Dimming method for lighting systems with integral compact fluorescent lamps

This paper presents a 200 W high power factor dimming system for integral compact fluorescent lamps (electronic ballast + compact fluorescent lamp) using two cascaded converters. The first stage is a boost converter operating in critical conduction current mode that supplies the second stage. The second stage is a buck converter, which operates in continuous conduction current mode and controls the output voltage for feeding an integral compact fluorescent lamp group. The characteristics of integral compact fluorescent lamps are presented in order to implement the system. Simulation, design equations, and experimental results of the implemented prototype are presented to validate the proposed idea. Key words: power factor correction, dimming, compact fluorescent lamps, electronic ballasts.Esse trabalho apresenta um sistema dimerizável para lâmpadas fluorescentes compactas integrais (reator eletrônico + lâmpadas fluorescentes compactas) de 200 W com alto fator de potência empregando dois conversores em cascata. O primeiro estágio é um pré-regulador boost que opera no modo de condução crítica de corrente e controla a tensão de saída que alimenta o segundo estágio formado pelo conversor buck. O conversor buck opera no modo de condução contínua de corrente e controla sua tensão de saída para alimentar um grupo de lâmpadas fluorescentes compactas integrais. As características das lâmpadas fluorescentes compactas integrais são obtidas para projetar e implementar o sistema proposto. Simulações, equações de projeto e resultados experimentais do protótipo implementado são apresentados de forma a validar a idéia proposta. Palavras-chave: fator de potência, dimerização, lâmpada compacta fluorescente, reator eletrônico

Self-oscillating resonant converters: general approach and applications

En aquesta tesi es presenta el funcionament auto-oscil·lant de convertidors ressonants, produït per l'ús apropiat del signe del corrent de l'inductor d'entrada com a mecanisme de canvi de la polaritat de la tensió d'entrada. D'aquesta forma, el corrent d'entrada i el primer harmònic de la tensió d'entrada estan en fase, el que assegura un factor de potència unitari en estat estacionari. Aquest fet confereix una naturalesa de resistor lliure de pèrdues a la descripció del convertidor com biport. Es comprova que aquest mecanisme de generació de l'auto-oscil·lació és efectiu en estructures de segon, tercer i quart ordre. Encara que la creació de l'auto-oscil·lació és una tasca relativament simple, la descripció analítica de la generació del cicle límit associat presenta una elevada complexitat. Aquesta descripció combina l'anàlisi temporal i de freqüència per a justificar que l'espiral generada a partir de condicions inicials nul·les finalment convergeix en una el·lipse. Es demostra l'estabilitat en la generació del cicle límit a partir de l'anàlisi de la recurrència discreta resultant de la consideració de dos creuaments successius per zero del corrent de l'inductor després de completar un cicle d'oscil·lació. Aquest enfocament explica de forma correcta la generació d'espirals bidimensionals i tridimensionals en convertidors de segon i tercer ordre respectivament. Els convertidors ressonants auto-oscil·lants obtinguts mitjançant l'aplicació del mecanisme de commutació previ són sensibles a les pertorbacions de la tensió d'entrada o als canvis de càrrega, pel que és necessari introduir un llaç de regulació de tensió. Aquest fet requereix el modelat previ de la dinàmica del convertidor, que parteix d'una llei de commutació basada en la combinació lineal del corrent de l'inductor i la tensió del condensador. Relacionar les variacions de la constant associada a aquesta combinació lineal amb els canvis de la freqüència de commutació és un aspecte clau del modelat, el qual es duu a terme per a convertidors de segon ordre. El llaç de control resultant mostra un gran ample de banda i una major robustesa que els controladors convencionals.En esta tesis se presenta el funcionamiento auto-oscilante de convertidores resonantes, producido por el uso apropiado del signo de la corriente del inductor de entrada como mecanismo de cambio de la polaridad de la tensión de entrada. De esta forma, la corriente de entrada y el primer armónico de la tensión de entrada están en fase, lo que asegura un factor de potencia unitario en estado estacionario. Este hecho confiere una naturaleza de resistor libre de pérdidas a la descripción del convertidor como bipuerto. Se comprueba que este mecanismo de generación de la auto-oscilación es efectivo en estructuras de segundo, tercer y cuarto orden. Aunque la creación de la auto-oscilación es una tarea relativamente simple, la descripción analítica de la generación del ciclo límite asociado presenta una elevada complejidad. Esta descripción combina análisis temporal y de frecuencia para justificar que la espiral generada a partir de condiciones iniciales nulas finalmente converge en una elipse. Se demuestra la estabilidad en la generación del ciclo límite a partir del análisis de la recurrencia discreta resultante de la consideración de dos cruces sucesivos por cero de la corriente del inductor después de completar un ciclo de oscilación. Este enfoque explica de forma correcta la generación de espirales bidimensionales y tridimensionales en convertidores de segundo y tercer orden respectivamente. Los convertidores resonantes auto-oscilantes obtenidos mediante la aplicación del mecanismo de conmutación previo son sensibles a las perturbaciones de la tensión de entrada o a los cambios de carga, por lo que es necesario introducir un lazo de regulación de tensión. Ello requiere el modelado previo de la dinámica del convertidor, que parte de una ley de conmutación basada en la combinación lineal de la corriente del inductor y la tensión del condensador. Relacionar las variaciones de la constante asociada a esta combinación lineal con los cambios de la frecuencia de conmutación es un aspecto clave del modelado, el cual se lleva a cabo para convertidores de segundo orden. El lazo de control resultante exhibe un amplio ancho de banda y una mayor robustez que los controladores convencionales.In this thesis, self-oscillation in resonant converters is generated by the appropriate use of the input inductor current zero-crossings to change the polarity of the input voltage. As a result, the input current and the first harmonic of the input voltage are in phase, which ensures a unity power factor to the steady-state operation of the resonant converter. This fact confers a nature of loss-free resistor (LFR) on the two-port description of the converter. The self-oscillation generating mechanism is proven to be effective in second, third and fourth order structures. Although the self-oscillation generation is a relatively simple task, the analytical description of the generation is more involved. It combines time-domain and frequency-domain analyses to justify that a spiral starting from zero initial conditions eventually converges into an ellipse that corresponds to the steady-state behavior of the limit cycle. The stability of the generation is demonstrated by proving the stability of the resulting discrete recurrence considering two successive zero-crossings of the input inductor current after completing a generic oscillation cycle. This approach successfully explains the generation of two-dimension and three-dimension spirals in second and third order converters respectively. Self-oscillating resonant converters with the previous mechanism to generate oscillations are a simple procedure to transmit power but they are sensitive to input voltage perturbations or load changes. Hence, a voltage regulation loop has to be added. Inserting a voltage regulation loop requires modeling the dynamic behavior of the self-oscillating resonant converter whose switching law is a linear combination of inductor current and capacitor voltage. Relating the variations of the constant of that linear combination to the changes of the switching frequency is the key aspect of the modeling, which is carried out for second order converters. The resulting closed-loop regulation exhibits larger bandwidth and a better robustness degree than conventional controllers

Reatores eletrônicos dimerizáveis para lâmpadas fluorescentes com elevavdo fator de potência

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaO trabalho trata do estudo de reatores eletrônicos dimerizáveis com alto fator de potência para lâmpadas fluorescentes. Inicialmente é feito um estudo sobre as características das lâmpadas obtendo-se um modelo para a simulação e para o estudo analítico dos métodos de controle de luminosidade. São também apresentadas as técnicas de dimerização difundidas na literatura e as tecnologias de gerenciamento dos sistemas de iluminação. A seguir é apresentada a análise do conversor boost operando no modo de condução crítica utilizado como estágio PFC, resultando em uma estrutura com reduzida taxa de distorção harmônica na corrente de entrada, elevado fator de potência e que atende as restrições impostas pela norma que regulamenta o setor. Finalizando o estudo, as análises teóricas, as simulações e as metodologias de projeto são apresentadas e protótipos de laboratório são implementados com o intuito de verificar a validade de cada estrutura proposta. Ao final é apresentada uma conclusão sobre as características das estruturas e algumas sugestões para o prosseguimento da pesquisa nesta área

Single-Stage Power Electronic Converters with Combined Voltage Step-Up/Step-Down Capability

Power electronic converters are typically either step-down converters that take an input voltage and produce an output voltage of low amplitude or step-up converters that take an input voltage and produce an output voltage of higher amplitude. There are, however, applications where a converter that can step-up voltage or step-down voltage can be very useful, such as in applications where a converter needs to operate under a wide range of input and output voltage conditions such as a grid-connected solar inverter. Such converters, however, are not as common as converters that can only step down or step up voltage because most applications require converters that need to only step down voltage or only step up voltage and such converters have better performance within a limited voltage range than do converters that are designed for very wide voltage ranges. Nonetheless, there are applications where converters with step-down and step-up capability can be used advantageously. The main objectives of this thesis are to propose new power electronic converters that can step up voltage and step down voltage and to investigate their characteristics. This will be done for two specific converter types: AC/DC single-stage converters and DC-AC inverters. In this thesis, two new AC/DC single-stage converters and a new three-phase converter are proposed and their operation and steady-state characteristics are examined in detail. The feasibility of each new converter is confirmed with results obtained from an experimental prototype and the feasibility of a control method for the inverter is confirmed with simulation work using commercially available software such as MATLAB and PSIM