TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 13, No. 3, March 2 015,  pp. 449 ~ 45 DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 13i3.712 7          449     Re cei v ed  De cem ber 2, 20 14; Re vised Janua ry 5, 20 1 5 ; Acce pted Janua ry 2 1 , 20 15   Soft Switching Boost Converter Solution for Increase  the Efficiency of Solar Energy Systems      Alireza Kav i ani-Ar ani* 1 , Alireza  Ghei ratmand 2   1 Departme n t of Electrical En gi nee ing, Maj l es i   Branch, Islami c Azad Univ ers i t y , Isfahan, Ira n   1 Shahi d Raj a e e  Center, De pa rtment of  T e chnica and V o ca tiona l Educ atio n in Isfaha n Provinc e   2 Iran  T e chnica l  and Vocati on a l  T r aining Orga nizati on   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : A.Kaviani @i a u majl esi.ac.ir, A.Kavian i@etv t o.ir      A b st r a ct   Now adays, re n e w able  ener gi es are co nsid e r ed as  a n  i m p o rtant sourc e  o f  non-p o ll uting  and fre e   ener gy. Solar  ener gy in the f o rm of p hotov o l taic system s is  one of the mo st promi n e n t of them. Usi ng this   type of en ergy  can b e  an  affor dab le a nd s u ita b le s o lu ti on to  supp ly el ectrici t y to the consu m ers w ho  do  n o t   have  access t o  the  distrib u ti on n e tw ork du e to g eogr ap hi cal co nditi ons.  Reg a rdi ng to   low  efficiency   and   hig h  cost of ins t allin g so lar p a nels, rec e ivi ng  the ma xi mum  pow er of the m   is taken  into co nsid eratio n. D C - DC conv erters  are on e of the key co mpo nents of  sol a r  energy syste m s. These c o nverters h a ve  the   sw itching  loss es a n d  the i r e fficiency  is  not  so  hi gh. T h is  pa per  exp l or e s  the  sw itchin g l o sses  in  h a r switching boos t converter and by prov iding  a soft sw itching  boost converter, r educes swit ching loss es and  incre a ses t he  efficiency  of s o lar  ener gy syst ems.  T he  perf o rmanc e of  the  conv erter  has   bee n stu d ie a n d   simulations indicate  its perfor m ance.      Ke y w ords : bo ost converter, soft sw itching converters, har d  sw itching conv erters, solar en ergy         Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  No wad a ys,  with dwi ndling   resou r ces of  fossil  fuel s a nd g r o w th of  the con c erns abo ut  air p o llution,  the u s of re newable  ene rgie s i s   g r o w ing. Amon g t hese e nergie s , solar en ergy  coul d b e  a  go od alte rnative  to the  fossil f uels du e to th e availa bility, non-pollutin g , unlimited  an d   low cost of the mainten a n ce of the solar  eq uipme n ts. Beside s the above advantag es,  the  prod uced en e r gy by these system s have  some di sadv antage s su ch  as high in sta llation co st an d   low effici en cy (abo ut 9 to 1 6 %). Since  implem e n ting  sola r sy stem s are  expen sive and  due to t h e   nonlin earity of output ch ara c teri st ics  of these a rra ys, using the s e sy stem s efficiently is not   possibl e with out usi ng po wer  ele c troni c conver te rs and suitabl e co ntrol m e thod s. Several   method s are sug g e s ted to increa se the  efficien cy of sola r syste m s and  receiving the maxim u power of the m  whi c h are  referred a s  Maximum Powe r Point T r ackin g  (MP P T). The ma jor  differen c e be tween the a bove mentio ned metho d is in the indexes  su ch as  converge nce   spe ed, o scill ations  aro u n d  the poi nt o f  maxi mum p o we r in  stea dy-state, impl ementation  cost  and complexi ty and numbe r of the requi red mea s u r em ent equipm en ts [1].  Con n e c ting  p hotovoltaic systems to th e ele c tri c al  g r id i s   usu a lly don e u s in a DC-DC  conve r ter an an  i n verte r   (Figu r e 1). DC-DC co nverter i s   appli ed with  cont rol  strategy t o   followin g  the  maximum p o we r poi nt of the a rray.  In this pap er, we have u s ed the  boo st  conve r ter. Th e efficien cy of t hese syste m s are low, b u t the effi cien cy coul d be increa sed in t w ways, o ne b y  using foll o w ing  maxim u m po we r p o int method  and the  ot her i s  u s in g  the   function ality of switchi ng su pplie s.        Figure 1. The  compo nent s of photovoltai c  sy ste m  and  their con n e c tion to the network  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 3, March 2 015 :  449 – 4 5 7   450 Due to the hi gh switchi ng  losse s , hard  swit chin g DC-DC co nverte rs do n’t have  a good   efficien cy. Also, their  swit chin g freq ue ncy is lo w. By the soft swi t ching m e tho d s, the switching  freque ncy of t he converte coul d be i n creased a nd th e switchi ng lo sses  co uld b e  de cre a sed.  By  increa sing th e frequ en cy of the  co nverter, the si ze  of the co nverter  is decre a s ed and also   the  electroma gne tic interferen ce (EMI) is p r e v ented [2].    In  this pap er,   both hard switchi ng boo st  c onverte r and soft swit chin b o o s t conve r ter  whi c h are used in sola r e nergy sy stem s are  st udied . Switching losse s  in the hard  swit chin conve r ter a r e  calculated a nd indicates t hat usi ng  soft switching me thods, switchi ng losse s  co uld  be de cre a sed ,  resulting in i n crea sed effi cien cy.      2. Ev aluation and Selection of I ndica tors for DG I n stalla tion   A sola r p ane l is a  coll ecti on of p hotov oltaic  cell s th at are  co nne cted in  serie s  o r  in   parall e l with  each othe r. Each PV cel l  is a p - se micon d u c tor  junctio n  that  conve r ts  sol a radiatio ene rgy to th el ectri c al  en ergy. An eq uivalent  circuit  model  for PV cell  i s   sho w n in   Figure 2, in  whi c h I ph  indi cate s ph otodi ode  curre n t, R j , R sh  an R s  are respe c tively nonlin ear  impeda nce of p-n jun c tion,  inhere n t sh u n t impedan ce  and se rie s  resi stan ce wit h in the cell.  R s   resi st an ce  is   v e ry  sm all a n d  R sh   re sista n c e i s  ve ry la rge, thu s  to  si mplify the  circuit, both  can  be   negle c ted.       Figure 2. equi valent circuit of a solar  cell       Acco rdi ng to  t he e quivale nt ci rcuit of the   PV ce ll, th e o u tput current   of the PV  array is a s   follows   ex p 1 PV PV P P h P s a t S q nk V IN T IN I N          (1)     In which I PV  and V PV  are t he cu rrent a nd voltage of  the PV arra y, N s  and N p  are the  numbe r of ce lls in se rie s  a nd in parallel,  q is the cha r ge of each el ectro n  (1.6* 1 0 -19  Coulom b), k   is the B o ltzm ann’ con s ta nt (1.38 * 10 -23  J/°K), T  is th e tempe r atu r e of the PV  a rray  (°K) an n is   the ideal p - n j unctio n  coefficient (betwee n  1 to 5). In a ddition, I sat  refers  to the inv e rse saturation  curre n t of a  PV cell, which is dep end e n t on th e  PV array temp e r ature a nd  can b e  calcul ated  usin g the followin g  equati on:    0 00 3 11 x  ep n ga p sa t q II E T Tn k T T          (2)     In which, T is the cell reference tempe r a t ure, I 0  is inverse  satu ration  current of cel l  at T 0   and E gap  is the voltage of the semi co nd uctor  ai r ga p in PV array. In Equation (1 ), I ph  var i es   wit h   cha ngin g  the radiatio n do se S i  and arra y temperature T. That can  be analyzed  as follo ws:      0 ,0   ph S C T i i TT II S K    (3)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Soft Switc h ing Boos t Converter Solution for Inc r e a se the Efficiency  of… (Alire z Kaviani -Arani 451 In whic h,  I sc,T0  is  the  s h ort  c i rcuit current of the array in T 0   tem p eratu r e and  K i  is the   temperature  coeffici ent. Accordi ng to the Equat io n (1), the o u tp ut powe r  of the PV array (P PV can b e  identif ied as follo ws:    ex p 1 PV PV PV P V P P h P V P s a t P V S V PI q nk T VN I V N I V N       (4)     This eq uation  sho w s that t he pro d u c ed  power P PV  depend s on the  radiatio n do se S i  and  temperature  T of the PV a rray [3-4].      3. Hard S w i t ching Boo s Conv erter   Boost  co nverter i s   sho w n  i n  Fig u re  3.  Here  solar cell  is m odel ed  with a volta ge  sou r ce.  When the  key is turned  on, t he inductor current increases linearl y and the diode D is off.  When  the key i s  turned  off, the energy  stored  in the i nductor i s  transferred to  the load  through  D. T h input indu ctor must be larg e enou gh so the input  cu rrent coul d be  ripple - fre e . For CCM mo d e  L  s h ou ld  be  L>L min . While the diode i s  off, the  capacitor pr ovides the  l oad  current so the  capacit o sho u ld b e  la rge en oug h so that its volt age  remai n con s tant. Fo r boo st mod e l ,  we h a ve th e   equatio ns b e l o w [5]:    1 in dc V V D     (5)   2 mi n (1 ) 2 s D DR L f     (6)   () o s o D C V Rf V   (7)         Figure 3. The  boost converter             Figure 4. Voltage, cu rr ent and po we r lo sses  durin g turni n g  on the key   Figure 5. Voltage, cu rr ent and po we r lo sses  durin g turni n g  off the key  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 3, March 2 015 :  449 – 4 5 7   452 In hard  switching bo ost  converte r, the   voltage of the key d e crease and th e cu rrent  begin s  to ri se, while tu rni ng on the  ke y. And the current of the  key begi ns t o  de cre a se a n d   voltage to in cre a se  while  turnin g off t he  key. At these  switchi ng time s, th ere i s   an ov erlap  betwe en voltage an d current of the ke y and thus  switchi ng lo sses a r is e. Voltage, cu rrent  and  power l o sse s  in the  bo ost  conve r ter du ring turning   o n  the  key i s  i ndicated i n  Fi gure  4. Al so t he  voltage, curre n t and po wer  losse s  duri n g  turning off the key is sho w n in Figure 5.      4. Soft S w i t c h ing Boos Conv erter   In soft  switching  method s, a  high  fre quen cy   re so nator ci rcuit i s  a dde d to  the a bove   mentione d h a r swit chin circuit. T he  re sonan ce  ci rcui t may incl ude  only L  and  C eleme n ts  or it  may  inclu de addition al  ele m ents su ch as key  an diode. Th erefore, the volt age a nd  current  oscillate and  cro ss  zero point and a s  a result  pro v ides the sof t  switchi ng condition s for the  power switch es. By the reson a n c e ci rcuit, switch  waveform is b u ilt in a way that minimize  the  swit chin g lo sse s , de crea se the  swit chin g stress  and  prevent EMI  resultin g in im provem ent in  the  efficien cy of the circuit. Various te chniqu es of soft switchin g  boost co nverter have b een  prop osed so far and exten s ive rese arch e s  in this a r ea  are on goin g  [6].  The p r op ose d  soft  swit chi ng bo ost  con v erter i s  indi cated in Fi gure 6. An ind u ctor, two   cap a cito rs an d two  diod es  are  add ed to  the ha rd  swit chin g bo ost  circuit. T h is  co nverter ha s o n ly   one key and  usin g re son a n ce thi s  key  coul d turn o n  or off at zero voltage swi t ching  (ZVS)  and   zero  cu rre nt  swit chin g (ZCS) conditio n The o p e r atio n of the  ci rcui t inclu d e s  7  steps  as follo ws.  The wavefo rms of the ope ration of the circuit a r e indi cated in Fig u re 7.            Figure 6. Soft switching b o o st co nverte Figure 7. Wa veforms of th e conve r ter      4.1. State 1 -  t 0 <t < t 1 In this  state, the key is  off and the   out put  DC  current of the  sola panel  dire ctly   transfe rred to  the load thro ugh L 1  and D. At this time, the current o f  the main inducto r begi n to   decrea s e.  Co nsid erin g initi a l co ndition 0 ) 2 ( 2 L i o 1 Cr V ) t ( V  and  0 ) t ( V 2 Cr  w e  h a v e  t h e   followin g  equ ation:    11 7 1 () ( ) oi n LL VV it it t L    (8)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Soft Switc h ing Boos t Converter Solution for Inc r e a se the Efficiency  of… (Alire z Kaviani -Arani 453   Figure 8. Equivalent circuit for each t 0 <t < t     4.2. State 2 -  t 1 <t < t 2 At the begin n i ng of this sta t e, the key  in  the condition  of ZCS  (due  to L 2  indu cto r) tu rn s   on. The  curre n t of the L 2  inducto r be gin s  to increa se li nearly. As th e cu rre nt of the L 2  be com e equal to the current of the L 1 , this state end s.    2 1 () o L V it t L     (9)   1m i n () L it I (10 )         Figure 9. Equivalent circuit for each t 1 <t < t     4.3. State 3 -  t 2 <t < t 3 Whe n  the  current of the  L 2  become s  eq u a l to the current of the L 1 , diode  D g o e s  off and  this state  sta r ts. At this mo m ent  re so na nce between cap a cita nce C r1  and i ndu ctor L 2  is  start e d   and th e volta ge of th cap a citan c e  C r1  decrea s e s  an at  the   end  of  this state,  i t   rea c he s ze ro.  Also the cu rrent of the load is  fed from the output cap a citan c e.     1m i n () L it I     (11 )   2m i n 1 1 () s i n ( ) o L V it I t z      (12 )   11 () c o s ( ) Cr Vt V o t     (13 )   1 21 1 r LC     (14 )   2 1 1 r L z C   (15 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 3, March 2 015 :  449 – 4 5 7   454     Figure 10. eq uivalent circui t for each t 2 <t <t 3     4.4. State 4 -  t 3 <t < t 4 As the voltag e of the  cap a c itan ce  C r1  b e com e s zero,  diode D 1  a nd D 2  turn on. The  curre n t of th e indu cto r  L 2  remai n co n s tant in thi s   mode  and th e cu rrent of  the indu cto r   L 1   incr ea se s line a rly .     1m i n 1 () in L V it I t L      (16 )   22 3 () ( ) LL it it (17 )           Figure 11. Equivalent circui t for each t 3 <t <t 4       4.5. State 5 -  t 4 <t < t 5 At the begin n ing of this  state, we turn  off  the key at ZVS condi tion. In this case, two   sep a rate  ci rcuits a r e fo rm ed. The  curre n t of the  L 1   ind u c tor  c h ar ge s  C r1   cap a ci tance  an d m a ke   the voltage  of C r1  ca pa ci tance to  be  increa sed to  t he output  voltage. Also  the re son a n c betwe en L 2  a nd C r2  cause  cha r gin g  the  cap a cita nce  and the  curre n t of the indu ctor L 2  be co mes  zer o .     11 4 () ( ) LL it it     (18 )   22 3 2 () ( ) c o s ( ) LL it it t     (19 )   2 22 3 2 () ( ) s i n ( ) Cr L Vt z i t t     (20 )   2 22 1 r LC     (21 )   2 2 2 r L z C (22 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Soft Switc h ing Boos t Converter Solution for Inc r e a se the Efficiency  of… (Alire z Kaviani -Arani 455     Figure 12. Equivalent circui t for each t 4 <t <t     4.6. State 6 -  t 5 <t < t 6 At the beginning of this state, the cap a citan c C r2  is ch arg ed to  its maximum voltage   and th cu rre nt of the i ndu ctor L 2  i s   ze ro. At this  mo ment, the  re sonan ce  bet ween  L 2  an C r2   cau s e  the e n e rgy of th capa citan c e to  be tran sf erred to the  ind u ctor an d th e current of t h e   indu ctor L 2  b egin s  to rise  in the oppo si te directio n.  At the end of this state, the voltage of C r2   become s  ab solutely zero.    11 5 1 () ( ) oi n LL VV it it t L      (23 )   23 22 2 () () s i n ( ) oL L Vi t it t z     (24 )   2 22 3 2 () ( ) c o s ( ) Cr oo L Vt V V z i t t  (25 )           Figure 13. Equivalent circui t for each t 5 <t <t     4.7. State 7 -  t 6 <t < t 7 In this  state, i n verse p a rallel diod e of th key turn ed  on a nd tran sfer the  current  of the  L 2   to the loa d  a nd finally its  curre n t be co mes  ze ro. In  addition  L 1  tran sfer  ene rg y to the load  by   diode  D and i t s cu rre nt decrea s e s  [7].    11 6 1 () ( ) oi n LL VV it it t L      (26 )   2 6 2 2 () () L L it it t L (27 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 3, March 2 015 :  449 – 4 5 7   456     Figure 14. Equivalent circui t for each t 6 <t <t     5. Contr o l Circuit  Measured values of the out put voltage and cu rre nt of the sola r cell  and output vo ltage of  the bo ost  co n v erter  are  giv en to th con t roller. T he  o u tput po we r o f  the solar cel l  and  refe re n c e   power MPPT  are  compa r ed an d afte r pa ssin g  th e  co ntrolle r, the  conv e r ter output  reference   voltage is ma de. This valu e is com p a r e d  with  the output voltage of the converte r and the pul ses  for the switch  gate are ma de. Overview  diagram is  sh own in Fig u re  15 [8-9].        Figure 15. Overview di ag ra m of the solar cell co nne cte d  to the conv erter      6. Simulation  The sim u lati on is p e rfo r med by PSIM softwa r e.  Voltage an d  current of t he key is   indicated i n  F i gure  16.  As i t  is o b viou s, the  key i s  tu rned  on i n  Z C S mode  an is tu rned  off i n   ZVS mode. Therefo r e the  swit chin g losse s  are mi ni mized [10].   The cu rrent o f  the L 2  is indicated in Figu re 17 and Figu re 18 sh ows the cu rre nt of the L 1 Based o n  th e status of t he key, the curre n t of L 1  is increa sed  and de cre a s ed lin early. Also  based  on th resona nce th e current  of L 2  is i n crea se d  and  ab so rb the en ergy an d by tu rnin g o ff  the key, this energy return s ba ck to the  circuit.      Figure 16. Voltage (ab o ve)  and Current (belo w ) of the key   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Soft Switc h ing Boos t Converter Solution for Inc r e a se the Efficiency  of… (Alire z Kaviani -Arani 457       Figure 17. Cu rre nt of the inducto r L 2   Figure 18. Cu rre nt of the inducto r L 1       7. Conclusio n   Switchin l o sse s   in h a rd  switchi ng boo st conver ters  whi c h is u s ed  in solar cells  are hig h   and be cau s e  of this, solar po we r system s have  low efficien ci es. By using  soft switchi n g   method s these losse s  ca n be eliminate d ,  thus the  efficien cy of the conve r ter  cou l d be increa sed.  Sugge sted  converte r ha only one  key  and i s  turn ed  on an d off in  soft mod e . The pe rform a n c of the convert e r is fully describ ed an si mulation s affirm its pe rformance.       Referen ces   [1]  Samosir, Ahm ad Sau d i, NF N T aufiq, Abdul Ha l i m Moh d  Yatim. Simulation a nd Impl ementati on o f   Interleav ed B oost DC-DC  Conv erter for F uel Cel l  Applic atio n.  Internati ona l Jou r nal of Pow e r   Electron ics an d Drive Syste m s (IJPEDS).  2011; 1(2): 16 8-1 74.   [2]  Carrasco, Ju an  Manu el, Le op old o  Garcia F r anq uel o, Jan T  Bialas ie w i cz, Eduar do Galv á n , RC Portil l o   Guisad o, Ma AM Prats, José Ignac io L e ó n , Narcis o Mor e n o -Alfonso. Po w e r - electro n ic s y stems for t h e   grid  inte grati o n  of re ne w a b l e   ener g y  s ource s: A surve y .   Industrial Electronics,  IEEE Transactions  on.   200 6; 53(4): 10 02-1 016.   [3]  Shah inza de h, Hossei n , Moh a mmad Moi en  Najaf A bad i, Mohamm ad H a ja hmad i, Ali Pak nej ad. Des i g n   and Ec onom ic  Stud y  f o r Use t he Ph otovolt a i c  S y stems  for  Electricit y Su p p l y  in Isfa han  Museum P a rk.  Internatio na l Journ a l of Pow e r El ectronics a nd Driv e Systems (IJPEDS) . 201 3; 3(1): 83- 94.   [4]  Shah inza de h, Hossei n , F a rh ad Ma ghzi an,  Sa yed  Am in F egh hi, Omid N e matol l ah i, Mo hamma drez a   Radm anes h.  Red u ction of Energ y   Cons u m ption T h rou gh us ing  Sol a r He ating  an d Venti l ati o n .   Internatio na l Journ a l of Eng i n eeri ng Res earc h  and Ap pl icati ons (IJERA).  2012; 2(3): 1 260 -126 4.  [5]  Yao, Gang, Alian Chen,  X i angni ng  He. Soft  s w itchi ng c i rc uit for i n terle a v ed b oost c onv erters.  Power  Electronics, IEEE Transactions on.  20 07; 2 2 (1): 80-8 6 [6]  Park, Sang-H o on, Gil-Ro C h a, Yong-C h a e  Jung,  a nd Ch u ng-Yu en W on.  Desig n  an d a pplic atio n for   PV gen eratio s y stem us ing  a  soft-s w itch ing  boost co nverte w i th SA RC.  Industri a l El ectronics, IEEE   T r ansactio n s o n .  2010; 5 7 (2): 515- 522.   [7]  Shan gg uan,  Xuanfe ng, H u imi n  Yan g , Yon g li ang W a ng, a n d  Ben l on g Sh i. T he Design  a nd Sim u lati o n   of Improve d   and  Multi p l e x Boost  Co nv erter.  T E LKOMNIKA Indo n e sia n  Jo urn a l  of El ectrica l   Engi neer in g.  2014; 12( 4): 259 9-26 05.   [8]  Galam, Ses ha  Giri Ra o, S R a ghu,  N R a jas e karan.   Desi gn  of F eed back  C ontrol l er for  Bo ost Co nverte r   Using Optimization T e chnique.  Intern ation a l Jo urn a l of  Pow e r Electr onics  an d Dri v e Syste m s   (IJPEDS).  201 3; 3(1): 117-1 2 8 [9]  Soomro, Amir  Mahmoo d, A m jad Al i S y e d ,  Shahn a w az  F a rhan K hahr o, Xi aoz hon Lia o , F a rha n   Manzo o r. A Stabl e Co ntrol St rateg y  for Inp u t -Ser ies Output -Series C o n n e c ted Boost h a lf  Bridge  DC- DC Conv erter.  T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri ng.  2014; 1 2 (1): 7 2 -79.   [10]  Kumar, K Vinoth, S SURE SH KUMAR,  S DA ISON S T ALLON. High Efficient M o dul e of Bo ost   Conv erter in P V  Modu le.  Inte rnatio nal J our n a l of El ectric al and Co mp uter Engi neer in (IJECE).  201 2;   2(6): 758- 76 5.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.