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Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Este trabalho apresenta um novo conversor CC-CC, elevador de tensão, com isolamento em alta freqüência, em malha fechada, controlado por valores médios instantâneos de corrente. O referido conversor foi desenvolvido para aplicações industriais que apresentam tensão de entrada contínua e menor que a tensão de saída desejada, como também para aplicações alimentadas por baterias, células a combustível e painéis de células fotovoltaicas. Este novo conversor apresenta como principais características: reduzida ondulação de corrente drenada da fonte, isolamento em alta freqüência, reduzida ondulação da tensão, pois o capacitor é projetado para freqüência igual a três vezes a freqüência de comutação, somente três interruptores ativos conectados à mesma referência (o que é uma das suas principais vantagens). Por meio da modulação adotada o conversor apresenta duas regiões distintas de operação. Esta tese apresenta, ainda, a modelagem por valores médios instantâneos e uma estratégia de controle da corrente de entrada e da tensão de saída, bem como o equacionamento completo do conversor e os resultados experimentais para um protótipo de 6,2 kW e outro de 3,4 kW. This paper presents a new three-phase step-up DC-DC converter with a high-frequency isolation transformer in an average current-mode controlled closed loop. This converter was developed for industrial applications where the dc input voltage is lower than the output voltage, for instance in installations fed by battery units, photovoltaic arrays or fuel cell systems. The converter's main characteristics are: reduced input ripple current, step-up voltage, high frequency isolating transformer, reduced output voltage ripple due to three pulsed output current and the presence of only three active switches connected at the same reference, this being a main advantage of this converter. By means of a specific switch modulation, the converter allows two operational regions. An average current-mode control strategy is applied to both input current and output voltage regulation. Theoretical expressions and experimental results are presented for both 6.2 kW and 3.4kW prototypes.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica.

This master thesis presents the development of a light electric vehicles charger using Wide-Bandgap (WBG) devices. The developed charger is composed of two stages, one rectifier (AC-DC converter), with input current power factor correction (PFC), and another DC-DC converter, which is responsible for galvanic isolation between load and grid, and allows the ouput voltage and current control. The topologies under study at this work are the Totem Pole PFC for the AC-DC stage, and the Half-Bridge DC-DC with current doubler for the DC-DC stage. Both topologies are studied in detail, with the main focus on the application of GaN technology, regarding its advantages and disadvantages. Therefore, design and analysis of the converters are presented, with the development of a loss estimation methodology for GaN switches. Also, it is shown the design of a halfbridge module to operate up to 360 W of power, used in both converters. Simulation and experimental results are presented to validate the theoretical analysis. Esta dissertação de mestrado apresenta o desenvolvimento de um carregador para veículos elétricos leves utilizando dispositivos Wide-Bandgap (WBG). O carregador desenvolvido é constituído por dois estágios, sendo um estágio retificador (CA-CC) com controle do fator de potência (PFC- Power Factor Correction), e outro CC-CC, responsável por isolar galvanicamente a rede da carga e permitir o controle das tensões e correntes de saída. As topologias escolhidas para os dois estágios são a Totem Pole PFC para o estágio CA-CC, e a Meia Ponte CC-CC com dobrador de corrente para o estágio CC-CC. As duas topologias são estudadas em detalhe, tendo como foco principal do trabalho a aplicação da tecnologia GaN, explorando suas vantagens e desvantagens. Nesse sentido, ao longo do trabalho é realizada a análise e o projeto dos conversores, sendo apresentada uma metodologia para cálculo das perdas para os dispositivos GaN e também elaborado o projeto de um módulo half-bridge. O módulo projetado é empregado em ambos os conversores, sendo acoplado às placas de potência e destinado a operar com potências de até 360 W. Resultados de simulação e experimentais são mostrados para validar os projetos, bem como as análises e considerações feitas.

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.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq This doctoral dissertation presents contributions related to transformerless grid-connected three-phase photovoltaic systems, focusing on the leakage current reduction. Among the leakage current reduction techniques, the use of modified LCL (MLCL) filter brings important benefits, such as: maintenance of the voltage synthesis capability of the inverter and topology and modulation strategy do not require any modification. However, this filter presents some peculiarities, mainly in their design and resonance peaks damping. Therefore, a damping technique is required to reduce the leakage current without causing instability problems. Although the passive damping presents a simple implementaion and low cost, it causes leakage current rise and reduces the system efficiency. In this sense, an active damping technique using state feedback in αβ0 coordinates applied to a grid-connected three-phase multilevel inverter with MLCL filter is presented aiming to damp the filter resonances, keeping the leakage current attenuation and increasing the system efficiency. The αβ-axis control system damps the resonance peaks of the differential circuits, controls the grid currents and rejects some periodical grid disturbances, while the 0-axis control system damps the resonance peak located at low frequencies in the common mode circuit. In this way, the highfrequency leakage current attenuation is preserved, while the low-frequency attenuation is improved. A reduced-order states observer for the filter capacitors voltages is designed to reduce the number of voltage sensors. Since the MLCL filter also attenuates the grid current harmonics, a design methodology that integrates the requirements of leakage current and grid harmonic distortion is proposed. At the end, an analysis of discontinuous Pulse Width Modulation (PWM) techniques applied to the grid-connected three-phase inverter is performed to reduce the switching losses and, consequently, improve its efficiency. In this case, a modified discontinuous PWM modulation is proposed to reduce the impact on the leakage current of the photovoltaic system. Additionally, a hybrid damping for the MLCL filter is proposed to preserve the characteristics of the modified modulation, where the αβ-axis is actively damped and the 0-axis is passively damped. It is shown that is possible to improve the system efficiency through the proposed modulation keeping a low leakage current. Simulation and experimental results reinforce the theoretical conclusions related to the active damping technique, MLCL filter design and the application of the discontinuous PWM modulation. Esta Tese de Doutorado apresenta contribuições relacionadas a sistemas fotovoltaicos trifásicos não isolados conectados à rede, com enfoque na redução da corrente de fuga. Dentre as técnicas de redução da corrente de fuga em inversores trifásicos, o uso de filtro LCL modificado (LCLM) traz alguns importantes benefícios, como por exemplo: preservação da capacidade de síntese de tensão do inversor e dispensa modificações na sua topologia e modulação. Contudo, este filtro possui algumas peculiaridades, sobretudo no seu projeto e no amortecimento dos picos de ressonância. Logo, de modo a reduzir a corrente de fuga sem causar problemas de instabilidade, se faz necessário o uso de uma técnica de amortecimento. O amortecimento passivo, embora mais simples e de menor custo, causa elevação na corrente de fuga e reduz o rendimento do sistema. Neste sentido, objetivando amortecer as ressonâncias do filtro, mantendo a atenuação da corrente de fuga e elevando o rendimento do sistema, este trabalho apresenta uma técnica de amortecimento ativo por realimentação de estados em coordenadas αβ0 aplicada a um inversor trifásico multinível conectado à rede com filtro LCLM. O sistema de controle dos eixos αβ amortece o pico de ressonância dos circuitos diferenciais, controla a corrente injetada na rede e rejeita distúrbios harmônicos periódicos da rede, enquanto o sistema de controle do eixo 0 amortece o pico de ressonância em baixas frequências do circuito de modo comum. Desta forma, a atenuação da corrente de fuga em altas frequências é preservada, enquanto a atenuação em baixas frequências é melhorada. De modo a reduzir o número de sensores de tensão, um observador de estados de ordem reduzida para as tensões dos capacitores do filtro é projetado. Tendo em vista que o filtro LCLM também possui a função de atenuar os harmônicos das correntes da rede, uma metodologia de projeto que integra os requisitos de redução da corrente de fuga e atendimento as normas de harmônicos injetados na rede também é proposta. Ao final, é realizada uma análise da aplicação de técnicas de modulação PWM (Pulse Width Modulation) descontínuas ao inversor trifásico conectado à rede com o objetivo de reduzir as perdas de comutação e, consequentemente, elevar seu rendimento. Neste caso, uma modulação PWM descontínua modificada é proposta para reduzir o impacto deste tipo de modulação na corrente de fuga do sistema fotovoltaico. Além disso, de modo a preservar as características da referida modulação, um amortecimento híbrido do filtro LCLM é proposto, onde os eixos αβ são amortecidos ativamente e o eixo 0 é amortecido de forma passiva. Demonstra-se que é possível elevar o rendimento da estrutura através da modulação proposta mantendo uma reduzida corrente de fuga. Resultados de simulação e experimentais são apresentados e reforçam as conclusões teóricas referentes à técnica de amortecimento ativo, ao projeto do filtro LCLM e também à aplicação da modulação PWM descontínua.

CNPq Este trabalho apresenta um retificador trifásico isolado com correção do fator de potência utilizando um autotransformador Scott e utilizando dois retificadores monofásicos isolados com correção do fator de potência de estágio único (S2). O autotransformador Scott faz uma redução de fases permitindo que se utilizem dois retificadores de estágio único. Os conversores monofásicos utilizados são do tipo Full-Bridge Flyback. O conversor proposto pode operar como elevador ou abaixador de tensão dependendo da relação entre as tensões de entrada e saída do conversor. O controle do conversor foi feito via MCU modelo TMS320F28335. Este trabalho apresenta a análise teórica do conversor operando em modo de condução contínua (CCM), bem como os resultados experimentais baseado em um protótipode 4kw. This work presents a three-phase isolated rectifier with power factor correction using a Scott autotransformer and two isolated single-phase single-stage (S2) rectifiers. The Scott autotransformer provides a phase reduction allowing the use of two single-phase rectifiers. The single-phase converters used are the Full-Bridge Flyback type. The proposed converter can operate as a step-down or a step-up voltage, according to the relation between input andoutput voltage. The control of the converter was made in a MCU model TMS320F28335. This paper presents the theoretical analysis of the converter for continuous conduction mode (CCM) as well as experimental results based on a 4 kW prototype.

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