Modulation techniques applied to the multilevel structures with neutral clipped and floating capacitor for loss reduction and harmonic distortion

In order to overcome the challenge of processing electric energy in high power systems with minimal losses and high energy quality, this work presents the implementation and analysis of a modulation technique applicable on both most well-known multilevel inverter structures - neutral point-clamped (NPC), and flying capacitors (FC) - to reduce the stresses across the semiconductors devices, and to improve the total harmonic distortion of the output voltage. Throughout the work, the necessity to digitalize the proposed technique has been evidenced due to the high complexity and low reliability inherent to the analogical approach. Thus, the digital controller FPGA has been chosen, as it is easy to program and reconfigure, works at high speed, and has a lot of input and output pins. Additionally, other modulation techniques were also implemented to compare their performance with the proposed one, presenting the switching patterns and the behavior of the electrical currents through the semiconductors for each modulation. A theoretical analysis was also performed for both topologies and their respective operation principle, characteristics, and equations used on the losses analysis for the different combinations of modulation applied to each structure. Finally, the digital development of the various techniques has proved to be correct by observing the waveforms obtained through the digital/analogical circuit. Besides, the comparison of the modulation techniques on 6 kW NPC and FC three-level prototype inverters proved to be favorable to the proposed technique in terms of efficiency and total harmonic distortion reduction on both topologies, confirming its usefulness on high power multilevel converters. At last, it was presented the application of the proposed modulation technique to inverters with more than three levels, where it was observed its eligibility for n-levels topologies.Visando superar os desafios inerentes à conversão de energia elétrica em sistemas de alta potência, minimizando as perdas e melhorando a qualidade da energia processada, este trabalho tem por objetivo analisar e implementar uma técnica de modulação para ser aplicada nas duas topologias de inversores multiníveis mais disseminadas - com neutro grampeado (NPC), e com capacitor flutuante (FC) - a fim de reduzir os esforços nos semicondutores, bem como melhorar o índice de distorção harmônica da tensão de saída. Ao longo do trabalho foi evidenciada a necessidade da digitalização da técnica proposta, visto que o desenvolvimento analógico da mesma acarretaria em um circuito complexo e de baixa confiabilidade. Dessa forma, escolheu-se como plataforma digital um FPGA, devido à sua facilidade de programação e reconfiguração, além da alta velocidade e quantidade de pinos de entrada e saída. Além da técnica proposta, foram também desenvolvidas outras modulações para fins de comparação, apresentando os padrões de chaveamento para cada uma delas, bem como o comportamento da corrente através dos semicondutores em cada período de chaveamento. Foi também realizada a análise teórica das topologias e suas respectivas etapas de operação, características e levantamento das equações que ditam a análise das perdas para as diferentes situações de técnicas aplicadas a cada uma das estruturas. O desenvolvimento digital das técnicas mostrouse correta através da análise das formas-de-onda colhidas por meio de um circuito digitalanalógico. Além disso, a comparação da aplicação dessas modulações em inversores a três níveis NPC e FC de 6 kW mostrou-se favorável à técnica proposta em termos de eficiência e redução da distorção harmônica em ambas as topologias, comprovando sua utilidade em conversores multiníveis de alta potência. Por fim, foi apresentado o desenvolvimento da técnica proposta em inversores com mais de três níveis, onde se pode comprovar sua eficiente aplicação para tais fins, bem como sua expansibilidade para inversores de n níveis