Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem s   ( IJ PEDS )   Vo l.   1 2 ,  No.   3 ,  Septem be r   202 1 , pp.  1 699 ~ 170 7   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v 1 2 .i 3 . pp 1 699 - 170 7           1699       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   New  bid i rectional  step - up DC - DC  convert er  derive d from buck - boost DC - DC c onve rter       Ridh a D. N.  Adi ta m a ,  N aq i t a Ra m adha ni,  J ih ad   Furq ani , A r windr a R iz qiawan ,  Pek ik Ar go Dah ono   School  of El ec tr i ca l   Engi n ee r ing and  Inform at i cs,   Instit ut Te kno lo gi  Bandung ,   Ind onesia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   M a y 13,  2021   Re vised Jul  1,  2021   Accepte d  J ul  13, 2 021       Thi s  pape r   prop oses  a  new  bid i rec t iona l   step - up   DC - DC  conve r te r,  namely  modi fie d   buck - b oost  DC - DC  conve rte r .   Th e  prop osed  DC - DC  conve rte r  was   der ive d   fro m  the  conv ent ion al  bu ck - boost  DC - D C  conv erter.  Out put  vo lt ag e   expr ession  of  th e  proposed  conv ert er  was  de rived  by  conside ring   the   voltage   drops  ac ross   ind uct ors  and   sw it c hing  dev ic es .   T he  resul ts  hav e  show n  that   with  the  same  p ara m et er   of  inpu t  LC  f il t er,  prop osed  DC - DC  conve rte r   has   lower   conductio n  losses.   More over ,   th e   propo sed  DC - DC  co nver te r   h as  lower   ra te d  vo ltage  of   filter  ca p ac i tor  th an  th e  conve nt iona l   bo ost  DC - DC  conve rt er  which   le ad   to  cost   eff i ci en cy.   Fin al ly ,   a  sca l ed - down  p rotot ype  of   la bora tory expe r im ent was  used   t o  ver ify   i ts t heor et i ca l   an al ysis.   Ke yw or ds:   Buck - bo os t c onve rter   DC - DC con vert er   M ic r ogrid   M odifie d bu c k - bo os t   Step - up  c onvert er     This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Ri dh a  A ditama   School  of Elec tric al  Engineer ing  a nd  Inform at ic s   In sti tut Te knol og i   Ba ndun g   Gan e sh a  10, L b.   Sil iwan gi,  C ob l ong, Ba nd ung, Ja wa  Ba rat 4013 2,   I ndone sia   Emai l:   rid ha. a ditama @ gm ai l.com       1.   INTROD U CTION   Ind on esi a  is  a n  arc hip el a gic  countr y  that  ha s  an  el ect rific at ion   rati o  of   more  tha n  99 %.  H ow e ve r,  because   I ndon esi a  consi sts  of  m or e  t han   17 ,000   isl a nds,  r emote  area s  in   East ern   I ndon esi a  sti ll   do   no t  hav e   acce ss  to   el ect r ic it y.   T he  gove rnment   has   la unche d  va rio us  pro gr am s  t o  i mpro ve   el ect rici ty  acce ss ,  es pecial ly   in  rem ote  are as  or   isl a nd s .   Be cause  of  i ts  isolat ed  loc a ti on ,  the  mic rogr i d  s ys te m   is  su it able  f or   t his   app li cat io n.  E nerg y  s ources   can  be   obta ine d  from   local   e nerg y  pote ntial s  s uch  as   s olar ,  wind,   micr o - hydro ,   and   biomass.  As  m os t  of  the   ou t pu t  pote ntial   local   ener gy   is  in  the  form   of   DC  el ect rici ty,  DC  micr og ri d  is  desira ble in t hi s appli cat ion .   M ore ov e r, DC  sy ste m  has  no sync hro nizat io n pro blem a nd  easy l oad sh a ri ng.   Figure  1  s how s  a  DC  micr ogrid  s ys te m  with  power  s ourc e  from   ph otov oltai c  (PV)  modu le .   T he  DC   bu s volt age o f  400  Vd c w as  s el ect ed  so   that i t  can  be  co nve rted  easi ly  int o  220  Vac  by u s ing   a n  in ver te r .   DC - DC  co nverter s   are  use d  t o  c onnect  PV   mod ules,  batte ries,   and  DC  l oad s   to  the  DC  bus .  To  ac hie ve  the  DC   bu s   volt age   f r om   t he  P V  volt age,  t he  D C - DC  c onve rter  m us t  hav e   a  boos t  cha ra ct erist ic .  The  DC - D C  conve rter  f or   batte ry   e nerg y  stora ge  m us t  be  a  bi directi on al   DC - DC   conver te r  to  al low  cha r ging  an d  discha rg i ng.   I n  or der  to   e nsur e  lo ng - te r m  op erati on  of  the   sy ste m,   very   low  in put  c urre nt  rip ple  is   de sired.   M ore ov e r, i t i s d esi ra ble th at  the  c onve rter i s  low  c os t a nd  hig h ef fici enc y  [ 1 ] - [ 3].   Re fer e nces  [4 ] - [ 1 6 ]  hav e   pro po s ed  va rio us   DC - DC  po wer  co nv e rters  for   this  ap plica ti on .  In  [ 4],  an   isolat ed  DC - D C  conve rter  is   us e d,   howe ve r  it   has  l ow  e ff ic ie nc y  beca us e  of   t he  tw o - sta ge  c onve r sion.   N onisolat e d  D C - DC   c onve rters  are   prefe r red   due  to   powe r  lo ss  c onside rati ons  over  is olate d  DC - DC   conve rters.   C onve rters   pro po sed  i n  [ 5] - [12]  hav e   hi gh  boost   char act e risti cs,  howe ver ,   th os e  c onve rters   do  not  hav e  comm on  node betwee n  i nput a nd outp ut  ( floati ng  co nverter ) w hic h  i s undesi ra ble in m a ny a pp li ca ti on s.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   3 ,  Se ptembe r   202 1   :    1 699   –   170 7   1700   Converte rs  in  [13]   a nd  [ 16]   hav e  a  quad r at ic   vo lt age  ga in  so   that  a  high  volt age - r at io  can  be   achieve d  wit h  moderate  du t y  cycle.  H owev e r,   these  co nver te rs  ha ve  c omp le x  co ntr ols  du e  to  the  higher  order   of  the   pla nt.  A   simple  c onve rter  that   eas y  t o  con t ro l   has   al s o  bee n  pro pose d  but has  a  n ar row  volt age g a in  a nd  needs  m or e  c omp on e nts  tha n  the  co nventio nal  one  [14].  A  ne w  buck - boos t  c onve rter   with  wider  volt ag e   conve rsion  rati o  ha s  al so   bee n  pr opos e d  bu t  it   al so   has  c ompl ex  c ontro l  and   rev e rse d  ou t pu t  po la rity  [ 15].  The  mo st  c ommo nly  use d  DC - DC  c onve rter  for  P V  gen e rati on  is  sti ll   the  conve ntion al   DC - D C  boost   conve rter   beca us e  it   is   simpl e,  lo w  c os t,   an d  e ff ic ie nt   [ 17] - [ 21] .   T hough  conve ntion al   boos t   co nverter   has  a   con ti n uous  in put  cu rr e nt,  a n  input  LC  filt er  is  al mo st  al wa ys   need e d  in   a n  ap plica ti on   t o  re duce  f ur t he r  the   DC  in put  c urre nt  ri pp le .  A  la r ge  c urre nt  ri pple   is  un desira bl e  in  man y  ap pl ic at ion s.  T he   dev el opment   of  this   typ e  of c onver t er is alwa ys an  ongoin g h ot t opic  [2 2] ,   [ 23].   In   t his  pa pe r,   a  ne w  sim ple,   low  c os t,   an d  eff ic ie nt  ste p - up  DC - DC  c onve rter  is  pro po s ed .  T he   pro po se d  c onve rter   is  der i ve d  from   t he  co nv e ntio nal  DC - DC   buc k - boost   co nverter .   As   it   is  de rive d  fro m  bu c k - bo os t  co nv e rter,  t he  in pu t  a nd  outp ut  currents  a re  disco ntinuo us .  T her e fore,  a n  L C  filt er  mu st  be   add e d  to  the  i nput  si de  to   minimi ze   the  in put  cu rrent  ri pp le   [24 ].  This  pa per   or gan iz e  a s  f ollo ws:  I n  Sect ion  2,  th e   const ru ct io n  of   pro posed   to pology  is  desc rib ed  in   de ta il .   It   is  sho wn  that   the  pro po se d  conve rter  has  l ow e r  ou t pu t   capaci t or  rati ng   tha n  the   co nventio nal  DC - DC  boos t   co nverte r .  A  l ow e r  ca pa ci tor  volt age   rati ng  means  l ow e r  pri ce  w hich  is  de sired  in  m os t  app li cat io ns .  S ect ion   3  gi ves  a  detai le d  ex pressi on   of  the  outp ut   vo lt age   by  c onsi de rin g  the   vo lt age   dr op s   acr os s  i nduct or s   an d  s witc hing  dev ic es .  It  is  sho wn  that  the   cond uction  lo sses   are   lo we r  tha n  t he  c onve ntio nal  D C - DC  boos t  powe r  c onver t er.  S ect ion  4  giv e s   exp e rime ntal r esults t o ve rify the a nalysis  pr esented  in  t his  pap e r. The  co nc lusio n  is  giv e n  in  Secti on  5.           Figure  1 .  Sc he mati c o f  D C  m ic rogr id  s ys te m       2.   NEW STEP - UP DC - DC CON VERTER   Figure  2  sho w s  a  conve ntio na l  DC - DC  bu c k - boos t  c onve r te r  with  te rmi na l  ou tp ut  volt age  ta ke n  at   the  capaci to r  port  w hich  ha s  rev e rse d  pol arit y.   T hough  the  act ive  swit chin g  de vice  is  show n  usi ng   meta l   ox i de  semic ondu ct or   fiel d  e f fect  transist or   (MOSFET) ,  oth er  t yp e   of  s witc hing  dev ic es  can  al s o  be   us e d.   Unde r  c on ti nu ou s  c onduct ion mo de o f  in duc tor  c urre nt,  it  c an be s ho w n  t ha t t he  av era ge ou t pu t  volt age  is     =     1 −   (1)     wh e re    is  the  outp ut  volt age of  co nventio nal b uc k - bo os t  co nv e rter,     is  the  input  volt age ,  a nd     is  the  duty   cycle  of  tra ns i stor  1 .  T he  value  of   duty  c yc le     can  be  c ha ng e d  from   ze ro   t o  un it y  an d,   t her e fore,  t he   aver a ge  out pu t   vo lt age  ca n  be   lower   or   high er  than  t he  in put  volt age.  T his  is  the  reason  why  this  c onve rter  is  al so  call ed  a s  up - dow n DC - D C p ow e r  c onve rter.           Figure  2 .  Mo dificat ion   of c onven ti onal   b uck - bo os t DC - DC  conve rter                                                                             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Ne w bidirect io na l  ste p - up  DC - DC c onvert er  derived  fro m b uck - boos t  … ( Ridha  D. N. A di tama )   1701   In  ad diti on  to   the  c onve ntional   outp ut  te r minal  as   s how n  i n  Fig ur e   2,  a nothe r  te r minal  can  al s o  be   us e d  f or loa d  c onnecti on as  s how n  in  Fig ur e  2 .  If the l oa d  is co nn e ct ed  t o t his terminal,  then the c onve r te r  can   be red rawn a s  sh ow n  in  Fi gur e 3 .  In t his cas e, the  a ve rag e  load v oltage is:      = + = 1 1 −   (2 )     Diff e re nt  to   th e  co nverter   i n  Figure   2,  t he  ne w  c onve rter   i n  Fig ur e  3  h as  a  loa d  volt age  that  is  al way s   higher  t han   th e  input  volt ag e.  The  new   c onve rter  has  ou tpu t   volt age  c har act erist ic   th at   is  the  same  as  the   conve ntion al   DC - DC  boos t   powe r  c onve rt er.   H oweve r,  t he   rated   volt ag e  of  filt er   ca pa ci tor  C   of  the   pro posed  conve rter is l ower  tha n  c onve ntion al   DC - DC  boo st  con ver te r  acc ordin g  to  (3).     =      (3 )     A   lo wer  in pu t  rip ple  is  de sira ble  in  man y  a ppli cat ion s  of  D C - DC  powe r  c onve rters.   As   the  c onve rte r   in  Fig ur e  3  is  der i ved   from  t he  DC - DC  bu ck - boos t  c onve rter,  t he  in pu t   current  is  dis con ti nu ous  wit h  hi gh  rip ple  c on te nt.   In  pr act ic es,   th eref or e ,  a n  LC   filt er   is  a dded   on   the   in put  si de  of  t he   co nv erter.   I f   an   in put  LC   filt er  is  add e d,  the  pro posed  ste p - up   DC - D C  power   c onve rter  will   bec ome   as  the  one  sh ow n  in  Fi gure  4.   It   sh oul d  be   note d  that  t he  propose d  DC - DC   c onve rter  in   Fig ur es   3  an d  4  a re  bi directi ona l  DC - DC  co nv erters   and,  the refor e , can   be  operate d  both  a s  ste p - up   a nd  ste p - do wn  D C - DC  po wer   c onve rters .  A  simi la r  der i vation  method  f or   C uk  DC - DC  po wer  co nverter   has  bee n  done   in  [25].  T hus ,  the  pro posed   powe r  c onve r te r  is  ano t her ap plica ti on   of co nvert er  der ivati on m et hod  that  has   been p r opos e d i n  [ 25].           Figure  3 .  Bi dir ect ion al  m odifie d bu c k - bo os t  DC - DC con vert er       Figure  4 .  Mo dified b uck - bo ost  D C - DC c onve rter  with  input LC   filt er       3.   OUTP UT  VOL TAGE EX P RESSI ONS   Ex pr essi ons  ( 1)  an d  ( 2)  ha ve   been   de rive d  by   ne glect ing   the  volt age  drop s  acr os s  the   switc hing   dev ic es   a nd  in du ct or s .  I n  pr a ct ic es,  these   volt age  dro ps  ar e  fi nite  an d  wi ll   aff ect   t he   m aximum  volt ag e  gai n  that  can  be  ac hi eved   by  t he   D C - DC  c onve rter.  More ov e r,  these  vo lt a ge  dro ps   will   deter mine  the   co nd uction   losses  an d,   t he refor e ,  the  c onver te r  e ff ic ie nc y.   I n  this  sect ion ,  t he  volt ag e  drops  acr os s   the  transist or   durin g  the con du ct i on mode is  r e pr es ented  a s:     = +   (4)   wh e re    is  the  con sta nt  co m pone nt  an d    i s  the  resist ive   com pone nt  of  the  volt age  dro p  acr os s  th e   transisto r   duri ng  c onduct io n  m ode,   res pect ively,   a nd    is  the  c urre nt  th r ough  t he   tra nsi stor.  O n  the   ot her   hand, t he v oltage  dro p  acr os s   the d i od e  ca n b e re pr ese nted  a s:     = +     ( 5)     wh e re    is  the  con sta nt  co mpo nen t  a nd    is  the  resist ive  co m pone nt  of  the  vo lt age   dro p  a cro ss   the  diode   durin g  c onduct ion   m ode,  res pe ct ively,  a nd     is  the  cu rr e nt  th r ough  the  diode .  The  ca pacit or s   are  c on si der e d  as  ideal   capaci tors  without  e qu i valent  serie s  resist ance.  C on ti nu ous  co nductio n  m ode  is  con si der e d  in  this  analysis.   T he  two  t ransi stors  in  Fig ur e   4  are  wor king  c ompli mentar y,  that  is,   tra ns ist or   Q 1  receiv es  a n   ON(OFF )  sig na l  wh e n  tran sist o r  Q 2  re cei ve s  an  O FF(O N)   sign al .  When  t ran sist or   Q1   re cei ves  an  ON   s ign al ,   the stat e - s pace  expressi on is:                                                                                                                                                         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   3 ,  Se ptembe r   202 1   :    1 699   –   170 7   1702   [           ]           = [           − − 1 0 0 1 0 − 1 0 0 1 − ( + ) 0 0 0 0 0 ]           [           ]           + [           0 − −  ]               ( 6)     wh e re    a nd     ar e  the   resist anc es  of  i nduct or s   L i   a nd  L ,  res pe ct ively,  a nd  p  is  the   diff e re nt ia l  op e rator.    and     are  the  c urren ts  t hroug h  in pu t  filt er  inducto r  a nd   e nerg y - tra nsfer  inducto r,   re sp e ct ively.    is  the   vo lt age  acr os s  input  filt er  cap aci tor  an d     is  the  loa d  c urrent .  The  sta te - s pa ce  expressi on  wh e n  tra ns ist or  Q1 r ecei ves  a n OF F signal  is     [           ]           = [           − − 1 0 0 1 0 0 0 0 0 − ( + ) 0 0 0 0 0 ]           [           ]           + [           0 − −  ]               ( 7)       Stat e - sp ace  i n  (6)  a nd  ( 7)  are   valid  d ur i ng  ON  an d  OFF  per i od s   of  Q1,   res pecti vely .  Av e ra ging  the   sta te - sp ace  (6) a nd (7) o ve r one  sw it chi ng p e r iod   will  r es ult i n  the  av e ra ge  s ta te - sp ace  (8):     [           ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ]           = [           − − 1 0 0 1 0 − 0 0 − − ( + + ( 1 − ) ) 0 0 0 0 0 ]           [           ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ]           + [           0 − − ( 1 − ) −  ]             (8)     wh e re b a r  ove r  the v aria bles deno te  the a ver a ge  qua ntit y.  Dur i ng  the stea dy - sta te  con diti on, th e a ver a ge  stat e - sp ace  (8) beca me:     0 = [           − − 1 0 0 1 0 − 0 0 − − ( + + ( 1 − ) ) 0 0 0 0 0 ]           [           ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ]           + [           0 − − ( 1 − ) −  ]             (9)     Ba sed  on  ( 9) ,   t he  a ve rag e   loa d  volt age  a s  a   functi on  of  du t y  c ycle  a nd  l oa d  c urre nt  ca n  be  obta ined   as:      = 1 − − 1 − − −  ( 1 − ) 2 ( 2 + + + ( 1 − ) )   (10)     By  us i ng   the  s ame  meth od,  the  ave rage  outpu t  vo lt age  of   conve ntion al   DC - DC  boos t  conve rter  wit h   add it io nal in pu t LC  f il te r  as  s how n  in  Fig ure  5  ca n be  obta ined  as:     = 1 − − 1 − − −  ( 1 − ) 2 ( + + + ( 1 − ) )   (11)     Com par is on  be t ween   ( 10)  a nd  ( 11)   sho ws  t hat  the  volt age   dro p  in   the  pr opos e d  c onve r te r  is  lo wer   than   the   on e   i n  co nventio nal   DC - DC   boos t   c onver te r.  T he   diff e ren c e  is   the   vo lt ag e  dr op  i n  t he   in pu t   filt er  inducto r.     Fi gure  6  s hows   a  c omparis on  gr a ph  of  t he  volt age  dro p  ac ross  the  in put  filt er  inducto r  resist ance  of   pro po se d  DC - DC  c onver te r  a nd  the   co nvent ion al  boo st  c on ver te r ,  as   a fun ct ion  o f   duty   c ycle, w it h    = 0 . 1  Ω   and      =  5  A.   I n  Fig ure  6 ,  ot her   c omp on e nt s  are  ass um e d  as  ideal   com pone nts.  Fi gur e  6  re pr e sents   the  cond uction l osse s whe n  the  volt age  dro ps  ac ro ss  s witc hing  dev ic es  are ne glect ed.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Ne w bidirect io na l  ste p - up  DC - DC c onvert er  derived  fro m b uck - boos t  … ( Ridha  D. N. A di tama )   1703   As  t he  vo lt a ge   dro ps  al so  re present   the  c on du ct io n  losses ,   the  c onduct io n  lo sses  i n  t he   input  filt ers   will   be  lo wer  than   the  ones  i n  c onv e ntion al   DC - DC  boos t   powe r  c onve r te r.   A s  the  swi tc hin g  losses   a re  the  same,  the  e ff ic ie ncy   of   the  pro posed  DC - D C  power   c onve rter  will   be  hi gh e r  than  t he  on e  of   c onve nt ion al   DC - DC  boost   powe r  co nv e rt er.  T he  dif fer e nce  of  co nduct ion   los ses  bec om es  bigger  w he n  t he  duty  c ycle  is   high.  Fig ur e  7   shows  the  pl ot  of  the   volt age  gain  ( / )  co mp a rison  betw een  propose d  conve rter  a nd  conve ntion al   DC - DC  boos t   conve rter,   as   a   f unct ion  of  duty   cycle   th ree   di ff e ren t   loa d  cu rr e nts .  I n  Fi gure   7 ,  on l y  the  in pu t  f il te r  in duct or re sist ance is c onside red. T his  fig ur e s how s t hat the  maxim um   volt age  gain of  t he   pro po se d  c onve rter is  higher  t han the  one  of  conve ntion al  DC - DC  boos t  po wer  co nverter .           Figure  5 .  Co nventional  DC - D C b oo st c onve r te r  with  a ddit io nal in pu t  LC fi lt er           Figure  6 .  Volt age  dro p  c ompa rison       Figure  7 .  Volt age  gain  c ompa rison       4.   EXPERI MEN TAL RES UL TS   A  s mall   prot ot yp e   m od i fied   buc k - boos t  w it h  in pu t   LC  f il te r  as  the   on e  sho wn  in   Fi gure  4  was   const ru ct e d.  E xp e rime ntal  sc heme   f or  un i directi on al   an d  it s  set up  a re   sho wn  in   Fig ures  8  a nd  9,  res pec ti vely.  The  DC  volt age  s ource   of  t he  powe r  c onve rter  is  obta in ed  from   a  recti ficat ion   of  sin gle - ph ase   AC  vo lt age   so urce.  The  ou tpu t  of  recti fie r  is  filt ered   by   us in g  a  5 - m F   capaci tor .  T he   DC  volt age  so urce  is  mai nt ai ned   const ant  at   36   V dc.  W at tmet ers  are   placed   in  both   in pu t   an d  outp ut  of  the   DC - DC   powe r  c onve rte r.   The   dig it al   os ci ll osc op e   can   meas ur e   both   in pu t  and  outp ut  wa veforms  of  the   pro posed   DC - DC  po wer  co nverter .   In   t his  ex per i ment,  powe r  M O SFET  IRF P260N  a nd   ul trafast  di od e  M UR 1560 G  wer e  us e d  as  switc hing  dev ic es ,  a n  in du ct or  filt er   ( )   of   47. 8  μ H,  a   film   capaci to r   filt er  ( )  of  10  μ F .  1 - m H  of  energ y - tra nsfer  inducto r  ( )  wa s  ch os e n  to   en su re   the   c onve rter  operates   in   co ntin uous  c onduct io n  mode   (CC M ).  Ca pa ci tor  ou t pu t   ( )  is  c ho sen  at   30  μ F   film  ca pacit or  an d  t he  loa d  is va riable resist or.   The  switc hi ng f re qu e n c y  is   fi xed   at  2 0 k Hz.           Figure  8 .  Expe rimental  sc hem e f or   unidirect i on al                                                                                                                                                                                                                                            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   3 ,  Se ptembe r   202 1   :    1 699   –   170 7   1704       Figure  9 .  Expe rimental  set up       Figure  10  sho ws  the   outp ut  vo lt age   an d  i nput  c urre nt  wa veforms  of   m odifie d  buc k - boos t  with   in pu t   LC  filt er.  Fig ure  10  (a )  is  at   50%  duty  c ycl e  with  1.5   A  of  in pu t  c urren t   wh il e  Fig ure  10   ( b)   is  at   50 %  duty  cycle  a nd  3.3   A  of  in pu t  c ur ren t.   The   ou t put  volt age   is  f la t,  and  the   in pu t  c urre nt  is  con ti nu ous  with  lo w  rip ple  c on te nt  bec au se  of  the   in pu t   LC  filt er.  Fig ur e   11   s hows   the   cal culat ion  an d  ex per ime ntal  re s ults  of   vo lt age   gain   ( / ),   a s  a   f unct io n  of  du t y  c ycl e.  Li ne  a nd  da sh e d  li ne   in di cat e  cal culat ion  re su lt s  with  diff e re nt  loa d  current,   w hile  diamon ds   a nd  ci rcles  ind ic a te   ex per ime ntal  resu lt s  with  diff e ren t  loa d  c urre nt.   Accurac y  of  th e  anal ys is  re sul ts  can  be  a ppr eci at ed  f rom  F igure  11 .  High er  loa d  c urre nt   mak es  lo we r  ou t pu t   vo lt age;  he nce ,  re du ces  t he  volt age  gai n,   es pecial ly  at   higher  duty  c ycles.  Fig ur e  12  s hows  e ff i ci enc y  as  a   functi on  of  loa d  cu rrents  with   var ia ti ons  in   the  dut y  cycle.   The  e ff ic ie nc y  will   be  hi gh e r  on   l ower  du t y  cycle.   It  can   be  no te d  that  acc ordin g  to  (10 )  a nd  ( 11) ,  f or  the   sam e  outp ut  vo lt ag e,  m odifie d  bu ck - boos t   has   l ow e r   du t y  c ycle  tha n  c onve nti onal   boost   co nvert er.  It  mea ns   t he   modifie d  buck - boos t  has   hi gh e r  ef fici enc y  tha n  conve ntion al  boo st  con ver te r .           ( a )   ( b )     Figure  10 . O utp ut  volt age a nd in put cu rr e nt  wav e f or m s  of  i nput LC  filt ere d  m odifie d  buc k - boos t at   50%  duty  cycle an d  i nput  curre nt of,  ( a ) 1. 5 A, (b)  3.3 A           Figure  11 . V oltage  gain  c al cul at ion  a nd expe rimental   resu lt s                                                                                                                                                                                                                                   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Ne w bidirect io na l  ste p - up  DC - DC c onvert er  derived  fro m b uck - boos t  … ( Ridha  D. N. A di tama )   1705     Figure  12 . E xp erimental   resu l t of co nverter  e ff ic ie nc y       A  b i direc ti onal   exp e rime nt  w as  done  by   us i ng   t he  sch eme  as  show n  in  Figure  13 .  Alth ough  the  DC   so urces   are   s howe d  as   ideal   so urces   wh ic h  can  abs orb   power,  i n  fact  t he   DC   s ources   us e d  i n  t he   ex per ime nt   are  obta ined   from   recti fier   A C  volt age,   th us  it   ca nnot  a bsor b  po w er.   T he refor e ,  resist ors  a re   nee de d  on  bo t h  sides.  T he  DC p owe r  s ources,   watt mete rs,  an d  fi xed  resist or s  are p la ced on   both  in put  an d  outp ut  of  pr opos e d  DC - DC  c onve rter.   P ow e r  M O SFET s  IRFP26 0N  we re   us e d  as  s wi tc hin g  dev ic e s.  T he  bid i re ct ion al   exp e rime nt  s te p  is  to  inc reas e  on e   of  the  D C  so urces  to   a   certai n  val ue,   then  in crease  t he  ot her   sourc e  un ti l   the  powe r  flo w  re ver ses   (in dicat ed   by   the   re verse  direct ion  of   the   cu rrent).   Fi gure   14   s hows   the   in put  a nd   ou t pu t  c urre nt  in  bid irect io na l  exp e rime nt.   It  s how s  t hat  the  c urren t  c an  be   rev e rse d,  th us   in dicat ing  th e   pro po se d DC - DC c onver te r  i s appli cable i n  bid irect io nal m od e .           Figure  13 . E xp erimental  sc he me of t he bidir ect ion al  e xp e riment           Figure  14 . In put an d o utput c urren ts  in  t he b idirect ion al  e xperime nt       5.   CONCL US I O N   A  ne w  ste p - up  bi directi onal   DC - DC  po we r  co nverter  ba sed  on   t he  m odific at ion   of  c onve ntion al   bu c k - bo os t  D C - DC  power   c onve rter  ha s  be en  pr opos e d.   As  it   is  der i ve d  f rom  the  c onve ntio nal  buc k - boost   DC - DC  powe r  co nv e rter,  it   has  simpli ci ty  an d  bi direct ion al   cha racte risti cs.  Unde r   the  same  L C  filt er   par a mete rs,  th e  pro pose d  D C - DC  powe r  conve rter  ca n  achie ve  high er  ou t pu t   volt age  c ompare d  to  t he   conve ntion al   DC - D C  boost   powe r  co nvert er.  As  the  resul t,  the  pro po se d  DC - DC  pow er  co nverter  ha s  bette r   eff ic ie nc y  co m par e d  to   the   c onve ntion al   D C - DC   bo os t  powe r   co nverte r.  Mo reover ,   it   ha s  l ow e r   ca pacit or   vo lt age  rati ng  than  t he  co nven ti on al   one  w hi ch  le ad  to  c os t  eff ic ie n c y.   E xp erimental   res ul ts  hav e  ver ifie d  the  analysis  meth od  giv e n  in  this  pap e r. A ppli cat ion s  of the  pro po s ed  con ver te r  is l eft  for fut ure in vestigat io n.     85 % 87 % 89 % 91 % 93 % 95 % 97 % 99 % 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 Effic iency L oad  Curren t  (A) D u t y  C yc le  0,1 D u t y  C yc le  0,3 D u t y  C yc le  0,5 D u t y  C yc le  0,7                                                                                        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   3 ,  Se ptembe r   202 1   :    1 699   –   170 7   1706   ACKN OWLE DGME NTS   The  a uthor s  wish  t o  tha nk to  the  Korea  M idl and P ow e r  C ompa ny for pa rt ia ll y  fun ded thi s   resea rch.       REFERE NCE S   [1]   Y.  L i ,   and   R.   O ruga nti,  “ A  low  cost   flyb ac k   C CM  inve rt er   for   AC  modu le  ap pli c at ion , ”   IE EE  Tr ansacti ons  o n  Powe r E le c troni cs ,   vol .   27 ,   no .   3 ,   pp .   1295 - 1303 ,   Marc h   2012,   do i:   10 . 1109/T PE L . 2011. 2164941 .   [2]   Z.   Zha o ,   M.   Xu,  Q.  Chen,  J.  Lai,   and  Y.  Cho ,   “ De riva ti on ,   analysi s,  and  im pl emen ta ti on   of  a  boost – buck  conv ert e r - base d  high - eff i cienc y  PV   inv ert er , ”   I EE E   Tr ansacti ons  on  Pow er  El e ct ronics ,   vol .   27,   no .   3 ,   pp.   13 04 - 1313,   Marc h   2012,   doi :  10 . 11 09/T PEL . 2011. 2 163805.   [3]   H.  Hu,  S.   Harb ,   N.  H.  Kutku t,  Z .   J.  Shen ,   and  I .   Bat arse h ,   “ A  Sin gle - Stag e  Micro i nver te r   W it hout   Us ing  El e trol yt i c   Capa c it ors, ”   I E EE  Tr ansacti on s  on   Powe r   E le c tronic s ,   vol .   28,   no .   6,   p p.   2677 - 2687,   June  2013 ,   do i :  10. 1109/T PE L. 2 012. 2224886.   [4]   F.  Jun g,   and   S.   d.   A.   Pinhe iro,  C.   T .   Paz ,   M.   Fiorin  and   T.  D equi giov ani ,   “ DC - DC  conve r te r   for   photovoltaic   sys te ms, ”   Proc.  12th  IE EE  Int ernati onal   Confe r enc e   on   Industry  App li ca ti ons  ( INDU SCON ),   2016,   pp .   1 - 8 ,   do i :   10. 1109/INDU SC ON . 2016. 7874524.   [5]   N.  El say ad,  H.  Moradisiz koohi ,   and  O.   A.  Mo ham m ed,   “ Desi gn  and  im pl em e nta ti on   of  a  ne w  tra nsformer les s  bidi re ct ion al  DC – DC  Convert er   with  wide   conv ersion  ra ti os, ”   I EE E   Tr ansacti o ns  on  Industrial   Elec troni cs ,   vol .   66,   no .   9 ,   pp .   70 67 - 7077,   Sept .   2 019,   doi :  10 . 110 9/T IE . 201 8. 287 8126.   [6]   N.  El say ad,  H.   Moradisiz kooh i ,   and  O.   A.  Mohamm ed ,   “ A   new  hybrid   str uct ure   of  a  bid ire c ti ona l  DC - DC   conve rt er  w i th   h igh  conv ersion   r at ios  fo r  el e ct r ic  vehicl es, ”   IE EE  Tr ansacti ons  o n  V ehi cu lar  Tec hnology ,   vol .   69 ,   no.   1 ,   pp .   194 - 2 06,   Jan .   2020 ,   d oi:   10 . 1109/T VT . 2019. 2950282 .   [7]   N.  E lsaya d ,   H .   Moradisiz koohi ,   and   O.   A.   Moh am m ed,  “ A   new   singl e - sw it ch   st ruc ture  of   a   DC – dc  conve rt er   w i th   wide  conve rsion   ra ti o   for   fue l   c el l   veh ic l es:   analysis  and   dev el o pme nt , ”   IE EE  J ournal  of   Eme rg ing  and   Se lecte d   Topics  in Powe r  El e ct ronics,   vol .   8,   no.   3,   pp.   278 5 - 2800,   Sept .   20 20,   doi :  10 . 1109 /JESTPE. 2019. 2 913990.   [8]   M.  La kshm i ,   a nd  S.  Hem am a li ni,  “ Nonisol ated  high   gai n   DC – DC  conve r te r  for   DC  microgrids, ”   IE EE  Tr ansacti ons on Indu strial  E le c tronic s,   vo l. 65, n o.   2 ,   pp .   1205 - 1 212,   Feb .   2018 ,   doi:   10 . 1109/T I E. 2017. 2733463 .   [9]   H.  Kang ,   and  H.  Cha,   “ A  ne w  nonisola te d  high - volt ag e - ga i n  boost  conve rt er  w it h  inh ere n t  output   vol ta g e   bal an ci ng, ”   I EEE  Tr ansacti ons  on  Industrial  El e ct ronics ,   vol .   65,   no.   3,   pp .   2189 - 2198,   Marc h  2018,   d oi:  10. 1109/T I E. 20 17. 2736508.   [10]   A.  Ganja v i,   H.   Ghorei shy ,   and  A.  A.  Ahmad ,   “ A  novel   singl e - i nput  dual - ou tput  t hre e - le v el   DC –                , ”   IEE E   Tr ansacti ons  on  Indu strial  Elec tronic s ,   vol .   65 ,   no.   10,   pp.   8101 - 8111,   O c t.   2018 ,   doi :   10. 1109/T I E. 20 18. 2807384.   [11]   E.   H .   Ism ai l ,   M.   A.  Al - Saffa r ,   A .   J.  Sabz al i ,   and  A .   A.   Fardoun,  “ H igh  vol ta ge   ga in  single - sw it ch   no n - isola t ed  DC - DC  conve rt ers  f or  ren ewa b le   en erg y  app li c at ion s, ”   2010  I EE E   I nte rnational   Co nfe renc e  on  Sus tai nable  E n ergy   Technol ogi es  (I CSET) ,   2010,   pp .   1 - 6 ,   doi :  10 . 11 09/ICSET . 2010 . 5684438.   [12]   A.  L .   Sch li ngm ann,  R.   F.   Coelho ,   and  D.   C .   Marti ns,   “ A  Ne w  Step - Up  DC - DC  Converter  f or  Photovolt aic   Applic a ti ons, ”   2 018  9th   I EE E   In te rnational   S ymposium  on  Power   Elec troni cs  for  Distribut ed   Ge nerati on   Syste m s   (PE DG ) ,   2018 ,   pp.   1 - 6 ,   doi :  10 . 1109/PEDG.2018. 8447631.   [13]   S.  Miao,  F.  W an g ,   and   X.  Ma ,   “ A  new  tra nsform erl ess  buck – boo st  conve r te r  wi th   positi ve   output volt ag e, ”   in  I EEE   Tr ansacti ons on Indus trial   E le c tronic s ,   vo l. 63, n o.   5 ,   pp .   2965 - 2 975,   May   2016,   doi:   10 . 1109/T I E. 2016. 2518118 .   [14]   K.  I.   Hw u ,   and  T.   J.   Peng,   “ A  n ovel   bu ck – boost  conve r te r  com bi ning  KY   and  bu ck  conv ert ers , ”   I EE E  Tr ansacti o n s   on  Powe r  Elec tr onic s,   vo l. 27, n o.   5 ,   pp .   2236 - 2 241,   May   2012 ,   doi:   10 . 1109/T P EL . 2011 . 218220 8.   [15]   S.  Ding ,   and   F.  W ang,  “ A  n e w  nega t ive  out put  buck – boost   conve r te r   with   wide  conve rsi on  ratio, ”   I EEE   Tr ansacti ons on Indus trial   E le c tronic s ,   vo l. 64, n o.   12 ,   pp .   9322 - 9333,   De c. 2017 ,   doi :  10 . 1109/T I E. 2017. 2711541 .   [16]   T.  Pors e lvi ,   and   M.   Arounass alame,  “ A  nov el  single   sw itch   hi gh  ga in  d c - dc   c onver te r , ”   Proc .   8th   IE EE  India   Inte rnational   Confe renc e  on   Powe r   Elec tronic s  (IIC P E),   Jaipur ,   I ndia ,   2018,   pp.   1 - 6 ,   do i:   10. 1109/IICPE. 2 018. 8709508.   [17]   Y.  Huang ,   F.   Z .   Peng,   J .   Wa ng ,   a nd  D.   Yoos ,   “ Su rve y  of   the  powe r  cond it ion ing   sys te m   for   PV   po wer  g ene ra ti on , ”   Proc.   I EEE  P ower  Elec troni cs  S pec ia li sts Conf ere nce,   Je ju, Kore a ,   2006 ,   pp .   1 - 6,   doi:   10 . 1109/pe s c. 2006. 1712267 .   [18]   R.   C arn i el e tt o,   D.  I .   Brandã o ,   F.  A.   Farr et ,   M.   G.   Simõ es ,   and   S.   Sury ana r ayanan,  “ Sm art  g                     ,”   IE E E   Industry  Applica ti ons Magazine,   vol.   17 ,   no .   5 ,   pp .   27 - 35 ,   Sept . - O ct .   2011,   doi: 10.1109/MIA S.2010. 939651.   [19]   E.  Rome ro - C ad ava l ,   G .   Spagn uolo,  L.  G.   Fra nquel o,   C.   A.   Ram os - Paja,  T.  Suntio ,   and  W .   M.   Xi ao,  “ Gri d - conne c te d   photo volt aic   gen era t io n  pl ant s:   co mpo nent s  and   oper a t ion, ”   I EE E   Indu strial  E lectronics   Magazine ,   vo l.  7,   no .   3 ,   pp .   6 - 2 0,   Sept .   2013 ,   do i:   10 . 1109/MIE . 2013. 2264540.   [20]   D.  Mene ses,  F.   Bla ab je rg ,   Ó.  Garc ía ,   and  J .   A.  Cobos,  “ Re vie w  and  co mp ari son  of  step - up   tra nsformer le s s   topol ogie s   for  p hotovol taic   AC - modul e   applic at i on, ”   I EEE  Tr ansacti ons  on  Pow er  Elec troni cs ,   v ol.   28 ,   no .   6 ,   pp .   2649 - 2663,   June   2013,   doi: 10. 11 09/T PEL . 2012. 2 227820.   [21]   M.  Forouze sh,  Y.  P.  Siwakoti,   S.  A.  Gorji ,   F.  Bla ab je rg ,   a nd  B.   L ehm an ,   “ Step - up  DC – DC  conve rte rs:   a  com pre h ensive  r evi ew   of  vo lt ag e - boosting  t ec hn i ques,   topol ogi es,   and   app li c at ion s , ”   IEEE  Tr ansacti ons  on   Pow er  El e ct ronics ,   vol .   32,   no.   12,   pp.   9 143 - 9178,   De c.  2017,   doi :  10 . 11 09/T PEL . 2017. 2 652318.   [22]   T.   Wu ,   “ D ec odi ng  and  synthesi z ing  tra nsform erless   PWM  conve rte rs, ”   IEEE  Tr ansacti ons  on  Po wer  El e ct ronics ,  vol.   31 ,   no .   9 ,   pp .   6293 - 6304 ,   Se pt.   2016 ,   do i: 10 . 1109/T PE L. 201 5. 2499784.   [23]   P.A.  Dahono,   “ Deri vation  of  hi gh  volt ag e - gai n   step - up  DC - DC  power  conve r te r s ” ,  Int ernati onal   Journal  Elec trical   Engi ne ering  and   Informatic s ,   vol .   11 ,   no .   2 ,   pp .   2 36 - 251,   2019 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Ne w bidirect io na l  ste p - up  DC - DC c onvert er  derived  fro m b uck - boos t  … ( Ridha  D. N. A di tama )   1707   [24]   Y.  Huangfu ,   S .   Pang,   B .   Nahid - Mobara keh,  L.  Guo,  A.   K.   Ra t hore ,   and   F.   Ga o,   “ Stabilit y   analysis  and   a ct iv e   stabi liza ti on  of   on - boar d  DC  power  conve rt e r  sys te m  with  input   filter , ”   I EE E  Tr ansacti o ns  on  Industrial   El e ct ronics ,   vol .   65,   no.   1,   pp.   79 0 - 799,   Jan .   2018 ,   doi :  10 . 1109/T I E. 2017. 2703663 .   [25]    .        ,   .  R z q   w   ,         P. .         ,   “                   k     -                                    g      y      , ”  TEL KOMNIKA  Tele comm unic a t ion,   Computing ,   El e ct ronics ,   an d  Control ,   vol .   18,   no.   6 ,   pp .   3 247 - 3257,   Dec .   2020,   doi :  10 . 12 928/T EL KO MN IKA . v18i6. 1646 6.       BIOGR AP HI ES OF  A UTH ORS       Ridh a  D.  N.  Ad itama,   H                                    ’     g            P w     E g           g         I           Te knologi  Band ung,   Indon esia ,   in  2017.   His  cur ren t  r ese ar ch  intere sts  are  ren ew abl e   en erg y,   power  elec t ronics   and  driv e  sys tems.  He  is  a  r eci pie nt  o f  th e  Kor ea   Mid la nd  Pow er  Comp any  Schol arships.  At  pr ese nt,  h e  i s  a  g rad ua te  st udent   at  th e  I nstit ut   Te kno lo gi  Bandung ,   Indone sia.           Naq ita  Ramadhani   was  born  i n  Wonosobo ,   Ce ntra l   Java ,   Indon esia   in  1999 .   He   recei v ed  his             ’      g            P w     E g        g           I           T  k    g     B     g,  I                202  .   His  cur ren t   rese arc h  int er ests  ar e  ren ewa bl e  en e rgy,   e le c tric  veh ic l e,   and  power   el e ct roni cs,   espe ciall y   in   po wer  conv ert ers a nd  drive sys te ms .         Jihad   Furqan i  was  born  in  Mal ang,   Ea st  Jav a,   I ndonesia   in   199 0.   He  r ec e ive d   B. S.  degr ee   in  El e ct ri ca l   Pow er   Engi n ee r ing  fr om  Bandung   In stit ute  of   Techn ology  in   2012.   He  re ce iv ed   M.S.  degr e e  in  El e ct ri ca l  Engi n ee ring  fro m  Ba ndung  Instit ute  of  Te chno logy  i n  2013.   He   rec e i ved   Dr.E ng .   d egr ee  in   E lectr i ca l   and   E lec troni c   Engi n ee r i ng  from   Tokyo   Instit u te  of   Te chno logy  in   2019.   He   h as  b ee n   studying   m ult ilevel  and   m ult ipha se   mot or   driv e,  noise   red uction  in  sw it ch ed  r el uc ta n c e  mot or,  power   e le c troni c   con ver te r   for   ren e wable  energ y  appl i ca t ion,   and   el e ct r ic   mo tor   for  vehicle  ap pli c at ion .   He  was  Visiti ng  R ese arc h er  of   Univer sity  of  A kron  in  2017  an d  Visiti ng  L ectu re  of  Tokyo   Inst it ute  of  T ec hno l ogy  in  2021.   Curre ntl y ,   he  is  l ec tur er  in  E lectr i ca l  Pow er  Eng in ee ring ,   School  o f  El e ct ri cal  Enginee ring  an d   Inform atics,   an d  Nati on al  Ce nte r  for   Sus ta i nabl e   Tr ansport at ion   Technol o gy,   Bandung   Instit ute of Te ch nology.     He rec e ive d  I EE E   Star   Revi ewe r   in   201 9 .         Arwind ra  Rizqi awan ,   He   recei v ed                                 ’      g              I           Te knolog i   Bandung,  Indon esia ,   in  2006   a nd  2008,   r espe c ti vel y ,   and   do ctoral   degr ee  fro m  Shib aur a   Insitut e   of  Te ch nology,   Jap an,  i n  2012,   all  in  th e  fi el d   of  el e ct r i ca l   engi n ee r ing.  His  cur r en t   ma in   intere sts  are   pow er  enginee ring ,   power   elec t ronic s,   an d  ren ew abl e   en erg y.   He  i s   cur ren t ly   servin g  as   assistan t   pr ofe ss or  in   Scho ol  of   El e ct r ic a l   Engi ne eri ng   and   Inform atics,   Instit ut   Te kno lo gi  Bandung ,   In donesia .   He   is   certi f ie d   profe ss iona l  eng inee r  (IPM )  in  Indone sia  by  the  Instit ut ion  of  E ngine ers  Indon e sia  (PI I),   and  A SEAN   Engi nee r   by  AS EAN   Engi ne eri ng  R eg iste r.           Pe kik   Argo   D ahon o   got  th e  Insinyur  (Ir)   de gre e,  fro m  the  Instit ut   T eknol o gi   Bandung ,   Indone sia,  in   1 985,   the  Master   and   Doctor   E ngine er ing  d egr ee s  fro m  Toky o  Instit u te  of   Te chno logy,  Ja pan,  in   1992  a nd  1995,   respe ct iv el y,   a ll  in   el e ct ri ca l   engi n ee ring .   H e  is  reg iste r ed  as  a  Profess iona l  En gine er   in   Indon esia  and   AS EAN.  He   is  a  s e ni or  m em ber   of   IEE E .   He   is  co founde r  of  Indo nesia   Sm art   Gri d  Init i atives  an d  Indone sia   Pow er  Quali t y   Init iativ es.   Curre ntl y ,   h e  is  a  prof essor i n  the   Scho ol  of  E l ectrical   E ngine er ing  and  I nforma t ic s,   Instit ut  Te kn olo gi  Bandung .   He  has  int e rest  i n  p ower  ele ct ron ic s ,   power  sys tems,  and   powe r   qual it y .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.