancos de dados, os componentes cujo arranjo aponta o melhor desempenho frente as exigências do projeto. Das possíveis soluções a técnica seleciona o projeto que apresenta a melhor eficiência e/ou apresenta menor volume tanto para operação em modo de condução contínua quanto para o modo de condução descontínua. Desta forma, é possível confeccionar conversores que possuem elevada eficiência e volume reduzido para aplicações que exijam elevado ganho estático. Neste trabalho são apresentados também a modelagem dos componentes e das curvas de ganho estático do conversor, levando em consideração as resistências parasitas e a influência destas na avaliação supracitada. Com a identificação dos parâmetros que impossibilitam conversores, simples como o conversor boost, de alcançar ganhos estáticos elevados, pode-se aplicar técnicas que mitigam a influência destes efeitos indesejados fazendo que o conversor se aproxime ao máximo do ganho estático idealizado. O projeto dos filtros de entrada e saída do conversor portam o comportamento dinâmico da célula a combustível, assim é possível reduzir seu volume e aumentar sua eficiência sem prejudicar ou deteriorar o funcionamento da fonte de alimentação. Como ferramentas auxiliares à elaboração do projeto e compreensão dos resultados, na proposta, são analisados o comportamento da corrente de entrada e de saída, como também, o comportamento que estas imprimem à tensão de saída do conversor. Fazendo uso do número adequado de células e modo de operação pode-se encontrar condições de operação em que a ondulação de corrente é drasticamente reduzida e como efeito tem-se uma significativa redução dos filtros capacitivos e possibilidade de redução do indutor independente do modo de operação.

This work presents a new point of view about electrolytic capacitor reduction in lighting systems. While most of studies focus only in the functionality of the driver, as ripple current and time response they don’t check the response of the circuit with reduced capacitance on electromagnetic compatibility mainly against surge voltage. This work starts with a bibliographic study on electromagnetic compatibility focusing in surge immunity requirements looking for compliance with IEC 61547 test and requirements. The surge protection device to be analyzed has two components; one is series impedance trigging at driver failure and another in parallel in charge to absorb the surge energy designing these elements to absorb the surge when it happens without acting under normal operation of the driver. Finishing the work is presented a case study using the designed surge protection circuit in two different configuration of a resonant converter being able to verify that reducing the driver capacitance makes the circuit more susceptible against surge voltages. Este trabalho apresenta uma abordagem alternativa na análise da redução dos capacitores eletrolíticos em sistemas de iluminação. Enquanto a grande parte dos trabalhos verifica exclusivamente o funcionamento do circuito, não contempla o impacto que essa redução causa à imunidade eletromagnética do sistema, tornando-a mais suscetível a surtos de tensão. O trabalho inicia apresentando uma breve revisão bibliográfica sobre compatibilidade eletromagnética, focando na proteção contra surtos de tensão. Traz, ainda, os ensaios para imunidade eletromagnética em que o circuito deve cumprir definidos pela norma IEC 61547. O circuito de proteção analisado é composto de dois elementos, um em série com a entrada da fonte que atua em caso de falha; e outro em paralelo, o qual é responsável pela absorção da energia do surto. O dimensionamento desses elementos é feito de tal forma que atuem apenas absorvendo o surto quando aconteça, sem falha precoce ou atuação em operação normal do conversor. E, por fim, trazemos um estudo de caso no qual o circuito calculado é aplicado em duas configurações de drivers para iluminação pública, observando-se que a diminuição do capacitor de barramento torna o circuito mais suscetível a falhas catastróficas devido aos surtos de tensão.

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.

Nowadays, there is a growing need for rational and efficient use of energy generated, be it traditional or renewable sources. Power electronics performs the interface between generation and consumption, allowing explore the full potential of the majority of energy resources, because power converters execute the interface between generation and consumption, converting and controlling the flow of energy, allowing the use of the full potential of most energy sources, transferring or connecting the storage system for later use. Efforts are employed in search algorithms, methods and techniques of static converters construction, exploring issues such as optimization concerning respect to volume. A volume reducing means using a smaller amount of raw material which, most probably, results in a lower cost and often greater efficiency. The objective of this work is the development of computer technology to perform quickly and efficiently optimized design of static converters to in order to answer losses, volume and cost requirements. Each converter project is carried out globally, with reference to the operating point (i@ fs), where i is the ripple of the input current and fs is the switching frequency. The computational tool allows, in addition to creating designs for different operating points, the creation of different projects for the same operating point, varying with respect to the components (technologies). This is, setting an operating point it is possible to obtain designs composed of different diodes, switches, magnetic cores, etc. For each generated design is possible to observe its volume, losses and cost. The components used in the projects must be organized in a database, which allows easy inclusion of new components for the generation of new projects. The system should enable not only the detail view of losses, volume and reduced costs converters projects, but also to display different graphics relating switching frequency ripple of the input current, losses, volume, income and costs. To date a prototype of a computer system was developed, called POCE System (Optimized Project Static Converters), where the design of a power converter is carried from the choice of topology, choice of construction parameters and a of component database. Different algorithms were implemented to search the space of solutions, among them: one of complete scanning and others that use genetic algorithms. The developed prototype allows, initially, that are generated converters topologies PFC Boost, DC/DC Boost and DC/DC Buck. This work also contains some results obtained through the use of the prototype, which was developed in JAVA 8 language and using the PostgreSQL database management system. Atualmente há uma crescente necessidade da utilização racional e eficiente de energia gerada, seja ela de fontes tradicionais ou renováveis. A eletrônica de potência realiza a interface entre a geração e o consumo, permitindo explorar todo o potencial da maioria dos recursos energéticos, pois conversores eletrônicos de potência executam a interface entre a geração e o consumo, convertendo e controlando o fluxo de energia, permitindo o uso de todo o potencial da maioria das fontes de energia. Esforços são empregados na busca de algoritmos, métodos e técnicas de construção de conversores estáticos, explorando questões como a otimização com relação ao volume. Um volume reduzido significa o uso de uma menor quantidade de matéria prima, que, muito provavelmente, resulta em um custo menor e muitas vezes em maior eficiência. O objetivo geral deste trabalho é o desenvolvimento de uma tecnologia computacional para realizar de forma rápida e eficaz o projeto otimizado de conversores estáticos visando atender requisitos de perdas, volume e custo. Cada projeto de conversor é realizado de forma global, tendo como referência o ponto de operação (i@fs), onde i é a ondulação da corrente de entrada e fs é a frequência de comutação. A ferramenta computacional construída permite, além da criação de projetos para diferentes pontos de operação, a criação de diferentes projetos para um mesmo ponto de operação, os quais variam de acordo com as tecnologias de componentes empregadas. Isto é, fixando-se um ponto de operação é possível obter projetos compostos por diferentes diodos, chaves, núcleos magnéticos, capacitores, etc. Para cada projeto gerado é possível observar seu volume, perdas e custo. Os componentes utilizados nos projetos devem estar organizados em um banco de dados, o que permite a fácil inclusão de novos componentes para geração de novos projetos. O sistema possibilita não apenas a visualização de detalhes de projetos de conversores com perdas, volume e custos reduzidos, mas também a visualização de diferentes gráficos relacionando frequência de comutação, ondulação da corrente de entrada, perdas, volume, rendimento e custos. Foi desenvolvido um protótipo de um sistema computacional, denominado Sistema POCE (Projetos Otimizados de Conversores Estáticos), onde o projeto de um conversor estático é realizado a partir da escolha da topologia, da seleção dos parâmetros de construção e de um banco de dados de componentes. Foram implementados diferentes algoritmos para pesquisar o espaço de soluções, entre eles: um de varredura completa e outros que utilizam algoritmos genéticos. O protótipo desenvolvido permite, incialmente, que sejam gerados conversores das topologias Boost PFC, Boost CC/CC e Buck CC/CC. O trabalho apresenta resultados obtidos através da utilização do protótipo, o qual foi desenvolvido em linguagem Java 8 e usando o sistema de gerenciamento de banco de dados PostgreSQL.

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