Dimming DC–DC LED Drivers: Power Losses, Luminous Efficiency & Best-in-Class

The aim of this research is to analyze, model, and compare dimming techniques for switched-inductor (SL) light-emitting-diode (LED) drivers. LEDs have become pervasive in modern lighting and automotive applications. LED drivers regulate the LED current that sets their luminous output, where dimming is an important attribute. Dimming techniques fall in one of two categories: "analog" or "duty-cycled" (pulse-width-modulated), and duty-cycled (PWM) dimming decompose into two further classes: series- or shut-switched. A comprehensive analysis of dimming techniques, corresponding power losses, and their dimming capabilities for dc-dc applications is lacking in the literature. This research aims to explain and quantify these important parameters, like luminous flux, dimming range, and luminous efficiency. This research reveals and verifies that analog dimming is the most efficient with the widest dimming range.M.S

Fault Tolerant DC–DC Converters at Homes and Offices

The emergence of direct current (DC) microgrids within the context of residential buildings and offices brings in a whole new paradigm in energy distribution. As a result, a set of technical challenges arise, concerning the adoption of efficient, cost-effective, and reliable DC-compatible power conditioning solutions, suitable to interface DC microgrids and energy consuming elements. This thesis encompasses the development of DC–DC power conversion solutions, featuring improved availability and efficiency, suitable to meet the requirements of a comprehensive set of end-uses commonly found in homes and offices. Based on the energy consumption profiles and requirements of the typical elements found at homes and offices, three distinctive groups are established: light-emitting diode (LED) lighting, electric vehicle (EV) charging, and general appliances. For each group, a careful evaluation of the criteria to fulfil is performed, based on which at least one DC–DC power converter is selected and investigated. Totally, a set of five DC–DC converter topologies are addressed in this work, being specific aspects related to fault diagnosis and/or fault tolerance analysed with particular detail in two of them. Firstly, mathematical models are described for LED devices and EV batteries, for the development of a theoretical analysis of the systems’ operation through computational simulations. Based on a compilation of requirements to account for in each end-use (LED lighting, EV charging, and general appliances), brief design considerations are drawn for each converter topology, regarding their architecture and control strategy. Aiming a detailed understanding of the two DC–DC power conversion systems subjected to thorough evaluation in this work – interleaved boost converter and fault-tolerant single-inductor multiple-output (SIMO) converter – under both normal and abnormal conditions, the operation of the systems is evaluated in the presence of open-circuit (OC) faults. Parameters of interest are monitored and evaluated to understand how the failures impact the operation of the entire system. At this stage, valuable information is obtained for the development of fault diagnosis strategies. Taking profit of the data collected in the analysis, a novel fault diagnostic strategy is presented, targeting interleaved DC–DC boost converters for general appliances. Ease of implementation, fast diagnostic and robustness against false alarms distinguish the proposed approach over the state-of-the-art. Its effectiveness is confirmed through a set of operation scenarios, implemented in both simulation environment and experimental context. Finally, an extensive set of reconfiguration strategies is presented and evaluated, aiming to grant fault tolerance capability to the multiple DC–DC converter topologies under analysis. A hybrid reconfiguration approach is developed for the interleaved boost converter. It is demonstrated that the combination of reconfiguration strategies promotes remarkable improvements on the post-fault operation of the converter. In addition, an alternative SIMO converter architecture, featuring inherent tolerance against OC faults, is presented and described. To exploit the OC fault tolerance capability of the fault-tolerant SIMO converter, a converter topology targeted at residential LED lighting systems, two alternative reconfiguration strategies are presented and evaluated in detail. Results obtained from computational simulations and experimental tests confirm the effectiveness of the approaches. To further improve the fault-tolerant SIMO converter with regards to its robustness against sensor faults, while simplifying its hardware architecture, a sensorless current control strategy is presented. The proposed control strategy is evaluated resorting to computational simulations.O surgimento de micro-redes em corrente contínua (CC) em edifícios residenciais e de escritórios estabelece um novo paradigma no domínio da distribuição de energia. Como consequência disso, surge uma panóplia de desafios técnicos ligados à adopção de soluções de conversão de energia, compatíveis com CC, que demonstrem ser eficientes, rentáveis e fiáveis, capazes de estabelecer a interface entre micro-redes em CC e as cargas alimentadas por esse sistema de energia. Até aos dias de hoje, os conversores CC–CC têm vindo a ser maioritariamente utilizados em aplicações de nicho, que geralmente envolvem níveis de potência reduzidos. Porém, as perspectivas futuras apontam para a adopção, em larga escala, destas tecnologias de conversão de energia, também em equipamentos eléctricos residenciais e de escritórios. Tal como qualquer outra tecnologia de conversão electrónica de potência, os conversores CC–CC podem ver o seu funcionamento afectado por falhas que degradam o seu bom funcionamento, sendo que essas falhas acabam por afectar não apenas os conversores em si, mas também as cargas que alimentam, limitando assim o tempo de vida útil do conjunto conversor + carga. Desta forma, é fulcral localizar a origem da falha, para que possam ser adoptadas acções correctivas, capazes de limitar as consequências nefastas associadas à falha. Para responder a este desafio, esta tese contempla o desenvolvimento de soluções de conversão de energia CC–CC altamente eficientes e fiáveis, capazes de responder a requisitos impostos por um conjunto alargado de equipamentos frequentemente encontrados em habitações e escritórios. Com base nos perfis de consumo de energia eléctrica e nos requisitos impostos pelas cargas tipicamente utilizadas em habitações e escritórios, são estabelecidos três grupos distintos: iluminação através de díodos emissores de luz, carregamento de veículo eléctrico (VE) e aparelhos eléctricos em geral. Para cada grupo, é efectuada uma avaliação cuidadosa dos critérios a respeitar, sendo com base nesses critérios que será escolhida e investigada pelo menos uma topologia de conversor CC–CC. No total, são abordadas cinco topologias de conversores CC–CC distintas, sendo que os aspectos ligados ao diagnóstico de avarias e/ou tolerância a falhas são analisados com particular detalhe em duas dessas topologias. Inicialmente, são estabelecidos modelos matemáticos descritivos do comportamento das principais cargas consideradas no estudo – díodos emissores de luz e baterias de VEs – visando a análise teórica do funcionamento dos sistemas em estudo, suportada por simulações computacionais. Com base numa compilação de requisitos a ter em conta em cada aplicação – iluminação através de díodos emissores de luz, carregamento de veículo eléctrico (VE) e aparelhos eléctricos em geral – são estabelecidas considerações ligadas à escolha de cada topologia de conversor não isolado, no que respeita à sua arquitectura e estratégia de controlo. Visando o conhecimento aprofundado das duas topologias de conversor CC–CC alvo de particular enfoque neste trabalho – conversor entrelaçado elevador e conversor de entrada única e múltiplas saídas, tolerante a falhas – quer em funcionamento normal, quer em funcionamento em modo de falha, é avaliado o funcionamento de ambas as topologias na presença de falhas de circuito aberto nos semicondutores activos. Para o efeito, são monitorizados e analisados parâmetros úteis à percepção da forma como os modos de falha avaliados neste trabalho impactam o funcionamento de todo o sistema. Nesta fase, é obtida informação fundamental ao desenvolvimento de estratégias de diagnóstico de avarias, particularmente indicadas para avarias de circuito aberto nos semicondutores activos dos conversores em estudo. Com base na informação recolhida anteriormente, é apresentada uma nova estratégia de diagnóstico de avarias direccionada a conversores CC–CC elevadores entrelaçados utilizados em aparelhos eléctricos, em geral. Facilidade de implementação, rapidez e robustez contra falsos positivos são algumas das características que distinguem a estratégia proposta em relação ao estado da arte. A sua efectividade é confirmada com recurso a uma multiplicidade de cenários de funcionamento, implementados quer em ambiente de simulação, quer em contexto experimental. Por fim, é apresentada e avaliada uma gama alargada de estratégias de reconfiguração, que visam assegurar a tolerância a falhas das diversas topologias de conversores CC–CC em estudo. É desenvolvida uma estratégia de reconfiguração híbrida, direccionada ao conversor entrelaçado elevador, que combina múltiplas medidas de reconfiguração mais simples num único procedimento. Demonstra-se que a combinação de múltiplas estratégias de reconfiguração introduz melhorias substanciais no funcionamento do conversor ao longo do período pós-falha, ao mesmo tempo que assegura a manutenção da qualidade da energia à entrada e saída do conversor reconfigurado. Noutra frente, é apresentada e descrita uma arquitectura alternativa do conversor de entrada única e múltiplas saídas, com tolerância a falhas de circuito aberto. Através da configuração proposta, é possível manter o fornecimento de energia eléctrica a todas as saídas do conversor. Para tirar máximo proveito da tolerância a falhas do conversor de entrada única e múltiplas saídas, uma topologia de conversor indicada para sistemas residenciais de iluminação baseados em díodos emissores de luz, são apresentadas e avaliadas duas estratégias de reconfiguração do conversor, exclusivamente baseadas na adaptação do controlo aplicado ao conversor. Os resultados de simulação computacional e os resultados experimentais obtidos confirmam a efectividade das abordagens adoptadas, através da melhoria da qualidade da energia eléctrica fornecida às diversas saídas do conversor. São assim asseguradas condições essenciais ao funcionamento ininterrupto e estável dos sistemas de iluminação, já que a qualidade da energia eléctrica fornecida aos sistemas de iluminação tem impacto directo na qualidade da luz produzida. Por fim, e para aprimorar o conversor de entrada única e múltiplas saídas tolerante a falhas, no que respeita à sua robustez contra falhas em sensores, é apresentada uma estratégia de controlo de corrente que evita o recurso excessivo a sensores e, ao mesmo tempo, simplifica a estrutura de controlo do conversor. A estratégia apresentada é avaliada através de simulações computacionais. A abordagem apresentada assume vantagens em múltiplos domínios, sendo de destacar vantagens como a melhoria da fiabilidade de todo o sistema de iluminação (conversor + carga), os ganhos atingidos ao nível do rendimento, a redução do custo de implementação da solução, ou a simplificação da estrutura de controlo.This work was supported by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) under grant number SFRH/BD/131002/2017, co-funded by the Ministry of Science, Technology and Higher Education (MCTES), by the European Social Fund (FSE) through the ‘Programa Operacional Regional Centro’ (POR-Centro), and by the Human Capital Operational Programme (POCH)

Renewable Energy

Renewable Energy is energy generated from natural resources - such as sunlight, wind, rain, tides and geothermal heat - which are naturally replenished. In 2008, about 18% of global final energy consumption came from renewables, with 13% coming from traditional biomass, such as wood burning. Hydroelectricity was the next largest renewable source, providing 3% (15% of global electricity generation), followed by solar hot water/heating, which contributed with 1.3%. Modern technologies, such as geothermal energy, wind power, solar power, and ocean energy together provided some 0.8% of final energy consumption. The book provides a forum for dissemination and exchange of up - to - date scientific information on theoretical, generic and applied areas of knowledge. The topics deal with new devices and circuits for energy systems, photovoltaic and solar thermal, wind energy systems, tidal and wave energy, fuel cell systems, bio energy and geo-energy, sustainable energy resources and systems, energy storage systems, energy market management and economics, off-grid isolated energy systems, energy in transportation systems, energy resources for portable electronics, intelligent energy power transmission, distribution and inter - connectors, energy efficient utilization, environmental issues, energy harvesting, nanotechnology in energy, policy issues on renewable energy, building design, power electronics in energy conversion, new materials for energy resources, and RF and magnetic field energy devices

MATLAB

A well-known statement says that the PID controller is the "bread and butter" of the control engineer. This is indeed true, from a scientific standpoint. However, nowadays, in the era of computer science, when the paper and pencil have been replaced by the keyboard and the display of computers, one may equally say that MATLAB is the "bread" in the above statement. MATLAB has became a de facto tool for the modern system engineer. This book is written for both engineering students, as well as for practicing engineers. The wide range of applications in which MATLAB is the working framework, shows that it is a powerful, comprehensive and easy-to-use environment for performing technical computations. The book includes various excellent applications in which MATLAB is employed: from pure algebraic computations to data acquisition in real-life experiments, from control strategies to image processing algorithms, from graphical user interface design for educational purposes to Simulink embedded systems