Neste trabalho, é abordada a modelagem de conversores de potência para implementação em Hardware-in-the-Loop (HIL) com o uso de unidades microcontroladas (MCUs) de alto desempenho. Duas técnicas de modelagem de circuitos elétricos chaveados são discutidas, as técnicas por discretização de circuito elétrico associado (ADC) e por espaço de estado, nos quais são apresentados os métodos dos subcircuitos e do modelo equivalente de chave. Os cenários de teste incluem o conversor CC–CC boost, e quatro configurações diferentes de conversor CC–CA, as versões monofásicas em ponte completa do VSI, nos modos ilhado e conectado, do ZSI e do Quasi–ZSI. As simulações foram realizadas por meio do software Simulink^®, da Mathworks^®, em que foram testados todos os modelos dinâmicos dos conversores mencionados. Devido à necessidade de se empregar tempos de amostragem menores que 100 ns para manter alta precisão numérica nos resultados, tanto a técnica ADC quanto o método do modelo equivalente de chave não são adequados para implementações em MCUs de alto desempenho. O método dos subcircuitos, em contrapartida, proporciona resultados com alta precisão numérica a um tempo de amostragem de 1 μs. Com base no método dos subcircuitos, o comportamento dinâmico e o erro relativo de todas as variáveis de estado dos conversores de potência considerados são discutidos. Nesse sentido, os resultados mostram que a implementação de um procedimento de simulação em tempo real a partir de MCUs de alto desempenho é factível para um tempo de amostragem alvo de 1 μs que, inclusive, garante uma precisão numérica satisfatória. A simulação em HIL dos conversores de potência considerados foi desenvolvida com o uso do MCU STM32H723ZGT6U da STMicroelectronics^®, que utiliza processador Arm^® Cortex^®-M7 de 32 bits em 550 MHz.

In this thesis, the modeling and implementation of power converters for Hardware-in- the-Loop (HIL) real-time simulation by using high performance microcontroller units (MCUs) are approached. In this context, two modeling techniques for switched electric circuits are studied. The first technique is based on the associate discrete circuit (ADC), while the other requires the state space formulation and yields both the subcircuits and the equivalent switch model methods. The test scenarios are the dc–dc boost converter, and four different dc–ac power converter configurations, the single-phase full-bridge versions of the VSI, in both standalone and grid-tied modes, the ZSI and the Quasi–ZSI converters. The simulations were performed by using Simulink^® software from Mathworks^®, in which all the calculated dynamic models were effectively tested. Owing to a low sampling time requirement that is as low as 100 ns to keep good numerical precision in the results, both the ADC technique and the equivalent switch model method are not suitable for HIL implementation in high performance MCUs. The subcircuits method, on the other hand, provides good numerical precision given a sampling time of 1 μs. For the subcircuits method, both the dynamic behavior and the relative error obtained for all the state variables of the considered power converters are presented. The results show that it is possible to implement a HIL simulation procedure for the considered power convertes by using high performance MCUs with a sampling time target of 1 μs and achieve sufficient numerical precision. The HIL simulation of the considered power converters has been developed by using the 32-bit 550 MHz Arm^® Cortex^®-M7 STM32H723ZGT6U MCU from STMicroelectronics^®.