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Esta tese apresenta estudos acerca de conversores CC-CC bidirecionais não isolados com elevada taxa de conversão estática – superior a cinco vezes. São propostas duas novas topologias bidirecionais, baseadas nos conversores SEPIC Modificado e Ćuk com indutor chaveado, as quais utilizam apenas três interruptores controlados. Além disso, propõem-se snubbers passivos de corrente, os quais são aplicados às topologias para obtenção de comutação suave ZCS, descrevendo o funcionamento e o benefício que estes circuitos trazem à operação de cada topologia. Mostram-se os resultados experimentais dos conversores bidirecionais, operando com potência de 500 W e 300/250 W, respectivamente, ganho estático de 6,25 e frequência de comutação igual a 30kHz e 60kHz. Obteve-se com a aplicação dos snubbers, entrada em condução ZCS em todos os interruptores e a maioria dos bloqueios nas duas topologias, minimizando o problema de recuperação reversa dos diodos intrínsecos dos interruptores, permitindo o emprego de interruptores de qualquer tecnologia, além de aumentar o rendimento dos conversores. Processando potência de 500 W, alcançou-se 95,2% e 95,6% de rendimento para o conversor proposto derivado do SEPIC Modificado nos modos elevador e abaixador, respectivamente. Com potência igual a 250 W – que se refere aos mesmos esforços de corrente considerando as especificações de projetos utilizadas nos dois conversores – chegou-se a 95,7% e 94,8% de rendimento para o conversor derivado do Ćuk, nos modos elevador e abaixador, na sequência, ambos com frequência de comutação igual a 30kHz. This thesis presents studies about non-isolated bidirectional DC-DC converters with a high static conversion rate – over five times. Two new bidirectional topologies are proposed, based on the SEPIC Modified and Ćuk with switched inductor converters, which only use three controlled switches. In addition, passive current snubbers are proposed, which are applied to the topologies to achieve zero-current-switching (ZCS), describing the operation and the benefit that circuits bring to the operation of each topology. The experimental results of the bidirectional converters are shown operating with a power of 500 W and 300/250 W, respectively, static gain of 6.25 times and switching frequency equal to 30 kHz and 60 kHz. The use of snubbers allowed zerocurrent-switching turn-on in all switches and mostly turn-off in both topologies, minimizing the reverse recovery effects of the intrinsic diodes switches, allowing the use of switches of any technology, in addition to increasing the converters efficiency. Processing 500 W power, 95.2% and 95.6% efficiency were achieved for the proposed converter derived from the Modified SEPIC in the step-up and step-down modes, respectively. With power equal to 250 W – which refers to the same current efforts considering the design specifications used in the both converters – 95.7% and 94.8% efficiency for the Ćuk-derived converter, in the step-up and step-down modes, respectively, both with a switching frequency equal to 30kHz.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2020. Devido à infinidade de conversores cc-cc não isolados de alto ganho propostos na literatura, torna-se importante revisá-los e classificá-los de maneira abrangente, bem como derivar métodos para generalizar o uso das técnicas de elevação de ganho comumente empregadas. Motivado por essa necessidade, este trabalho não apenas propõe uma nova família de conversores cc-cc de alto ganho, mas uma metodologia generalizada para derivá-los a partir de qualquer topologia cc-cc clássica, aplicando indutores acoplados e células multiplicadoras de tensão. Para ilustrar a metodologia, são desenvolvidos e analisados conversores cc-cc de alto ganho com base nas topologias básicas (Buck, Boost e Buck-Boost). Esses conversores são comparados em termos de ganho de tensão, volume do indutor acoplado, esforços de tensão, fator de estresse dos dispositivos semicondutores e regulação da potência de saída. A fim de projetar conversores de elevado rendimento e alta densidade de potência, propõe-se a operação dessas estruturas em modo quase-ressonante, viabilizando características de comutação suave em todos os dispositivos semicondutores. Além disso, os modelos de pequenos sinais dos conversores derivados pela metodologia proposta são obtidos de forma generalizada e simplificada, chegando-se a funções de transferência relativamente compactas, o que facilita o projeto das malhas de controle necessárias em aplicações específicas. Por fim, um estudo de caso da aplicação dos conversores propostos a sistemas fotovoltaicos integrados a edifícios é apresentado, permitindo o emprego de todos os conceitos desenvolvidos ao longo do trabalho. Abstract: Due to the plethora of non-isolated high step-up dc-dc converters proposed in the literature, it has become important to comprehensively review and classify them, as well as to find methods to generalize the usage of the commonly employed voltage boost techniques. Motivated by this necessity, this paper proposes a generalized methodology to create high step-up dc-dc converters based on any classical dc-dc topology by applying a coupled inductor and voltage multiplier cells. To illustrate the methodology, high step-up converters based on the basic dc-dc topologies (Buck, Boost, and Buck-Boost) are developed and analyzed. The converters are compared in terms of voltage gain, coupled inductor volume, voltage stresses, semiconductor component stress factor, and output power regulation. In order to design high efficiency, high density power converters, it is proposed the operation in quasi-resonant mode, making feasible soft-switching features in all the semiconductor devices. In addition, the small-signal models of derived converters by the proposed methodology are obtained in a generalized, simplified way, reaching transfer functions relatively compacts, which facilitates the project of the control loops needed in specific applications. Finally, a case study of the applications of proposed converters to building integrated photovoltaic systems is presented, enabling the usage of all the concepts developed throughout the work.

This work presents a load emulator coupled to an electromagnetic brake that enables the simulation of the main mechanical loads used by the industry. Allowing to evaluate the performance of motors of up to 10cv in applications with constant loads types, linear, parabolic and hyperbolic. The Mechanical Load Emulator consists of a dynamic information and graphing system, controlled by a user-friendly parameterized interface, executed on two platforms (Raspberry Pir II and Arduinor Uno), which during the motor tests coordinates the acquisition and display of data such as voltage, current, power, speed, temperature and torque. Este trabalho apresenta um emulador de carga acoplado a um freio eletromagnético que possibilita a simulação das principais cargas mecânicas utilizadas pela indústria. Permitindo avaliar o desempenho de motores de até 10cv em aplicações com tipos cargas constante, linear, parabólica e hiperbólica. O Emulador de Cargas Mecânicas é composto por um sistema de informações e gráficos dinâmicos, controlado por uma amigável interface parametrizada, executada em duas plataformas (Raspberry Pir II e Arduinor Uno), que, durante os ensaios de motor, coordena a aquisição e exibição de dados como: tensão, corrente, potência, velocidade, temperatura e conjugado.

Orientador : Prof. Bernardo Rego Barros de Almeida Leite Coorientador : Prof. André Augusto Mariano Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa: Curitiba, 08/05/2017 Inclui referências : f.78-81 Resumo: Este trabalho apresenta um passo a passo para qualificar a utilização de simulações eletromagnéticas com a finalidade de prever o comportamento de elementos passivos, especialmente indutores. Três dispositivos foram projetados, medidos e simulados. Tratam-se de dois indutores de duas camadas em que um deles possui uma estrutura de blindagem de substrato e um indutor de apenas uma camada (também com a blindagem). Os três elementos apresentam uma topologia octogonal simétrica. Os elementos são detalhados, bem como suas topologias e parâmetros construtivos. Para a análise individual dos dispositivos, o desacoplamento dos elementos externos é realizado. Figuras de mérito e parâmetros de análise são estabelecidos e utilizados para examinar a operação dos indutores através da comparação entre eles, visando demonstrar o efeito de certos parâmetros de projeto na performance dos elementos. A simulação eletromagnética é analisada através da comparação entre as figuras de mérito obtidas através da medição dos elementos e os dados obtidos pelas simulações. Investigam-se os parâmetros de análise para identificar causas de possíveis discrepâncias entre a simulação e os circuitos medidos. As simulações eletromagnéticas apresentaram resultados próximos às medidas, entretanto, algumas configurações podem ser melhor exploradas, o que poderia levar a melhores resultados. No pior caso, as simulações eletromagnéticas apresentaram uma discrepância de 15,7% no fator de qualidade máximo, 2,3% na frequência de ressonância e 9,9% na indutância de baixa frequência em relação aos dados obtidos da medição. Palavras-Chave: Indutores, Simulações Eletromagnéticas, Microeletrônica Abstract: This work presents a step-by-step process to determine the applicability of electromagnetic simulations to predict inductor behavior. Three elements were designed, measured, characterized and simulated. These elements are a shielded double-layered, a shieldless double-layered and a shielded single-layered symmetric inductor. The elements are presented, their topology and constructive parameters are described and their differences are discussed. The devices were measured and the data were adapted as necessary. To evaluate the elements performance (as well as the simulation) analysis parameters are established and detailed. The elements' parameters are compared and discrepancies are highlighted. The performances of these elements are rated according to figures of merit such as equivalent inductance (5.1 nH for the double-layered elements and 5.5 nH for the single-layered), maximum quality factor (11.2 for the shielded double-layered, 12.2 for the shieldless double-layered, and 10.3 for the single-layered inductors) and self-resonant frequency (6.84 GHz, 6.89 GHz, and 8.3 GHz, respectively). The electromagnetic simulation presents results close to measurement; however, exploring not tested configurations could lead to improvements. In the worst presented case, the maximum quality factor displayed a discrepancy of 15.7%, the self-resonant frequency presented a 2.3% discrepancy, and the low frequency inductance showed a 9.9% difference between simulation and measured data. Keywords: Inductors, Electromagnetic Simulations, Microelectronics