In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  3, S ep 2019,  pp.  1 4 6 9 ~1 4 7 5   ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 3.pp1469-1475          1469     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   A bidirectional resonant convert er based on wide input range  and high efficiency for  photovoltaic application      I b r a hi m Al ha mr o u ni 1 , M.   R. Bi n  Hamzah 2 ,  M o ha m e d  Sa l e m 3 ,   A w an g Ju soh 4 , Azha r   B in  K ha iru ddin 5 ,  T .  Sutik no 6  1, 2   El ectrical  En g i n eerin g  Sectio n,  U ni versit y K u ala Lu mp ur  ( Un i K L   BM I),  Go m ba k   53 10 0,  M al aysia  3  School  of  E l ectrical  and  E l ectro nic E ngineering,  Uni vers iti Sa i n s  M al aysia, 1 43 0 0  Ni bon g   Tebal ,  P u l au P inan g, Malays i a  4, 5   S c hool of E l ectri ca l   E ngi neerin g, Univers iti Te knol ogi   Mal a ys ia , 81 3 0 0  Sk u d a i , Malay sia  6  Dep a rt m e nt  o f E l ectrical Eng ineer ing, Un i versit as  Ahmad  Dah lan ,   Y og yakart a,  I n d o n esi a       Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Dec   1 7 ,  2 018  Re vise d F e b 27,  201 9   Ac ce p t ed  Ap r   2 0 ,  2 019      Th is   w ork   highl ig h t s  a  m odular  p ower  c o n d i ti onin g   s y s t e m  (P CS )  in  ph ot ov olt a ic  ( PV)  app l i cati o n s   w h i ch  c on si st s  with   a   D C-D C   c onv erter.  T he  con v ert e r  i s   a b l e   t o   r egu l a t e  and   amp l if y  t h e  i nput  D C  volt a g e   p r od uc e d   b y   th e  P V   p anal .  The  i m plem en tation   o f   Mos f et   a s  bid i rection a l  s w i tc h  o n   t he   con v ert e r  y i eld s   g reat er  c o n v e rsio n  rati o  and   bett er  v ol tag e   r e gu la tion   t ha n   a   con v en tio nal   DC-DC  step   u p  c o n v ert e r  an d  P W M   res o n a nt  c on vert er .  It  a l s o   redu ces t he s wi tch i ng  lo s s e s  on  th e ou tpu t   D C v o l t age  of   t he co nverter,  a s  the   M O SF ET   switches   o n   p rim a ry   w indin g   o f   co nv erter  s w itch   on   u nd er  Z V S   con d i t i ons .  T h e   p r op osed   r eso n an t  co nv erter  h a s   b e e n   d esig ne d ,   wi t h   t h e   m o d i fi c a t i o n   o f  s e ries   r eso n an t  co nv erter  an d   PW M   bo o s t  c onv ert er  t hat  ut ilizes   t he  h igh  f r equ e ncy   of   A C  b i directi o n a l  swit c h  to   e limi na te   t he   weak ness es  o f   u s ed  c on vert ers.   T h e   t op olo g y   of   t he  p ro po sed   co n verter   in clu d es  t h e   m o d e  o f   o perati o n s,  d es ignin g   p ro cedure  and   c o m p on ents   sel ecti on  o f   t h e   n ew  c o n v e rter  e l e m e nts .   T his  to p o log y   p ro vi des  a   D C   o u t p u t   vo lt age t o  t he i n v erter at  rang e  o f   ab out 1 20 Vac-20 8 V ac.  K eyw ord s :   Bidire ct iona l   Conve r ter   Phot o v o ltic  ( P V )  Po wer   C o n d it iti on g   Sy st e m   (P C S )  Re s ona n t  C onv e r ter  Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   Ibra hi m   A l ha mr ou n i ,   Elec tric a l  Eng i n eer ing  S e cti on,   U n i v ersi ty K ua la  Lum p u r   Brit i s h  M a l a ys i a n Inst itu te  ( U n iK L  B M I) ,  Gom b ak 53100,  Malaysia.   Em ail:  i b r a him . moha me d@u n i k l .e d u .m y      1.   I N TR OD U C TI O N   P h o t ov olt a ic   ( P V )  e n erg y   i s   o ne   o f   t h e  re n e wa bl e   en ergi e s   a v a il a b le  i n  da i l y  l i fe  a s   an  o p t i o n  or   b a ck up   t o  t h e  ot h e r  e l ect ric a l   en ergy   s up ply .   B e s id e s ,  PV  e n e rg y   gener a ti on  c a u ses  no  po l l uti o n  t o   env i ro nm en t  a s   i t  is  g re en  t ec h n o lo gy.   I n   a d d iti o n ,  t h e   PV   e ner gy  usa g e  a nd  dem a nd  ha ve  a c h i e ve d   sign ifica n t  gr o w th  i n  r ece n t   y e a rs  d ue   t o  c onsta n t   r esear ches  a nd   d e v e l o p me nt s  a n d   th e   ci vi lia ns’   awar eness  tow a rds  c l ea n  env i ro nme n t .   P V   e n ergy  is  g a i ne d  b y   h a r n e ssi ng  t h e  so la r  ene r gy  o f   s unl i g h t ’ s   p h o to n  usi ng  P V   m odu les  or   s olar  p a n e l   [ 1,   2 ].   E ac h  P V   m od u l e   has  d i ffere n t   di r e c t   c urre nt   ( D C )  o u t p u t ,   t hus   g ive n   t he  w i de in p u t c u rre n t  ran ge  to th e P o w e r Con d i t i o ni n g  S yste m   (P CS) .  I n  P V   s y s t em ,   P CS  a c t s   as  a n  i nver t e r  th a t   con v er t s   t he  D C  ou tpu t   f r o m  P V   m odule   t o   a lter n a t e  cur r e nt  ( A C ) .  The  PC S  i s   c o nne ct ed  t o   th e   e l ec t r i c   pow er   g r i d  an d   equ i ppe d  w i th  M ax im um  P ow er  P oi n t   T rac k er  ( MP P   T ra c k er ).  T he   pur pose   o f   t h i s  tra c k e r   i s   to   i m p ro ve  t h e   e ffic ienc y  o f   s olar  pow er   g e n e r at io n.  T his  trac k er  h a s   M a x i m um   P ow er   P oi n t   T r a c k in g   (MPP T)  a l gor ithm   to  m axim i ze  the   p o w e r  e x t r ac ti o n   f rom   P V   m odu l e s   u n d e r  c e rt ai n   f act o r s  a n d   c ondi ti o n s  [3,   4] .  Ther e  ar e  3  t ypes   of  P V   P C S   co nfi gura t i o n ;   m o d u l ar ,  str in g  a n d  ce ntr a li z e d .  A m on g  the s e   con f ig ura tio ns,   t h e  P V   P CS   m od ular  t y p e   has  bee n   c on si der e d  as  the   bes t   a nd  c o mm only  u s ed  i n   P V   i n s t all a tio n   b eca u s e  it s  e f fi ci e n cy   i n   h a rv e s t i n g   t h e  en e r gy .  W ha t  ma kes  P V   P CS   m odu l a r  t ype   i s  the   be st   a re   t h e  i m pl e m e n ta t i o n   o f   M o d u l e   I nt e g rat e d  Co nv e r t e r  (M IC)  on   e ach   P V   modu le  f or  M P P T  a nd  i t   v a r ies  i n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  3 , S e p   2 0 1 9  :   146 9   – 1 475  1 470 con n ec tio n  of   o u t pu t   A C   t o  the   gri d   ( c a l l e d   a s  m i cro- i n ve rter)   o r   o u t pu t   AC   t o  out put   D C   (c al l e d   a s   m i c ro - conver t e r)[5].  I n  order   to  o btai n  the  best  from   solar  energy  du e   t o   m an y  fa c t ors  a ffe c tin g  t h e  s u nl i ght,   t h e   mo d u l a r  P V   P C S   h as  t o  work   w it h  hi g h   e f f i c i e n c y   ov er  w i d e  in put   r a nge.  T h ere   a r e  sever a l  e l e c t ro nic  appr oa ches  u se d  t o   m ake  PV   P CS   m odul ar   t ype  w ork i n g   i n  hig h   e ff ic ienc y  co n d i tio n,  a s  e x am pl e ,   f ly bac k   c o nv e r t e r  v a ria n ts,  LLC  c onv e r t e r,  i sol a t e d  Pu l s e   Wi dth   M odul a t ion  (P WM)  co nver t e r   a nd  ser i es  r eson an t   con v er t e r,   t o  me et  t he   r equ i rem e nt  o f  D C -DC  m i cro- co nve rter [6].   T h e s e  k i n d s  o f   a p p r o a c h e s  a r e  t h e  i s o l a t e d   D C -D C  co n v e r ter   type ,  h o w e ver  t h ey  h a v e   sever a l  w e a kne sses  a nd  s u ffe r   s om e  i n a b i lit y  to  m ee t  des i red  ou tc ome .  Be s ide s ,   t h e   h i g h   e f f ic ie nc y ha s t o  be ac hi eve d  b y   me e t i n g   t h e  w i d e   i np ut   vol t a g e   r e qui re me n t ,  ze ro   vo lta ge  s w i tc hi ng  (ZV S )  on  l o w   c i rcu l ate d   c ur rents  a nd  ze ro  c ur re nt  s w i t c hi n g   ( ZCS ) .   ZV S   and  ZCS   ar e  the   proce s s  o f   s w i tch i ng   t urn-o n   a nd   t urn- o ff  of   c o nve rter’ s   s w i t c h   duri n g  z e ro  v o l ta ge   a n d   zer o  c u r r ent   in p u t.  The importa nc e  of t he   c o n v e r t er   a c h iev i ng  Z V S   a nd  ZCS   ar e  to  r e du ce   l osse s  du ri ng   s w i tc h i ng   o p e ra ti on   a nd  pro v i d e so ft   s w i tc hi n g  m eth od  to  r educ e t h e  elec troma g ne tic i n t erference  [ 7 -9] .   Base d   o n   t he   p re v i ous  s t u d i s  of  D C- D C   i s o l a ted  res ona n t   c on ve rt e r   t op ol ogi es,  it   c an   b e   d e sc rib e d  t h at   a l l   t h e  c onv e r t e rs  s uf f e r  th e   d r awb a c k s   in   o rd er  t o   a c h i ev e  t h e  des i re d   out pu t.  H e n ce ,  in  o rder   t o  o b ta i n   hi gh  e f fi cie n c y   o ve r  w i d e   i np u t   r an ge ,  so ft  s w itc h i n g   i n   Zer o   C urre nt  S w i t c h i n g   ( Z C S )   a nd  Zero  V ol ta ge   S w itch i n g   ( ZV S )   c ond iti o n ,  m a ximum   d i rec t   pow er   t ra nsfer   from  s o u rc e  t o   l oa d  a n d  go od   v o lta ge   r e g ula t io n   t h ro ugh   f ix ed  P W M   c o n t r ol ,  t h e  d e v e l opme n t   of   n e w   i so l a t e d   reso na nt  c on ver t e r   i s  co ns idere d [8].   I n  deve l o p i ng  t he  new  iso la ted   reso nan t  c on ver t e r , sever al pro c e ss es ha s  be e n pla n ned   pro p e rly  i n  or d er  t o   a voi d  the  dra w bac k s  and  m a i n tai n ing  the   so ft  s w itc hi n g   a n d   g o o d   v o lta ge   r egu l at i on  a l o ng  t h e  o p era t i on.  T he  proce s se s  c o ns i s t  o f   t h e   s ele c ti o n   o f  t r ans f orm e r   turns  ra t i o,   th e   d e si gna t i on   o f   re sona n t   t ank ,   t ran s fo rmer  des i g n   a nd   d e a d  time   se lect i on  an d  the   mos t   i m por t a n t   t h i ng,  t h e  se l e c t ion   o f   s emico ndu ct o r   d evic e s [ 7 ].  B e si d e s,  t h e   s tu dy  o f p r ev ious  w orks o n  iso l ate d  D C-D C  re s ona n t  c o nve rt ers w a s r eall y  m uch  hel p  i n o r de r to   d e v e lo p  th e   new  i s ol a t ed   r es o n ant   co nv e r ter.  T h i s  i s   b e c a u se   t h e   resea r ch  can  b e n efi t s  the  strengths  and  rela t e s   t h e  c e r t ain   im porta n t   p o i nts  of  t he  p re vious   s tu d i es   i n   t e r ms  o f  t h e  c i rc uit   d e si gn at io n  a n d  mo d e s  o f   opera tio ns.  Th us,   t h e  new   d e vel o p e d   re sona n t   c o nver t e r   o pe rates   m uch   l i k e   c on ve nti o n a l   se ri e s   r eso n a n t   c o nv e r t e r  an d  P W M   bo o s t   c o nv ert e r  [3 ].  T h e   n ewly   p ro po s e d  d e sig n  ha s  se vera l  m o d i fica ti o n s   to  t h e   con v e n t i ona l  se ries  r esona nt  c on ve rter,   LL C  c o n v er t e r  an d  P W M  b oo st  c on verter ,  in  o r d e r   t o  ob ta in  t he  h ig h   efficiency over wide  input  r ange under fixed-frequenc y  con t rol  [1 0 - 12 ].  O n e   o f   th e   sign if ic a n t   ch a n g e s   on  the  pro pose d   c irc u it  i s   a d d i ng  bidire c tio na l   A C   s w itc h  o n   s ec on dar y   w i n di n g   o f  c i rcu i t.  T he  b idire c t i on a l   A C   sw it c h   i s  MO S F ET  (Me t a l   O x i de  S e m i c ond uc tor   F i e l d  E ffec t   T ra nsi st or).   T he   pur p o se   o f  a d d i ng   bi dire ct io na l  A C   s w i tch  o n   s e c o n d ary  w i n d i ng  is  t o  ut i l iz i ng  i t s  h i g h   f re que nc y  for  r e gula t ion  ca pa b i l i t y   o f  t h e  o u tp ut ,  e ithe r   t h e   o u t p u t   has  lo ad   o r  no  lo a d   by  u s in g  P W M   b o os t  c o n v erter   de sig n   a nd   o pera ti on   c once p t   [4,   1 3 ,  14].   Be si des,  it  he lps  to  m ax imiz e  t h e  d i re ct  p ow er   t ra nsfe r  fr om  s our ce  to  l oad   and  pro v i d i n g   go o d   w i de  r an ge   o f  re gu l a t i on   i n  i t s  oper a t i on,   t hus   i nc rea s ing   t h e   co nv e r t e r’s  ef fi ci en cy   [ 15 -18 ] .  Th e  p a p e r  su gg e s t s   t h e   p ro po sed   co nv erte r  sh a l l   p r o v i d e  t h e  hi gh   D C - DC   v o lta ge  c o nve rs ion  r a t i o,   r egu l ates  t he  o utp u t  trans f or me r  vol t a ge  a n d   r educ e  the  sw i t chi n g  l o sses  w h en  M O S F E T   s w i tc he s  o n   prim ary  w i n d i n g  o f   con v er t e r’s  t ra nsform er  achi e ve   Z V S .   The   new   pro pose d   r eso n a n t   c o n v e r ter  has   be e n   d es ig ne d,  w i t h  t h e   modi fic a t i on  o f   s e r ies  resona nt  c on ve rter  a nd  P W M  b o o st   c o n ve rt er  t hat  ut iliz ize s   t he   h ig h  fr eq ue nc y   of  A C  bi dire ct io na l  s w it c h   t o  o v erc o me   a ll  w e ak n e sses  of  p re vio u s  t y p es  o f  co nver t e r s.  T he  t op o l o g y   o f  pro pos ed   con v er t e r  inc l ude s  t h e  m o d e   o f  ope rat i o n s ,  desi gn i n g   p r oce dur e  a n d   co mp on e n t s   s e l ec ti on   o f  t h e  n e w  pro pose d  r eson ant c o n v erter .       2.   CIRCUIT CO NFIGRAT ON  A N D  OPERATI O N  MODE S     The  prop ose d   i sola t e d  r e so na nt  c o nver t e r   h a s   8   m od es  o f  opera t i o n s.  T he  c on ve rter  c onsis ts  o f  4   MO S F ETs  N -Cha nne l  o n   t he   p r i m a r y   w in di ng  of  t ra nsfor m er  t o  m i t i ga t e   t he  s w i t c h  c o un t   as  t he y  form   a   f ul l   bri dge  s w i tc h  netw ork,   S 1,  S 2,  S 3  and  S 4 .   The   a ddi ti o n al  o f  tw o   d r a in-c on nec t e d   o f  MO S F ETs  a t  t h e   seco nda ry  w indi n g   o f  tra n sfo r mer  as  b idire c t i o nal  sw i t ch,   S 5   a l l o w s   t he  c onve rter   t o  op era t e  in  c o nve nti ona l   series  r e s ona n t   c on v e rter   m od e  duri n g  O F F   c o n d i t i on  a n d  P W M  b o o st   c o nve r t er  m ode  d uri ng  O N   c on d i t i on.  T h e   i n d u c t o r  L r   a t  t h e  s e c o n d a r y   w i n d i n g  t r a n s f o r m e r  e i t h e r  c a n   b e   a  r e sona nt  i n duc tor   o r   a   l e a k ag e   in duc ta nce .  Th e   n  an d  Lm   fr o m  the   c ir cui t   r e p r e s e n t  the  t ur ns  r at io   a nd m a gne t i z i n g  in d u cta n c e . The r e so na nt   in duc t o r ,   L r  al on g  w ith  o u t p u t   r esona n t   capa c it ors,  C r 1   a n d   Cr2   d et erm i ning  the  series  r e s on a n t   fr eq uen c y,  f r   for  t h e  sw itc h  netw or k   o p er a t i on.   T h e   L m  val u e  is  l ar ger  tha n   L r,  w hi le   t he   o ut p u t  c a p ac it or,   Co  v a l ue  i s   l a rg er  t h a n   C r 1  an d   C r 2   co mbi n ed ,  wh i c h   al so   o n e   o f   t h e   f act o r   t h a t   a l l o w s  t h e   con v e rt er  t o   op era t e   in   s eri e s  resona nt  m o d e   dur ing   S 5   i s  O F F .   T he  u t i l i zati o n  of   P CS   i n   P V   a p p l i c a t io n  st ep s  u p   t h e   l o w   v ol t a g e   i nt o  hi gh  vo lta ge. Besi de s,  t he   i so la ted   D C   –   D C  c o n v er t e r  type   p ro vi des  t h e  i s o l at io n  betwe e n   s o u rc e  an d  loa d s  whic h   is  n ec essary.   O t her   t h an  t ha t ,  it a l s o  tr acks  th e   m a ximum   pow e r  poin t  of P V  m odu l e  e ffe c tive l y.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A bi dire c t i ona l  re sonan t  co nv erter  b a se d on  wide  in pu t ra n g e  an d … ( I bra h im   Al ham ro u n i)   1 471     F i gur e 1.  The  circ u i t   c o n fi g t at ion  o f  the  pro p o se d  con v erte r       2.1.   Mod e   1 an d  mod e  5  The  c i rc u i t  o p e r ates  i n  P W M  boos t  mo de .  The  p o s i t i ve  v ol tage   i s   g e n era t ed  w he n  sw i t c h   S 1  a nd  S 4   are   O N   dur i n g  Mo de  1 .  O n   t h e   o ther   h a n d,  t he   s w i tc h  S 2   a nd  S 3   g en era t e s   t h e   n e g ati v e   v o lt ag e  du rin g   M ode  5  w h e n   b o t h  ar e   O N .  Bidirec tio na l  sw i t c h ,  S5  i s  O N .   T he   s e c on da ry  w in d i ng  of  t rans for m e r   i s  shorte d  d u e   t o   nea r l y   zer o  c u rre nt   a n d   vol ta g e   acr oss   lea k a g e  i n d u c t anc e ,  Lr   a n d   c a p ac it or  C r1.  D u r i ng   t he  M o d e  5,   t he   S 2   and  S 3  a re  ON  and ge nera t e  t he  n ega t iv e  vol tage .       (a)   (b)    F i g u r e   2 .   O p e r ati o n m odes ;  (a )  mode  1,  and   ( b ) m ode  5       2.2.   Mod e   2 an d  mod e  6  Th e   ci rcui t   op era t es   a s  c onv en tio n a l  s e ri e s   r e s on a n t   con v e rt er  as  t he  b id i r ecti o na l  swi t c h ,   S 5   i s   OFF.  The  re sona nt  i nduc tor,  L r  ha s  bee n   c ha rge d   c om pl e t e l y  dur in g  pr e v i ous  s t a g e s   (M ode   1   a nd   M od e  5 )   a nd  di sc harge d  af t e r  enteri ng the s e   stage s   t hrou g h  t he capa c i to r   du o, Cr1 a n d  Cr2. Whe n  th e   sw itc h S 1  a n d  S 4 ar e  O N   duri n g   Mo de  2 ,   the   c o n v e r t e r   ope ra tes  i n   pos it ive   d u t y   cyc l e ,  wh il e   vi c e   v e r s a   w h e n  S 2   a nd   S 3  a r e  ON  dur in g M ode  6 .    2.3.   Mod e   3 an d  mod e  7  The  c o n v er t e r opera te s in  i dle   mode .  D u rin g   t he se   s t a ges,   t h e   c ur rent  o f   i n duc t o r  Lr  d ec li nes t o   z e r o.   Be s i de s,  t he re   i s  no  dir ect  pow er  t ran s fe r   betw ee n   s our ce   a nd   l o a d s   a s  th e  co nv erte r  wo rk s  wi t h   f ix ed   fre que nc y.   A lso,  t he  z ero  vo lta ge   s w itc hi n g   ( ZV S)  i s  a c hie v e d   o n  the   prima r y  w i nd in g  an d  ze ro  c urrent   swi t c h i n g   (ZCS)  i s   a c h i e v e d  o n   t h e  sec onda ry   w i n d i n g .   T h e   u til i ze d  s m a l l  curr en t  a l l o ws  t he  c o n v e rte r   t o   opera te c l o s e  t o ser i e s  re s on a n t fr eq ue ncy.     2.4.   Mod e   4 an d  mod e  8  These   sta g es   a re  t he   d e a d   tim e  peri o d   o f  t h e  c o nver t er .  The  m a g ne t i z i n g   in duc tor,  L m  has   t h e   ma ximum   curr ent  va lu e   to  s up p l i e s  t h e  c o nv e r ter  dur in g   Mo de  4 .  Th e  S 2   a n d   S3   a re   t u r n   on   unde r  ZV S   con d i t i on.   D ur i n g  M ode   8 ,   t h e   S 2   a n d   S 3  a r e  in itia l l y   o ff.  T he  cu rre n t  i n   L m  rea c h es  i t s   m in i m u m   v al u e ,   cha r ges t h e   par a sitic  c a p ac i t an ce  of S2  a nd  S3 a nd d i sc har g ing  th ose  of  S 1 a nd S 4 .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  3 , S e p   2 0 1 9  :   146 9   – 1 475  1 472 (a)   (b)    F i g u r e   3 .   O p e r ati o n m odes ;  (a )  mode  2,  and   ( b ) m ode  6       (a)   (b)    F i g u r e   4 .   O p e r ati o n m odes ;  (a )  mode  3 ,  and   ( b ) m ode  7       (a)   (b)    F i g u r e   5 .   O p e r ati o n m odes ;  (a )  mode  4 ,  and   ( b ) m ode  8       3.   PROPO S E D  CONVERT ER PARAMET RES   DESIGN   The   co n v er t e r  als o   d es ig ne d  t o   p ro duc e  o u t p ut  pow er  o f  35 0W.  A s  t h e  i n v e r t e r   i s  a b o u t  t o   p r o d u c e   ma ximum   ou tpu t   A C  vol ta g e   o f  230V ,  th e  con v er t e r  al s o   e x p ec ted  to  p ro duc e  D C   vol ta ge   o f  325 V .   T he  sw it c h i n g  ti m e ,   Ts  i s  se t   a t   6 0µs  a nd  sw i t c h i n g  fre q ue nc y  is  s e t  a t   1 7  kH z  w h ic h  ba sed  on  L L C  re son a n t   con v er t e r  t o po l o g y   i n  [1 3].   In  d es i g nin g   t h e   r e s ona nt  t a nk,   f ir s t  t h i n g   f i r s t  i s   c h o o s i n g   t h e  l a r g e  v a l u e  o f   resona nt  i n d u c tor,   L r.  T h e   i nte r nal  re ac ta nce   o f   r eso n a n t   i n duc t o r,  X Lr  a nd  r e so na nt   c a p a c it or,  X C r  i s   s et  a t   12.9 4 Ω   w h i c h   a ls o  ba se d  on  LLC  r eso n a n t  c o n v erter   t opo lo g y .  The  l a r g e  L r   v a l u e   i s   n e c e s s a r y  f o r  M o d e   1   and   M ode   2   t o  la st   l o nge r  tha n   M o d e  3.  T h i s  is  b e caus e   t her e ’s  no  p o we r  t r ans f er   f rom  loa d   t o   so urce   i n   Mo de  3   b esi d es  b y  min i mi z i n g   t h i s  o p e r ati o n  m o de  p e r io d,  i t   w i l l   i n cre a se   t h e   e ffi c i en cy   o f   p o w er  con v er sio n .   The  value  o f  Lr   can be   dete rmi n ed  a s  ;     Lr       ( 1 )     Mea n w h ile,   th e   r e sona nt  c a p a c i t o rs,  Cr1  and  Cr 2  a r e  c hose n   b ase d  o n   t he   r eso n an t   fre que n c y   nee d e d .  H o w e ve r,  t he   r i p ple  vo ltage   a cros s   th ose  capa c itor s   c a n n o t   e xc e e d  the i r   ow n  D C   v o ltage .  T h e  D C   vo lta ge  v a l ue  o f  the  c a p ac it ors  is  h a l f  of  t he  o u t pu t   vo l t age   v a l ue.  Th e  vo lta ge  s tre s s  a c ross  S 5   a nd  th e   resona nt   c a p a c it ors ca n be  re du ced  b y selec t ing  the   l o w e r   Cr va l u e .   T he Cr  value  can  b e d e term ine d  a s ;  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A bi dire c t i ona l  re sonan t  co nv erter  b a se d on  wide  in pu t ra n g e  an d … ( I bra h im   Al ham ro u n i)   1 473 Cr    ( 2 )     O n  the  o ther  h and,  t he  r eso n a n t fr eq ue nc y, F r  of the  c on ver t e r   b a sed on  Cr  is de t e rm i n e d  as  ;     Fr    ( 3 )     I t   i s  mor e   i m porta nt  t o  c hoos e   suita bl e   val u e  of  m agne tiz ing  in d u ct a n ce,   L m   to  o b t a i n  the  des i red   ou tc ome .   S til l ,   c h oos ing   t h e  la rger   v a l ue   o f  Lm   over  Lr  i s   ne ce ssar y   t o  c o m p en sate  t he  c irc u la ti ng   c ur re nt  o n   prima r y w i nd i ng, t h u s m a x i mizin g  t h e   p o w er   t ra nsfer fr om sour ce  to l o ad bes i d es  i nc r easin g  t h e   e ffi cienc y  of  pow er   c o nvers io n.  T he   L m  is   20  tim es  b i g g e r  tha n   v a l u e   o f  Lr .  L a s t  b u t  no t   lea s t ,   i f  t h e   inp u t  v o l t a g e  of  t h e   con v er t e r is gr e a t e r  t ha n t h e nom i n a l  v o l tag e ,   the S5 d u t y  cycl e   bec o me s ze ro a n d  t he P W M  from   t h e   prim ary   side   s w itc hi n g   w i l l   p rov i des   the   c o nve rsi on  r a t i o  t h a t   l e ss  t h a n  th e   se ri es   r e s on an t   co nv e r t e r.  I f   th e  i n put   vo lta ge  o f  the   con v er t e r  is  l e ss  th an  t he  n o m inal  v ol t a ge,  t h e   u til iza t i on  of  b i d irec t i o n a l   s w itch  w i l l   p rov i d e   the c o n v ersi on  ra t i o  t h a t   g rea t er  t ha n ser i e s  re s ona n t  co nve r t e r.  The  numbe r of turns,  n c a n be  expr esse d a s  ;    n      (4 )       4.   RESULT S   A N D  DISCU SSIO N   The  si m u la t i o n   o f  t h e  co n v ert e r   is  done   b y  MA TLA B  20 1 6b  ve rsi o n .  Th e  c o n v erte r  wa s  de si g n ed  a s   sug g es t e d  in  p r e vi ous  c sec t io n.  B y  usi n g  t h e  m a them atica l   f or mu la  s how n  i n   p rev i ous  s e c ti o n ,  the  c o n v e r ter   w a s  de sig n e d   t o  ful f ill  the   re qu ire m e n t   to  p r o d u ce  D C   o u t pu t  vo l t a g e  t o   b e  in ve rte d   b y   the   inve rter  f or  A C  ou tpu t   v o l ta ge   r ange   1 2 0 V a c   -  2 30V a c .   With   t he   i m p lem e nta t ion   o f  M O SF ETs  a s  bi direc tio na l  sw i t c h   o n   seco nda ry  w in di n g ,  th is  h y b rid  c o nvert er   y i e ld s  gre a ter  co nve rs i o n  rat i o   t ha n  c o n v e n t i ona l  s t e p   u p  D C - D C  con v er t e r  an d   PWM  bo os t   c o n v erter   wi th  s ma l l e r   t ransform er   t ur n s  ra ti o  a nd  s m all e r  re sona nt   t an k   para me ters.   The   co nve r t er  w as  d esi gne d  to  h ave  the  in pu t  v o lta g e  a t   r ange  1 5V   t o   50V .  H o w e ve r,  t he  c o nv e r t e r  mu st   h av e   n o m i n a l   i np ut   v olt a g e   o f   30 V  a n d   le ss  t o   b e   o per a ted  u nder  t h e   norma l  A C   s w itc h   opera tio n  i n   o rde r   t o  be  p ro d u ced  b y   i n ve rt er  f or  A C  ou tp ut   vol tage   o f  1 20V a c   –   2 3 0 V a c.  T hus  t he   c hos e n   nomi n a l   i n put  v o lta g e   i s  3 0 V .   F igure   6  sh ow s  t h e  me asure d   g a t e   vo lt ag e   an d   col l e cto r   vol t a g e   o f   all   swit c h es  (S 1  –  S 4 )  at  f u l l   l o a d   c o n d i tio n.  T he   c o l le c t or   v o lta ge   V D S   d ro ppe d  to  z ero,   b e f ore   the   s w itc hes  w e re  t urne d   on.  T h u s,  a l l   t h e  sw itches  w e re  turne d  on a t   Z V S .          F i gur e 6.  Mea s u r e d  w a vef o rms  of the  ga t e  v o l ta ge a n d  dra in   volt ag e fo r ea c h  swi t c h   se p a ra t e ly      A s   t he   4   p ow e r   M O S F ETs  s orte d  as  f u ll- bri dge  s w itc h   on  prima r y  wi nd i n g   of   t he   c o n v e rt e r ,  th e   t r a n sf o r mer  o u t put   v olt a g e   p ro du c e   vol t a g e   p e a k   to   p eak  A C   340 . 6V   from   t h e   3 0 V   in put   v o l ta ge .  Th e   trans f or me r  outp u t   vol ta ge   p eake d   a t  m a xi m u m  va lue  1 7 1 .8V   and  m ini m um  v alue  - 168. 9V   a s  sh o w n  in   F i gure   8.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  3 , S e p   2 0 1 9  :   146 9   – 1 475  1 474     F i gure  7.  T ransfor m e r  out pu t vo l t a g e  V t o           F i gure  8. Me a s u red  w a ve form  of  re sona nt   i nduc tor   cur r ent  iL r           F i gure   9.  O utp u t  v o l ta ge  V o       Wi t h   a no t h er   i nsta llm en t  o f   M O S F ETs  on  sec onda ry  w i n di n g   o f  c o n ver t e r   a s  b i dire c t i ona l  sw it c h ,  t h e  t r a n sfo r mer  o u tp ut   v o l t a ge  i s  re gu l a t e d   an d  boo st ed .  Th u s ,  pr o duce   t h e  D C   v o l tage   o utp u t   of  3 2 7 . 7 V   as   show n  i n   F igu r e  9 .   T he   s w i t c hi n g   l osse s  w e re  cause d  b y   t he   e le m e n t   calle d  para sit i c  capa c i ta nce .   T h i s  elem en t  is  una vo ida b l e   w he n   the  trans i s t or s,  d io des  a nd  o t her  c om p one n t s  t h a t   h a v e  i n te rnal  c a p ac ita n c e  are   draw   c l o se   t o  e a c h  o t he r  i n   t h e   c irc u i t .   The   pro pose d   c on v e rter   a lso  ha s  s w itc hi n g   l osse s  but  it  w a s  to o  sma l l   t o  b e   c o m p a r e d  w i t h  s t e p   u p   D C - D C  c o n v e r t e r .   T h i s  i s   b e c a u s e   H R C   ha s  th e   att a ch me n t   o f  M O SFETs  o n  seco nda ry  w i n di n g   t o  re d u ce   t he  s w itc h i ng   l osse s.   I n  this   c on te s t ,  the   pr op ose d   c o nve rter   i s  mor e   r elia b l e   than step  up DC-DC converter.        5.   CONCL U S ION   The  pr op ose d   r esona nt  c o n ve rter,   H RC  ha s  pro v en  t ha t  it  ca n  y i e ld  h ig h e r   conve rs ion  rati o  o f   t he   vo lta ge   t ha n  a ny  o t h e r  r e son a nt  c o n v er t e r,   b es i d e s   r e g u l a t in g  t he   t r a nsfo rm e r   outp u t   v olta ge  t o  pro v i de   a   sufficie n t v o lta ge   s u p p l y  for   t he in v e r ter i n   t he P V   syst e m .   I n   a d d i t io n ,   t he  desi g ned D C - D C co nver t e r  is abl e   to   t rac k  the M P P   o f P V  pane l s w h i l e   oper a t i ng u nder th e differe nt  i npu t   vo l t a g e s.  T hu s ,   H RC  h as  f ul fi ll ed  t he  criter i a   a n d  g o a ls.  Th e imple m enta ti o n   o f   t w o M O S F ETs  a s  b i dire c t i ona l  sw itc h  o n  t he   s e c o n d ary  w i n d in g of  con v er t e r’s  t ra nsf o rm er  h a s   a lso  he l p e d   r ed uc in g  sw itc h i n g   l oss e s   t hat   o c cur  a f ter  t h e  f u ll  bri d ge  M O S F ETs  on  the  prima r y  w i n d i n g   a ch ieve s  ZV S .   A lth o ugh  H R C  has  8  di ffere n t   m odes  of  o p e ra t i on,   t he  s u ita b l e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A bi dire c t i ona l  re sonan t  co nv erter  b a se d on  wide  in pu t ra n g e  an d … ( I bra h im   Al ham ro u n i)   1 475 i n j ecti o n   o f   s wi t c hi ng   fre qu e n c y   o n   th e   MOSFETs  m a d e  th e  co nv er t e r  swi t c hi ng   t he   m o d e   a ft e r   m od e   v e ry   fa st  a nd  sm o o t h.  A fter  a ll,  H R C   i s  the bes t   r esona nt  D C-D C   c o n v erte r  to be  imp l em en te d  o n   m od u l ar  P CS  o f  P V .   I n  t h e  f u t u r e ,  H R C  a n d   t h e   i n v e r t e r  c a n  b e   c o m b i n e d  t o g e t h e r  as  o n e   p art  in  m o d u l ar  P C S .  It  w ill  be   a   D C -A C  c o n v e r t e r,  t hus  r ed u c in g  t h e  c o m p one n t s  a n d  c o s t   t o   be   u s ed.  F u rt her   re sear ch  a nd  deve l o pm ent   o f   the  r ecom m e n d ed  p r o j e ct  w i ll  be  c o n s i de red.   W it h  o n e   con d i t i on,   t he  c on verte r   m us t   pro d u ce  su fficie n t   ou tpu t   vol ta ge  to u t ili t y  grid  w i t h   goo d  vo lt age   re gu lat i on.       ACKNOW LEDG E MEN T S  The   a u th ors  w o u l d  like   t o  e xpr ess the i r  grat itu de  to U n iv er siti  K ua l a  Lum pur for su p p o rt in g an d  fu n d i n g th i s   r ese a rc h un der  grant  N o .  str18 0 05.       REFE RENCES  [1]   A.  C i o cia,   V .  A .   B oi cea,  G .  Ch i cco,  P .   D i   Leo,  A .  Mazza,  E .  P o n s,  e t  al .,   " Volt ag e  Control  in  L o w -Voltage  G rids   Us in g   D i stri buted   P ho to volt a ic  C o n v e rters  and   Cen t rali zed  D ev ic es, "   IEEE Trans a cti ons   on  Industr y  App licat i ons,  vo l.  55,   p p .   2 25 -237 ,   2 01 9.  [2]   I.  A lha m rou n i ,   M .  Rah m at,  F .   I smai l ,   M .  Sal e m,  A .  Jusoh , an d   T .   S u t i k n o ,   " D e sign  and  dev e lop m ent   of  SE P IC  D C- DC  b oo st  c onv erter  f o r  ph oto volt a ic  a p p li cati o n , "  In te rn atio na l J o u r n a l of  Po we r E l e c tron ic s an d Driv e  S y ste m s   (I J P E D S ) ,   vol.  1 0 ,   pp .  4 06-4 1 3 , 2 01 9.   [3]   M .   A .   G .  D e   B r i t o ,  L .   G a l o t t o ,   L .  P .   S a m p a i o ,   G .   d .   A .   e   M e l o ,   a n d  C.  A .  Ca ne si n,  " Ev a l ua t i o n   o f  th e   ma in   M P P T   tech niq u es   f or  p h o t o v o lt aic  ap pli cati ons,"  IEEE transac tion s   on  industrial e l ect ronics ,  v o l .   60 ,  pp .   11 56 -11 6 7 ,   20 13 .   [4]   T.   E sram   a n d   P .   L.   C h a pm an,   "Com p a ri so n  of  p hot ov oltaic  a rray  m axi m um   p o w er  p o i nt   t racki n g   t echn i qu es,"  IEEE Transac t i ons  on energy con version ,   v o l . 22 ,   p p. 4 39 -44 9 ,   20 0 7 .  [5]   T .   L a B e l l a ,   W .  Y u ,  J . - S .  J .   L a i ,   M .   S e n e s k y ,  a n d   D .   A n d e r s o n ,   " A  b i di rectio n a l - sw i t ch -bas ed  w id e-in pu t   ran g e   hi gh -effi c ien c y  is olat ed  r eso n ant   co nv erter  fo r  p h o t o voltai c   a p plic ati o ns ,"  IEEE   t r a n s a cti ons on   power elect ro nics,   vo l.  29,   p p .   3 47 3 - 34 84 ,   2 014 .  [6]   M .  S a l e m ,   A .  J u s o h ,   N .  R .   N .  I d r i s ,   T .   S u t i k n o ,   a n d  Y .   M .  Y .   B u swi g ,   " P h as e-sh if t e d   S e ries   R e s on ant   Conv erter   with   Z ero  Voltage  S w it ch i n g   T u rn-o n  and   V a riab le  F requ e n cy  C on t rol , "  Inter n a t i onal  Jou r n a l  of Po wer  El ectro n i cs  a n d   Dr ive S y s t ems   ( I JPED S ) ,   vol.  8 , p p.   118 4-1 1 9 2 ,  201 7.   [7]   R .  B e i r a n v a n d ,  B .   R a s h i d i a n ,  M .   R .  Z o l g h a d r i ,  a n d  S .   M .  H .   A l a v i,  " A  de sign   p ro c e d ure  fo r  op timiz in g  th e   LLC   reso nant   c on verter  a s   a  w i d e   outpu t  rang e  vo lt a g e  so urce, "  IEE E  T r a n sa c t i ons on Po wer  El ectr o n i cs ,   vo l.  2 7,  p p .   37 49 -376 3,   2 0 1 2 .   [8]   R .  B e i r a n v a n d ,  B .   R a s h i d i a n ,   M .   R .   Z o l g h a d r i ,   a n d   S .  M .   H .  A l a v i ,   " U s i ng  LLC  reso nan t   c on vert er  f o r   d esi g n i n g   wi de-rang e vo lt a g e s o u r ce,"   IEEE  T r a n s a c t ions  on  Indu stri al El e c tr oni cs ,   vol.  58,   p p .   1 746 -17 56,  20 1 1 .   [9]   M.  S al em,  A.   J u s oh ,  N.  N .   Idri s,   T .  Su tikn o ,   a nd   I .  Ab i d ,  "Z VS   F u ll  Brid ge  S eries   Reso nan t   B oost  Co nvert er  w ith   S e ries -Co n n ected  T ran s f o rm er,"  In tern atio nal Jo ur na l of Power El ectr o n i cs  an d  D r i ve Sys t ems ,   vol .   8,   p p.   8 1 2 - 82 5,   201 7.   [10]   H .   H u ,  X .   F a n g ,   F .  C h e n ,   Z .   J .  S h e n ,  a n d  I .   B a t a r s e h ,   " A  m o d i f i ed  h igh - effici ency  L LC  c o n v e rt er  w ith   t wo   tran s f orm e rs   f o r   w id e  i n p u t - vo l t ag e  r a n g e   app l i c at io ns ,"   IE E E  Transactions on  Pow e r Elect roni cs ,   vo l.   2 8,   pp.  19 46 -196 0,   2 0 1 3 .   [11]   B. -G.   Ch un g,  K .-H.   Y o o n ,   S .  P h u m ,  E. -S.   Kim,   a nd   J . - S.   W on ,   "A  no vel   LLC  res o n a nt   c onv erter  f o r  wid e   i n p u t   vo lt age an d l o ad  r ange, "  i n  8 t h   Internat io nal  Conferen c e  on   P o w er El ectron i cs -ECCE  A s i a, p p .   2 8 2 5-2 8 3 0 . 2 01 1.  [12]   H.  C hoi  a nd   P .   C.  T eam,  "Desi g n   co ns iderat io n s   f o r   a n   L L C  res o n ant   co nvert er,"  i n  Fairch il d Po wer  Semi na r ,   pp.   82 -3.   200 7.   [13]   W .  Y u ,  B .   Y o r k ,   a n d   J . - S .   L a i ,  " Inductorless   f or w a rd-f lyback  s o ft -switch i n g   c on vert er  w it h  du al  c o n st ant   on-tim e   mo du la tion   f o r   p ho tov o l t a i c   a p p l ic a tion s , "   i n  20 12   IEE E  E n ergy  C o nversion   Congress and E x position   ( E C C E ),  20 12 ,   p p .   3 54 9-3 555 .   2 01 2.  [14]   Z.   L i a ng,   R .   G u o ,   J .   Li ,   an d  A.   Q .   H u an g,   " A   hig h -effi c i ency   P V   m o d u l e-inte g r ated  D C/ DC  c on verter  f or  P V   energ y  h arvest  in F R EEDM  s ystem s ,"   IEEE   T r ans act i ons on  Power   El ectr onics ,  v o l. 2 6,  p p.  89 7 - 9 09 , 20 1 1 .   [15]   I .  A l h a m r o u n i ,   W .   I .   H a n i s ,  M .   S a l e m ,  F .   M .  A l b a t s h ,   a n d   B .  I s m a i l ,   " A p p l i c a t i o n   o f  D C - D C  c o n v e r t e r  f o r   E V   bat t ery  charg e r  us in g  PWM   t echn i q u e  an d  hy brid   r es on ant, "   in   2 0 16   IE EE  Int e rnat ion a l  Co n f erence  on  P o wer  an d   Energy ( P ECon ) ,  p p .   1 3 3 - 13 8.  2 01 6.  [16]   M .   S a l e m ,   A .  J u s o h ,   N .  R .   N .  I d r i s ,   H .  S .   D a s ,  a n d   I .   A l h a m r o u n i,  " Res onan t   p o w er  c o nvert er s  w i t h   r espect   t o  pas s i v e  sto r age  (LC)  e lem e nts  and   co ntro l  tech niques – A n   o v e rvie w,"   R e newab l e  an d Sus tain ab le  Ener gy Revi ews ,   vo l.  91,   p p .   5 04 -520 ,   2 01 8.  [17]   I.  A lha m r o u n ,  M.  S ale m ,  A .   J uso h ,  N.  R .  N .   I d r i s ,  B .   I sma il,  a n d  F.  M .  Alb a tsh,  " Co mpa r is on   o f  two  a n d   fou r   sw it ches  i n v ert e r  f eedi n g   s e ries   r es on a n t  con v ert e r, "   in   2 01 7  IEEE Con f eren ce  o n  En e r gy Con version  ( C E NCON ),   pp .   3 34-3 3 8 .   2 0 1 7.   [18]   M .  S a l e m ,   A .  J u s o h ,   N .  R .   N .  I d r i s ,   a n d   I .  A l h a m r o u n i ,  " C o m p a r i so n  of   L CL   r eso n an t  co n v ert e r  wi th   f ix e d   f r equ e ncy,   a nd  v a riab le  f requ ency  c o n t r ol lers, "   i n  2 017   IEEE Co nfer ence o n  En erg y  Conv er si on  ( CE NCON ),   pp.   8 4 -8 9. 2 01 7.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.