Comparative analysis of performance of single phase AC-DC converters using FPGA for UPS applications

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.Esta tese de doutorado apresenta duas novas topologias de conversores CA-CC com uso de neutro comum: conversor de cinco níveis intercalado e conversor de cinco níveis tipo T. Além disso, uma nova forma de implementação da técnica de controle indireto da corrente (Indirect Current Control - ICC) é apresentada. Assim, para comprovação da praticidade dos conversores apresentados, toma-se como base o conversor CA-CC de três níveis convencional e então é realizada uma análise comparativa de desempenho entre esses três conversores CA-CC monofásicos para aplicação em no-breaks. Os conversores analisados possuem como característica comum a correção do fator de potência, o controle digital realizado por FPGA e a conexão da fonte de alimentação com o estágio de saída, facilitando o uso de inversor e by-pass para no-breaks. O primeiro conversor analisado é o conversor de três níveis convencional que apresenta como principal característica o reduzido número de componentes. O segundo conversor analisado é o conversor de cinco níveis intercalado que apresenta como principal característica as reduzidas perdas de comutação e condução. Finalmente, o terceiro conversor analisado é o conversor de cinco níveis tipo T que apresenta como principais características: reduzidas perdas de comutação e condução; os elementos magnéticos operam com o dobro da frequência de comutação reduzindo desta maneira o peso e o volume. A análise teórica dos conversores monofásicos, os conceitos básicos sobre o controle digital e a técnica de modulação, a metodologia de projeto, simulação e resultados experimentais dos protótipos construídos são apresentados para validar o princípio de funcionamento dos conversores propostos