Comparative Analysis of Performance of Single Phase AC-DC Converters Using FPGA for UPS Applications

Esta tese de doutorado apresenta duas novas topologias de conversores CA-CC com uso de neutro comum: conversor de cinco nÃveis intercalado e conversor de cinco nÃveis tipo T. AlÃm disso, uma nova forma de implementaÃÃo da tÃcnica de controle indireto da corrente (Indirect Current Control - ICC) à apresentada. Assim, para comprovaÃÃo da praticidade dos conversores apresentados, toma-se como base o conversor CA-CC de trÃs nÃveis convencional e entÃo à realizada uma anÃlise comparativa de desempenho entre esses trÃs conversores CA-CC monofÃsicos para aplicaÃÃo em no-breaks. Os conversores analisados possuem como caracterÃstica comum a correÃÃo do fator de potÃncia, o controle digital realizado por FPGA e a conexÃo da fonte de alimentaÃÃo com o estÃgio de saÃda, facilitando o uso de inversor e by-pass para no-breaks. O primeiro conversor analisado à o conversor de trÃs nÃveis convencional que apresenta como principal caracterÃstica o reduzido nÃmero de componentes. O segundo conversor analisado à o conversor de cinco nÃveis intercalado que apresenta como principal caracterÃstica as reduzidas perdas de comutaÃÃo e conduÃÃo. Finalmente, o terceiro conversor analisado à o conversor de cinco nÃveis tipo T que apresenta como principais caracterÃsticas: reduzidas perdas de comutaÃÃo e conduÃÃo; os elementos magnÃticos operam com o dobro da frequÃncia de comutaÃÃo reduzindo desta maneira o peso e o volume. A anÃlise teÃrica dos conversores monofÃsicos, os conceitos bÃsicos sobre o controle digital e a tÃcnica de modulaÃÃo, a metodologia de projeto, simulaÃÃo e resultados experimentais dos protÃtipos construÃdos sÃo apresentados para validar o princÃpio de funcionamento dos conversores propostos.This thesis presents two novel topologies of AC-DC converters with common neutral: five-level interleaved converter and five-level T type converter. Besides, a novel type of implementation of Indirect Current Control (ICC) is also presented. Thus, a comparative analysis of performance between three single phase AC-DC converters for UPS applications is realized. The analyzed converters have as common characteristics: power factor correction, digital control using FPGA and connection between input power supply and converter output enabling the use of UPS inverter and by-pass. The first one analyzed converter is the conventional three level converter which presents as main feature reduced numbers of power semiconductors and components. The second one analyzed converter is the five level interleaving converter which presents as main feature reduced conduction and commutation losses. Finally, the last one analyzed converter is the T type five level converter which presents as main features: reduced conduction and commutation losses and magnetic components operating with the double of switching frequency reducing weight and volume. Theoretical analysis of the single phase converters, basics concepts of digital control and modulation technique, design procedure, simulation and experimental results of lab models are presented in order to validate the principle of operation of the proposed converters