I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8 ,   p p .   1 2 2 3 ~ 1 2 3 9   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v9 .i 3 . pp 1 2 2 3 - 1 2 3 9        1223       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JP E DS   An  O v ervi ew  of B idirectiona l A C - D C Grid Co nn ecte Co nv erte r To po lo g ies for Lo w  Volt a g e Ba tt ery I nteg ra tion        K a s pa rs K ro ics 1 O leks a nd H us ev 2 ,   K o s t ia nty n T y t el m a ier 3 ,   J a nis   Z a kis 4 O le ks a nd r   Velig o rsk y i 5   1, 4 In stit u te o f   In d u strial  El e c tro n ics   a n d   El e c tri c a E n g in e e rin g ,   Rig a   T e c h n ica Un iv e rsit y ,   Latv ia   2, 3, 5 De p a rtm e n o f   Bio m e d ica Ra d io e lec tro n ics   A p p a ra tu s a n d   S y st e m s,  Ch e rn ih iv   Na ti o n a Un iv e rsi ty   o f   T e c h n o lo g y Uk ra in a       Art icle   I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   A p r   11 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   J u l   2 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   A u g   6 ,   2 0 1 8       Ba tt e r y   e n e rg y   sto ra g e   s y ste m s   a re   b e c o m in g   m o re   a n d   m o re   p o p u lar   so lu ti o n   in   th e   h o u se h o l d   a p p l ica ti o n s,  e sp e c ially ,   in   c o m b in a ti o n   w it h   re n e wa b le  e n e rg y   so u rc e s.  T h e   b id irec ti o n a A C - DC  p o w e r   e lec tro n ic  c o n v e rter  h a v e   g re a i m p a c t o   th e   o v e ra ll   e ff i c ien c y ,   siz e ,   m a ss   a n d   re li a b il it y   o f   th e   sto ra g e   s y ste m .   T h is  p a p e re v ie w s   th e   li tera tu re   th a d e a ls  w it h   h ig h   e ff ici e n c y   c o n v e rter   tec h n o l o g ies   f o c o n n e c ti n g   lo w   v o lt a g e   b a tt e ry   e n e rg y   sto ra g e   to   a n   A d istri b u ti o n   g rid .   D u e   to   lo w   v o lt a g e   o f   th e   b a tt e ry   i so late d   b id irec ti o n a A C - DC co n v e rter o a   d e d ica ted   to p o l o g y   o f   th e   n o n   iso late d   c o n v e rter  is  re q u ire d .   Re v iew   o n   sin g le  sta g e ,   t w o   s tag e   p o w e r   c o n v e rters   a n d   in teg ra ted   so lu ti o n s a re   d o n e   i n   t h e   p a p e r.             K ey w o r d :   AC - DC   p o w er   co n v er ter   B atter y   s to r ag e   B id ir ec tio n al  co n v er ter   P o w er   elec tr o n ic s   co n v er ter   Sin g le  s ta g co n v er ter     Co p y rig h ©   201 In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Kasp ar s   Kr o ics   I n s tit u te  o f   I n d u s tr ial  E lectr o n ics an d   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   R ig T ec h n ical  Un iv er s it y ,   1 2 /1   A ze n e s   Stre et,   R ig a,   L at v ia.   E m ail:  k asp ar s . k r o ics @ r t u . lv       1.   I NT RO D UCT I O N   B atter y   en er g y   s to r ag e   s y s te m   ( B E SS )   i n te g r atio n   in to   AC   g r id   allo w s   b etter   u t iliz d if f er en t   r en e w ab le  en er g y   s o u r ce s   i n   t h r esid en tial  elec tr ic  s y s te m   an d   th er ef o r b ec o m es  m o r an d   m o r p o p u lar .   On ap p r o ac h   is   to   co n n ec r en e w ab le  s o u r ce s ,   e n er g y   s t o r ag es  an d   D C   lo ad s   to   th e   co m m o n   DC   b u s   in ter f ac ed   to   t h u t ilit y   g r id   th r o u g h   ce n tr alize d   b id ir ec tio n al  AC - D C   co n v er ter   [ 1 ] .   I n   th at  ca s th e   in d iv id u al  DC - AC   co n v er ter s   f o r   ea ch   s o u r ce   ar eli m i n ated   th u s   i m p r o v in g   o v er al ef f ic ien c y .   Oth er   ap p r o ac h   is   to   c o n n ec ea ch   B E SS   th r o u g h   s ep ar ate  b id ir ec tio n al  DC - AC   co n v er ter   to   th e   A C   g r id .   I n   s u ch   a   ca s ef f icie n c y   is   lo w er   b u th s y s te m   b ec o m es  m o d u lar ,   th B E SS   ca n   b in s talled   in   a   s i m p le  w a y ,   it  ca n   b co n n ec ted   to   th e x i s ti n g   s o lar   p an el  o r   p h o to v o ltaic  s y s te m   o r   ev e n   to   s to r e n er g y   f r o m   th g r id   at  t h e   n ig h t   w h en   th e   p r ice  o f   elec tr i cit y   i s   lo w   an d   u s e   i t d u r in g   t h d a y   ( Fi g u r e   1 ) .   T h ef f icie n c y ,   p r ice  an d   p o w er   d en s it y   o f   t h b id ir ec tio n al  D C - AC   co n v er ter   is   es s en tial f o r   f u r t h er   d ev elo p m en t o f   s u ch   an   ap p r o ac h .     T h m o s co m m o n   u s ed   b atter y   t y p e   in   t h r esid en tial  e n er g y   s to r ag s y s te m s   i s   lit h i u m - i o n   ( L i - io n )   b atter y   d u e   to   lo w est   p r ice  p er   k W h   if   li f eti m is   a ls o   co n s id er ed   [ 3 ] .   Du to   r ap id   d ev elo p m e n o f   t h e   elec tr ical  v e h icle  i n d u s tr y ,   l o o f   r eso u r ce s   ar i n v ested   i n to   i m p r o v e m e n o f   L i - io n   b a tter y   ce ll s .   T h is   h a s   lead   to   d ec r ea s in g   o f   th p r ice  o f   L i - io n   b atter ies,  th av er ag p r ice  o f   L i - io n   b atter y   in clu d i n g   b atter y   m an a g e m e n s y s te m   a n d   co o lin g   is   ab o u 4 0 0   USD/ k W h   [ 4 ]   b u th tr en d   is   f o r   th p r ice  to   g o   d o w n   d u to   h ig h   d e m a n d   an d   co m p etit io n .   T h r ec o m m e n d ed   en er g y   c ap ac it y   o f   th b atter y   f o r   r esi d en tial  ap p licatio n   s tar ts   f r o m   f e w   k W h   to   m o r e   th an   te n   k W h   f o r   lar g er   h o u s e s   th at  ar u s i n g   elec tr ic  v eh icl d aily   [ 5 ]   T o   o b tain   h i g h - v o lta g o f   th e   b atter y   t h i n d iv id u al  ce l ls   m u s b co n n ec ted   i n   s er ies.  W ith   m an y   ce lls   co n n ec ted   in   s tr in g ,   th p o s s ib ilit y   o f   o n ce ll  f aili n g   i s   h ig h   a n d   th i s   w o u ld   ca u s f ail u r o f   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   I SS N :   2088 - 8 6 9 4     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8   :   1223     1 2 3 9   1224   w h o le  b atter y   i f   th er i s   n o   b y p a s s   s w itc h es  i m p le m en ted .   Su c h   co n n ec tio n   r eq u ir e s   ca r ef u ce ll  m a tch i n g   to   m i n i m ize  b ala n cin g   lo s s e s ,   ce l m a tch i n g   i s   c h alle n g w h e n   r ep lacin g   a   f au l t y   ce ll.  W h e n   t h v o lta g o f   t h e   b atter y   is   h ig h   th e n   in v er ter   w ith   s tate - of - th e - ar n o n - is o lat ed   ( u s u all y   tr ad itio n al  b u ck - b o o s t)   co n v er ter   ca n   b u s ed   w i th   o n l y   t w o   s w itc h e s   an d   o n in d u cto r   th er ef o r t h co n v er ter   is   ch ea p ,   r eliab le  an d   ef f icie n t.   T o   u s tr ad itio n al  n o n - is o late d   to p o lo g ies ,   th d i f f er en ce   b et w ee n   i n p u v o lta g ( D C   b u s )   an d   t h e   o u tp u v o lta g ( b atter y )   s h o u l d   b less   th a n   4 :1   to   m a in ta in   h ig h   ef f icie n c y .   I m ea n s   f o r   s in g le  p h a s s o lu tio n   v o ltag e   o f   t h b atter y   m u s b e   ab o v 1 5 0   V.   Fo r   r ea lizatio n   o f   1 k W h   L i - io n   b atter y   w it h   4 8 t h ca p ac it y   o f   th ce ll  m u s b ap p r o x i m a tel y   2 1 Ah   b u f o r   4 0 0   v o lt  lev el  - 0 , 2 5   A h .   W h er ea s   f o r   th 1 0   k W h   b atter y ,   t h e   ce ll  s ize  m u s t   b ap p r o x i m ate l y   2 0 8   A h   f o r   lo w er   a n d   2 5 Ah   f o r   h i g h er   v o lta g e.   As  t h e n er g y   d en s it y   o f   t h e   s tate - of - th e - ar b atter ies   is   v e r y   h i g h   ( f o r   ex a m p le  X AL T   7 5   A h   ce l [ 6 ] ) ,   s o m o f   t h e m   e v en   e x ce ed s   1 0 0   Ah ,   th ce ll s   i n   r an g o f   4 0 - 6 0 A h   ar w ell  k n o w n   an d   w i d ely   u s ed   a n d   in   t h n ea r   f u t u r th ca p ac it y   w ill   b ev en   h i g h er .   4 8   L i - io n   m o d u le s   ar av ailab le  f r o m   d i f f er e n m a n u f ac t u r er s   w i th   d if f er e n ca p ac it y .   Fro m   th e   p r ev io u s   ca lc u latio n s   ca n   b co n clu d ed   th at  lo w   v o lta g b atter y   is   g o o d   ch o ice  f o r   s t o r ag ca p ac it y   les s   th an   5   k W h .   B y   p ar allel  co n n ec tio n   o f   th e   m o d u les  a n y   r eq u ir ed   s to r ag ca p ac it y   ca n   b o b tain ed   an d   s y s te m   b ec o m e s   m o d u lar .   Fo r   th co n n ec tio n   o f   t h lo w   v o lta g b at ter y   to   th g r id   tr ad itio n al  n o n - is o lated   co n v er ter   to p o lo g ies  is   n o s u itab le  [ 7 ] .   T h co n v er ter   m o s tl y   r eq u ir es   g alv a n ic  is o latio n   to   s tep - u p   th v o lta g e,   an d   th i s   m ea n s   tr an s f o r m er   an d   m o r s w itc h es  an d   p r e d ictab le  lo w er   ef f icien c y   th er e f o r e.   Du to   th is   r ea s o n   is o lated   b id ir ec tio n al  o r   d ed icate d   n o n - is o lated   AC - DC   c o n v er ter s   p la y s   cr itical  r o le  to   d ec r ea s p r ice  an d   in cr ea s e f f ic ien c y   o f   t h A C   co u p led   B E SS   f o r   r esid en tial  ap p licatio n .     AC   co u p led   s to r ag s y s te m   p r o v id es  h ig h er   f le x ib ilit y   t h r o u g h   o f f - g r id   m o d es,  it  m ea n s   t h at  th e   h o m h as  p o w er   e v en   w h e n   t h g r id   i s   d o w n ,   g r id   ch ar g in g   an d   n et w o r k   s u p p o r ca p ab i liti es  ( f o r   ex a m p le   p o w er   f ac to r   co r r ec tio n ) .   Ver y   i m p o r tan t   ad v a n tag e   is   t h at  th AC   co u p led   B E SS   ca n   b e   f it ted   to   a n y   s o lar   s y s te m ,   a n y   i n v er ter   an d   ca n   b in s tal led   ea s il y .   A lt h o u g h   AC   co u p led   s y s te m   is   m o r ex p e n s i v an d   le s s   e f f ic ien t,  i b ec o m es  m o r an d   m o r e   p o p u lar   in to   th r ea in d u s tr ia ap p licatio n s   d u to   ea s y   in s tallatio n .   T h f aste s d ev elo p in g   co m p a n ies  t h at   p r o v id es  th i s   s o lu tio n   ar SM ( www . s m a. d e) ,   So n n en   ( h t t p s ://s o n n e n - b atter ie. co m )   an d   E n p h ase   [ 8 ] .   A l o f   th e m   ar u s in g   h i g h   v o ltag e   b atter y   s o   it   is   p o s s ib le  to   u s s i m p ler   n o n - is o lated   co n v er ter   to p o lo g y .   T h p ea k   ef f icien c y   o f   t h SM A   co n v er ter   r ea ch es  9 7   p er ce n ts .   T h er ar q u ite  lo s m al ler   co m p an ies  t h at  al s o   u s e   AC   co u p led   B E SS   w it h   4 8   b atter y ,   f o r   ex a m p le,   L eo n ar d o   P r o   3 0 0 0 /4 8 - 1 6   ac   s to r ag s y s te m   [ 9 ]   h as  p ea k   ef f icien c y   eq u al  to   9 5   p er ce n t .   Fig u r 1   s h o w s   e n er g y   s to r ag u n it  co m p le m en w i th   s o la r   en er g y   g e n er atio n   [ 2 ] I n   [ 1 0 ]   is   p r o v id ed   an al y s is   o f   s o m e   co m m er cial  B E SS   s y s te m s   f o r   P g e n er atio n   u n d er   lo ad   p r o f ile  t h at  is   clo s to   th r ea ap p licatio n .   T ak en   in to   ac co u n t h at  B E SS   p r o v id es  lo s s e s   n o o n l y   d u r in g   ch ar g in g   b u t   also   d u r in g   d is ch ar g in g   o v er al ef f icien c y   f o r   A C   co u p led   B E SS   is   o n l y   6 1 [ 1 0 ]   th er ef o r ca n   b co n clu d ed   th at  h ig h l y   ef f icie n t   i n   t h w h o le  lo ad   r an g b id ir ec tio n al  DC - AC   co n v er ter   is   h ig h l y   r eq u ested .     Fig u r e   2   s h o w s   clas s i f icatio n   o f   th to p o lo g ies  f o r   lo w   v o lta g b atter y   i n te g r atio n   i n to   AC   g r id .   T h e   m o s t y p ical  ca s is   to   u s i s o lated   s in g le  o r   m u l ti  s tag to p o lo g ies  as  th ese  to p o lo g ies  ar w e ll  k n o w n   an d   th co n tr o is   s i m p le.   T h u s e   o f   h ig h   g a in   n o n   is o lated   to p o lo g ies  ca n   p o s s ib l y   r ed u ce   p r ice  an d   s ize  o f   th e   co n v er ter .   A l s o   m u lt ip o r t c o n v er ter   ca n   b u s ed   f o r   i n te g r ati o n   o f   e n er g y   s o u r ce   a n d   b atter y   o r   d if f er en t t y p e s   o f   s to r ag es  in to   th g r id .   Su ch   ty p o f   th co n v er ter   ca n   b d esig n ed   w i th   r ed u ce d   n u m b er   o f   co m p o n e n t s   an d   s m al ler   s ize.   T h ese  co n v er ter s   ar g o o d   o p tio n   to   s u p p ly   t h b alan ce   b et w ee n   th r en e w ab le  en er g y   s o u r ce   g en er atio n   an d   lo ad   d u to   v ar iab le  n atu r o f   b o th .   Mu ltip o r co n v er ter s   ca n   b class i f i ed   in to   th r ee   t y p es:   n o n - is o lated ,   p ar tl y - is o lated   an d   is o lated   th r ee - p o r co n v er t er s .   T o   in tr o d u ce   lo w   v o lta g e   B E SS   is o lated   o r   h ig h - g ain   n o n - is o lated   m u ltip o r co n v er ter s   ar g o o d   o p tio n .   Usu a ll y   as   m u ltip o r co n v e r ter   is   u s ed   D C - D C   co n v er ter   i n   co m b in a tio n   w it h   tr ad itio n al  D C - A C   i n v er ter .   T h p o s s ib le  r ed u ct io n   o f   s i ze ,   co s ts   a n d   lo s s es   ca n   b o b tain ed   w it h   t h d ev elo p m e n o f   n o v el  m u ltip o r DC - AC   s i n g le  s tag e   co n v er ter s   h av in g   le s s   s e m ico n d u cto r   s w i tch e s   a n d   p ass iv e le m e n t s .   T h p ap er   w i ll  p r o v id o v er v ie w   o f   t h m o s p r o m is in g   to p o lo g ies  f o r   B E SS   i n teg r ati o n   i n to   A C   g r id   an d   g i v es  in s ig h t   in to   n o v e to p o lo g ies   th at  ca n   b i m p r o v e d   f u r t h er .             Fig u r 1 .   E n er g y   s to r ag u n it  co m p le m e n w it h   s o lar   en er g y   g en er atio n   [ 2 ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A n   Ove r view o f B id ir ec tio n a l A C - DC   Gr id   C o n n ec ted   C o n v erter   To p o lo g ies fo r   Lo w   ( K a s p a r s   K r o ics )   1225         Fig u r 2 .   C lass i f icat io n   o f   t h e   to p o lo g ies f o r   lo w   v o lta g b at ter y   in te g r atio n   i n   to   th AC   g r id       2.   I SO L A T E B I DIR E C T I O N AL   AC - DC  CO NV E R T E T O P O L O G I E S   T h is   ch ap ter   p r o v id es  b r ief   r ev ie w   o f   m o s p r o m is in g   is o lated   b id ir ec tio n al  A C - DC   c o n v er ter s   p r o p o s ed   b y   d if f er en r esear c h   g r o u p s   i n   r ec en y ea r s   a n d   co m p ar es  t h eir   f ea t u r es  i n   ter m s   o f   t h n u m b er   o f   co m p o n e n t s   a n d   r ep o r ted   ef f i cien cies.   T h s tr u ctu r e   o f   t h e   p o w er   co n v er ter   f o r   A C   c o u p led   B E SS   ca n   b e   d iv id ed   in to   s i n g le  s tag a n d   d o u b le  s tag e.     2 . 1 .   I s o la t ed  Sin g le - s t a g AC  -   DC  Co nv er t er   T o po lo g ies   T h s in g le - s ta g AC - DC   co n v er ter s   d o   n o h a v i n ter m ed iat DC - li n k   s to r ag ele m e n t.  D u to   o n l y   o n co n v er s io n   s tag it  is   p o s s ib le  to   r ed u ce   n u m b er   o f   s e m ico n d u cto r   s w itc h es  a n d   p o ten tiall y   i n cr ea s t h ef f icien c y   a n d   d ec r ea s v o lu m e,   w ei g h t,  a n d   co s ts .   Mo s o f   th to p o lo g ies  in cl u d i n g   s i n g le - s tag a n d   t w o - s tag to p o lo g ies  u s elec tr o l y t ic  ca p ac ito r s   to   ab s o r b   th 1 2 0 /1 0 0 Hz  p o w er   p r o d u ce d   th r o u g h   t h s i n g le - s ta g AC - DC   p o w er   co n v er s io n .   T h is   co m p o n e n h a s   li m i ted   l if eti m a n d   r ed u ce s   t h r eliab ilit y   o f   t h s y s te m .   So m to p o lo g ies   let  t h 1 0 0 /1 2 0 Hz  p o w er   to   g o   to   t h b a tter y .   T h is   lo w   f r eq u e n c y   p o w er   r ip p le  p r o d u ce s   ex tr h ea t i n s id e   th e   b atte r y   wh ich   r es u lts   i n   r ed u c tio n   o f   t h li f e s p an   o f   t h b atter y .   T h is   p r o b lem   a ls o   m u s t   b co n s id er ed   w h e n   ch o o s i n g   p r o p er   to p o l o g y .   Fl y b ac k   b ased   to p o lo g y   is   v er y   s i m p le,   it  is   co m m o n l y   u s e d   f o r   lo w   p o w er   ap p licatio n s .   T h er a r n u m b er   o f   d if f er e n f l y b ac k   AC - DC   u n id ir ec tio n al  to p o lo g ies  f o r   lo w   p o w er   ap p licatio n .   B u also   it  is   p o s s ib le  to   d ev elo p   s u c h   co n v er ter   f o r   b id ir ec tio n al  p o w er   f lo w   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ] .   Fro m   Fi g u r e   3   ca n   b s ee n   t h at   it   is   n ee d ed   to   ad d   ad d itio n   f l y b ac k   co n v er ter   to   p r o v id b id ir ec tio n al  p o w er   f lo w .   So   th n u m b er   o f   t h e   s w itc h es  i s   i n cr ea s ed   an d   e f f i cien c y   is   n o h ig h .   B u s till   it  is   g o o d   s o lu t io n   f o r   lo w   p o w e r   ap p licatio n   w h er p r ice  is   v er y   i m p o r ta n t.  Mo r o f ten   b id ir ec tio n al  f l y b ac k   co n v er ter   is   u s ed   i n   t w o   s ta g to p o lo g y .       B a t t e r y C F T 1 T 2 T 4 T 3 T 5 T R A C   g r i d     Fig u r 3 .   Sh e m atics o f   b id ir ec tio n al  f l y b ac k   co n v er ter   [ 1 1 ]       Hig h l y   ef f icie n AC - D C   co n v er ter   is   p r o p o s ed   in   [ 1 3 ]   an d   s h o w n   i n   Fig u r e   4 .   Du to   th alter n ati n g   lin v o lta g e,   b id ir ec tio n al   s w i tch i n g   d ev ice s   o n   t h AC   s id h a v to   b e m p lo y ed .   T h ese   ca n   b r ea lized   b y   an   an t i - s er ial  co n n ec tio n   o f   t w o   MO S FET s .   A s   p r o to t y p s y s te m ,   3 . 3   k W   b atter y   c h ar g er   to   co n n ec to   th s i n g le - p h ase  2 3 0   A C   g r i d   w it h   an   o u tp u v o lta g r an g e   o f   2 8 0   DC   to   4 3 0   DC .   T h p ea k   e f f icien c y   o f   th e   co n v er ter   ex ce ed s   9 7 . 5   p er ce n ts .   O f   co u r s e,   f o r   ap p licatio n   to   co n n ec 4 8   b atter y   th e f f icien c y   w i ll   b lo w er   b u t h to p o lo g y   h a v lo w   n u m b er   o f   s w itc h es  a n d   co n tr o o f   th e   co n v er ter   is   n o v er y   co m p licated .   I m p r o v e d   co n tr o alg o r ith m   o f   s i m ilar   to p o lo g y   is   p r esen te d   in   [ 1 4 ] .   A d d itio n al  b en e f it  g iv e s   p o s s ib ili t y   to   d ev elo p   m u lt ilev e l c o n v er ter .     T o p o l o g i e s   f o r   l o w   v o l t a g e   B E S S   i n t e g r a t i o n   i n t o   t h e   A C   g r i d I s o l a t e d H i g h   g a i n   n o n - i s o l a t e d S i n g l e   s t a g e M u l t i s t a g e M u l t i p o r t   d c - d c M u l t i p o r t   i n v e r t e r I s o l a t e d P a r t l y   i s o l a t e d H i g h   g a i n   n o n   i s o l a t e d Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   I SS N :   2088 - 8 6 9 4     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8   :   1223     1 2 3 9   1226       Fig u r 4 .   Sch e m atics o f   b id ir ec tio n al  s i n g le - p h ase  s i n g le - s tag b id ir ec tio n al  is o lated   A C - D C   co n v er ter   w it h   P FC   [ 1 3 ]       A   v er y   s i m p le  to p o lo g y   is   p r o p o s ed   in   [ 1 5 ]   (   Fig u r 5 )   b u f o r   f u r t h er   i m p r o v e m e n o f   th ef f icien c y   th er is   u s ed   r eso n a n cir cu it  t o   p r o v id ze r o   v o ltag s w itc h in g   p l u s   an   ex tr s h u n t - ac ti v f ilter   to   ab s o r b   th e   lo w   f r eq u en c y   AC   p o w er .   A lt h o u g h   i n   t h ar ticle  is   n o m e n tio n   e f f icie n c y   o f   th co n v er t er ,   ca n   b p r ed icted   th at  it   ca n   r ea c h   h ig h   v al u e.   s i m ilar   to p o lo g y   ca n   b ap p lied   to   th 3   p h ase  AC   s y s te m   w it h   h i g h   f r eq u e n c y   AC   li n k   [ 1 6 ] ,   [ 1 7 ]   an d   u s ag o f   b id ir ec tio n al  s w i tch e s .       T 1 T 2 T 3 T 4   A C   g r i d     T R T 3 T 4 C 5 C 4 T 3 T 4   C 1 C 2 C 3 C r e s C f L f C F L F L r e s L 1 A c t i v e   f i l t e r B a t t e r y     Fig u r 5 .   Sin g le - s ta g to p o lo g y   p r o p o s ed   in   [ 1 5 ]       I n   [ 1 8 ]   it is   p r o p o s ed   to p o lo g y   w i th   c u r r en s o u r ce   i n v er ter   ( C SI)   ( Fig u r 6 )   to   in ter f ac t h g r id .   DC - DC   co n v er ter   w i th   p u s h   -   p u ll  o r   f u ll - b r id g i n   lo w   a n d   h ig h   v o ltag s id is   u s ed   to   f ee d   th e   cu r r en to   C SI.   C o n tr ar y   to   co n v e n tio n al   to p o lo g y ,   cu r r e n t i n s tead   o f   v o ltag is   f ed   f r o m   t h lo w   v o lt ag to   h i g h   v o lta g s id e.   T h p r o p o s ed   cir cu it h as  q u it si m p le  co n tr o l s tr ateg y   an d   co n ti n u o u s   B E SS   c h ar g i n g   a n d   d is c h ar g i n g   cu r r en t.  I n   t h p ap er   also   is   p r esen ted   lo w   s ca le  p r o to t y p th at  s h o w s   v er y   s m o o t h   w av e f o r m s .       O u t p u t   F i l t e r L 1   = T 1 T 3 T 2 T 4 V O U T ( a , b , c ) T 5 T 7 T 9 T 6 T 8 T 1 0 A C   g r i d D 1 D 2 D 3 D 5 D 6 D 8 D 7 D 4 T R T 1 1 T 1 2 B a t t e r y     Fig u r 6 .   Fu ll - b r id g an d   p u s h - p u ll i n   co m b i n atio n   w it h   cu r r en t so u r ce   i n v er ter   p r o p o s ed   i n   [ 1 8 ]         T 1 T 2 T 3 T 4   A C   g r i d     T R   C 2 C 3 C F L l e a k a g e T 6 T 8 T 5 T 7 B a t t e r y L F L 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A n   Ove r view o f B id ir ec tio n a l A C - DC   Gr id   C o n n ec ted   C o n v erter   To p o lo g ies fo r   Lo w   ( K a s p a r s   K r o ics )   1227   An o th er   ap p r o ac h   w it h   th u s o f   u n ip o lar   v o ltag s w itc h e s   is   s h o w n   i n   Fi g u r 7   [ 1 9 ] .   T h p r o p o s ed   to p o lo g y   a n d   m o d u latio n   s tr a teg y   i s   i m p le m e n ted   in   2 0   k W   p r o to ty p e.   Me asu r e m en t s   ar co n d u cted   an d   s h o w   t h at  th m et h o d s   o p er a te  as  ex p ec ted .   T h m et h o d   co m p r is e s   t w o   ess e n tial  p ar ts ,   n a m el y   n e u tr al - v o ltag li f ca p ac ito r   an d   q u ad   ac tiv e   b r id g to p o lo g y .   E x p er i m e n tal  r es u lt s   s h o w   t h at  th lo ad   s tep   is   s tab le,   th p o w er   f ac to r   is   clo s to   u n it y ,   an d   th p h ase  c u r r en t T HD  is   less   t h a n   5 %.       L 1 T 1 T 3 T 2 T 4 T A T 5 T 7 T 6 T 8 T B T 9 T 1 1 T 1 0 T 1 2 T C T 1 3 T 1 5 T 1 4 T 1 6   A C   g r i d A p h a s e B p h a s e C p h a s e N C F C C M B a t t e r y     Fig u r 7 Qu ad   ac tiv b r id g s in g le  s ta g b id ir ec tio n al  th r ee - p h ase  A C - D C   co n v er ter   w ith   i s o latio n   [ 1 9 ]       I n   [ 2 1 ]   is   s h o w n   t h at  u s in g   s in g le  s ta g d u al  ac tiv b r id g to p o lo g y   ( Fi g u r 8 ) ,   it  is   p o s s ib le  i m p r o v e m en o f   th e f f icien c y ,   v o lu m e,   n u m b er   o f   co m p o n en t s   an d   co s co m p ar ed   to   th tr ad itio n al  d u a l   s tag e   to p o lo g ies.  T h ex p er i m en tal  p r o to t y p is   d e m o n s t r ated   in   t h p ap er   [ 2 0 ]   w it h   3 , 7   k W   p o w er ,   b id ir ec tio n al  p o w er   f lo w   a n d   u n i t y   p o w er   f ac to r .   T h co n v er ter   in ter f ac e s   4 0 0   D C   -   b u s   w i th   th e   2 3 0   AC   g r id .   T h h i g h   p o w er   d en s it y   p r o to t y p co n v er ter   h as  h i g h   co n v er s io n   e f f icien c ies  -   9 6 p ea k   ef f icie n c y ,   h ig h   p o w er   f ac to r   an d   lo w   T HD.       T 5 T 7 T 6 T 8 T R T 1 T 3 T 2 T 4 T 9 T 1 1 T 1 0 T 1 2   A C   g r i d S y n c h r o n o u s   r e c t i f i e r   s t a g e E M C   f i l t e r H i g h   f r e q u e n c y   c a p a c i t o r C 1 A c t i v e   f u l l   b r i d g e L 1 L c 1 L c 2 I n d u c t o r s   a n d   h i g h   f r e q u e n c y   t r a n s f o r m e r A c t i v e   f u l l   b r i d g e   2 C 2   C 3 D c   s i d e   h i g h   a n d   l o w   f r e q u e n c y   c a p a c i t o r s B a t t e r y     Fig u r 8 .   Sch e m atic  o f   t h s i n g le - p h ase,   s in g le - s ta g e,   b id ir ec tio n al  an d   is o lated   AC - DC   c o n v er ter   to p o lo g y   p r esen ted   in   [ 2 0 ]       T h b id ir ec tio n al  is o lated   s in g le  s tag co n v er ter s   is   u s ed   less   o f ten   th a m u lti  s tag to p o lo g ies  d u to   co n tr o is   m o r co m p le x ,   t h er is   n o   o n e   w id el y   u s ed   to p o lo g y ,   t h ca lcu lat io n s   an d   o p ti m izatio n   p r o ce s s   i s   co m p lica ted .   T h m ai n   b e n ef i ts   o f   s i n g le  s tag e   to p o lo g y   ar e   r ed u ce d   n u m b er   o f   s e m ico n d u cto r s   a n d   v o l u m o f   m ag n etic   co m p o n e n ts .   Se v er al  to p o lo g ies   s h o w s   p r ett y   g o o d   ef f icie n c y ,   th er i s   m an y   p o s s ib ilit ie s   to   in cr ea s e f f icie n c y   f u r th er   i n clu d in g   t h u s o f   n e w   to p o lo g ies  a n d   w id b an d   g ap   d ev ices,  also   i m p o r tan t   task   i s   to   m ai n tai n   p o w er   f ac t o r   an d   T HD  w it h i n   th li m it s       2 . 2 .   I s o la t ed  M ulti  Sta g e   B idi re ct io na AC - DC  Co nv er t er   T o po lo g ies   A   t w o   s ta g D C - AC   co n v er ter   co n s is ts   o f   b id ir ec tio n al  DC - D C   co n v er s io n   s ta g e   an d   a   b id ir ec tio n al  DC - AC   s tag e   w i th   P FC   f u n ctio n a lit y .   D C - D C   s ta g r eg u late s   t h D C   v o lta g to   t h n ec es s ar y   lev el  s o   t h at  t h i n v er ter   s ta g ca n   b d ir ec tl y   co n n ec ted   to   th AC   v o lta g g r id .   T h AC - DC   co n v er ter   p er f o r m s   t h r ec ti f icat io n   o f   t h AC   v o lta g e   i n to   D C   v o lta g a n d   r eg u lates   t h p o w er   q u alit y   o f   t h g r id .   A t   th D C   s id o f   t h co n v er ter   i s   co n n ec ted   D C - l in k   s to r ag e   -   a n   i n d u cto r   to   p r o v id cu r r e n s o u r ce   o u tp u o r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   I SS N :   2088 - 8 6 9 4     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8   :   1223     1 2 3 9   1228   m o r u s u all y   ca p ac ito r   to   p r o v id v o ltag D C - b u s .   As  AC - DC   s tag a n d   th i s o lated   DC - DC   co n v er s io n   s tag ar s ep ar ated   v ia  t h DC   en er g y   s to r ag ele m e n t b o th   s y s te m s   ca n   b o p ti m ized   m o r e   p r ec io u s l y .   T h r ev ie w   o f   ad v a n ce d   P FC   to p o lo g ies  is   d o n in   [ 2 2 ]   an d   s h o w s   t h at  b id ir ec tio n al  S w i s s   r ec tif ier   h av th b es p er f o r m a n ce   f o r   3   p h ase  ap p licatio n   in   co m p ar i s o n   to   s ix - s w itc h   r ec ti f ier   w it h   s w itc h ab le  o u tp u p o lar it y   a n d   an p ar alle s ix - s w itc h   co n v er ter   co m b in atio n .   Hig h   e f f icie n c y   a n d   p o w er   d en s it y   s o lu tio n   is   p r o p o s ed   in   [ 2 3 ]   th at  u til i ze s   i n ter leav ed   m u lti - ce ll  co n   Fi g u r e u r atio n   a n d   w o r k s   n ea r   to   th b o u n d ar y   co n d u ctio n   m o d e.   T h p r in cip le  is   v alid ated   u s i n g   m ea s u r e m en r esu lt s   o n   2 0 0   W   p r o t o ty p e.   T h r ea lized   P FC   r ec tif ier   ac h ie v ed   an   e f f icien c y   o f   η   9 4 . 6   p er ce n ts   an d   p o w er   f ac to r   o f   9 9 . 3   p er ce n ts   at  v er y     s m al l size.   De tailed   r ev ie w   o f   o v er   4 0 0   p ap er s   in   f ie ld   o f   s i n g le - p h ase  A C - D C   co n v er ter s   i s   d o n i n   [ 2 4 ] ,   r ev ie w   o f   m u ltil e v el  to p o lo g i es  is   d o n i n   [ 2 5 ] .   Mu ltil ev e l   b id ir ec tio n al  co n v er ter s   o f f er   th ad v a n ta g es  o f   lo w   v o ltag s tr es s es  o n   s w it ch es,  r ed u ce d   lo s s e s   at  r ed u ce d   s w i tch i n g   f r eq u en c y   f o r   th s a m le v el  o f   p er f o r m a n ce   i n   ter m s   o f   r ed u ce d   h ar m o n ic s   an d   h ig h   p o w er   f ac to r   at  th in p u AC   m ai n s   a n d   r eg u lated   r ip p le - f r ee   DC   o u tp u v o ltag at  v ar y i n g   lo ad s .   Usu all y   m u ltil e v el  in v er ter   to p o lo g ies  ar u s ed   in   h ig h   v o lta g ap p licatio n s   b u d u to   p o s s ib ilit y   to   r ed u ce   T HD  a n d   r ed u ce d   lo s s es  th e y   b ec o m m o r p o p u lar   in   lo w   v o lta g ap p licatio n s .   Mo r f r eq u e n tl y   u s ed   to p o lo g ie s   a r d io d cla m p ed ,   f l y in g   ca p ac ito r   an d   ca s ca d ed   m u ltil e v el  co n v er ter s .   T h i n c r ea s ed   co s ts   d u to   in cr ea s ed   n u m b er   o f   s w itch e s   a n d   lo w e r   r eliab ilit y   ar t h m ai n   d is ad v an ta g e s   o f   t h ese   to p o lo g ies.  Ver y   h ig h   e f f ici en AC - D C   co n v er ter   i s   p r o p o s ed   in   [ 2 6 ] .   T h co n v er ter   i s   b ased   o n   m u lti - ce ll  co n v er ter   ap p r o ac h   t h a allo w s   to   b r ea k   t h p er f o r m an ce   b ar r ie r s   o f   co n v e n tio n al  s y s te m s   b y   lev e r ag in g   t h ad v a n tag e s   o f   u s i n g   m u ltip le  i n ter lea v ed   lo w   v o ltag a n d /o r   lo w   cu r r en co n v er ter   ce lls .   T h DC - A C   co n v er ter   to g et h er   w ith   DC - D C   co n v er ter   r ea ch es  ef f icie n c y   o f   9 8   p er ce n t,  p o w er   d en s it y   2 . 2 k W /d m 3   b y   3 . 3   k W   p o w e r   an d   4 8   o u tp u t v o lta g e.   A   f e w   h u n d r ed   p u b licatio n s   c an   b f o u n d   i n   t h t h e m atic  o f   is o lated   b id ir ec tio n al  DC - D C   co n v er ter .   A   g o o d   co m p ar is o n   o f   t h e f f i cien c y   o f   t h s tate - of - t h e - ar c o n v er ter s   i s   d o n i n   [ 2 1 ]   b et w ee n   o n s ta g d u al   ac tiv b r id g ( DA B )   ( Fig u r 9 )   an d   s er ies  r eso n an co n v er ter   ( SC R )   an d   D A B   an d   SR C   co m b i n atio n   w it h   n o n - is o lated   b u c k - b o o s co n v er ter   ( Fig u r 9 ) .   T h r esu lt s   p r esen ted   in   th p ap er   s h o w s   t h at  t w o   s ta g e   s tr u ct u r o f   th DC - D C   co n v e r ter   is   m o r ef f icien an d   th p o w er   d en s it y   i s   ev en   h ig h er .   T h m o s ef f icie n t   to p o lo g y   i s   d u al  s tag S R C   co n v er ter .   T h o u tp u v o ltag i n   th ex p er i m e n t s   w a s   eq u al  to   1 5   V,   p o w er   2   k W ,   th ef f icie n c y   o f   t h co n v er te r   is   ab o v 9 0   p er ce n in   th w id lo ad   r an g e.   I n   [ 2 7 ]   is   p r o p o s ed   to   u s GaN   tr an s i s t o r s   to   in cr ea s e f f icien c y   o f   t h D A B   co n v er ter .   Du al  ac tiv b r id g to p o lo g y   is   i n v esti g ated   i n   m a n y   s cien t if ic   p ap er s   [ 2 8 ] ,   [ 2 9 ] ,   [ 3 0 ]   an d   L L C   r eso n an t   co n v er ter   [ 3 1 ] ,   [ 3 2 ] ,   [ 3 3 ]   also .   T h m ai n   d r a w b ac k s   o f   th ese  to p o lo g ies ar t h at  th n u m b er   o f   t h co m p o n e n ts   ar h ig h   a n d   co n tr o l a n d   o p ti m izat io n   is   co m p le x .           Fig u r 9 .   B i - d ir ec tio n al  D A B   co n v er ter   an d   b id ir ec tio n al  d u al  s tag D C - DC   co n v er ter   b as ed   o n   th co m b i n atio n   o f   an   i s o latio n   s t ag w it h   n o n - i s o lated   v o ltag co n v er ter   [ 2 5 ]       Fig u r 1 0   s h o w s   a   b id ir ec ti o n al  is o lated   DC - D C   co n v e r ter   b ased   o n   cu r r en f ed   h alf - b r id g to p o lo g y .   T h lo w - v o ltag s i d is   cu r r en t - s o u r ce   h al f - b r i d g co n v er ter   th at  f u n ctio n s   a s   b o o s co n v er ter   an d   an   in v er ter .   T h h i g h - v o lt ag s id i s   v o lta g s o u r ce   h alf - b r id g co n v er ter .   L o s s les s   s n u b b er   ca p ac ito r s   ar u s ed   to   ac h iev Z V in   t h co n v er ter .   T h h alf - b r id g t o p o lo g y   h as  m i n i m u m   co u n o f   ac tiv d ev ices   an d   Z VS  i s   ac h ie v ed   w it h o u ad d itio n al  ac tiv d ev ices.  I h as  th s a m to tal  d ev ice  r atin g   as  th f u ll - b r id g e   to p o l o g y ,   a n d   r ea s o n ab le  r ip p le  DC   cu r r e n at  t h lo w - v o ltag s id e.   T h d r a w b ac k s   o f   t h h a lf - b r id g e   to p o lo g y   is   th at   t h s w i tch in g   d ev ices  ar s u b j ec ted   to   t w ice   th DC   v o lta g o f   t h b atter y .   A l s o   t h s p li D C   ca p ac ito r s   in   t h h a lf - b r id g e   to p o lo g y   h a v to   w it h s tan d   th r ated   cu r r e n v a lu e.   T h b u ck   a n d   b o o s o p er atio n s   o f   th co n v er ter   h a v b ee n   v er if ied   at  th r ated   p o w er   o f   1 . 6   k W .   A n   ef f icie n c y   o f   m o r th a n   9 4   %   w a s   ac h ie v ed   at  th r ated   p o w er   [ 3 4 ] .   T h b id ir ec tio n al  cu r r en f ed   to p o lo g ies  also   is   p r o p o s ed   in   [ 3 5 ] - [ 3 9 ] ,   th e f f icie n c y   o f   th e s co n v er ter s   r ea ch es   9 5 - 9 6   p er ce n t s .   I n   [ 4 0 ]   is   a n al y ze d   c u r r en f ed   t w o   i n d u cto r   b id ir ec tio n al  DC - DC   co n v er t er   u s i n g   r eso n an ce   b u in   t h p ap er   r e p o r te d   ef f icie n c y   i s   n o s i g n i f ican t l y   h ig h er .     T 1 T 3 T 2 T 4 T R T 5 T 7 T 6 T 8 C 1 L 1 C 2   C 3   V D C b u s   B a t t e r y T 1 T 3 T 2 T 4 T R T 5 T 7 T 6 T 8 C 1 L R   C 2   V D C b u s   C R C 3 T 9 T 1 0 L B a t t e r y Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A n   Ove r view o f B id ir ec tio n a l A C - DC   Gr id   C o n n ec ted   C o n v erter   To p o lo g ies fo r   Lo w   ( K a s p a r s   K r o ics )   1229       Fig u r 1 0 .   C u r r en f ed   h al f   b r id g co n v er ter   [ 3 4 ]       I n   [ 4 1 ]   co m p ar is o n   b et w ee n   i s o lated   b i - d ir ec tio n al  C u k   co n v er ter ,   is o lated   b id ir ec tio n al  f u ll - b r id g e   co n v er ter   a n d   is o lated   b id ir ec tio n al  h al f - b r id g e   co n v er ter   is   p r o v id ed .   I is   f o u n d   th a is o lated   b i - d ir ec tio n a l   h al f - b r id g co n v er ter   h a s   t h e   b est  ef f icie n c y - i n   t h is   ca s ar o u n d   9 0   p er ce n f o r   b atter y   v o lta g 4 8   an d   p o w er   2   k W .     Ver y   in ter esti n g   m o d u lar   p r in cip le  o f f er s   co m p a n y   ''Vic o r   co r p o r atio n ''   [ 4 3 ] .   T h e y   o f f er s   b id ir ec tio n al  r eso n an D C - D C   co n v er ter   w it h   f ix ed   d u t y   cy c le  w ith   v er y   h ig h   e f f ici en c y   ( Fi g u r 1 1 )   in   co m b i n atio n   w it h   n o n - i s o late d   co n v er ter   t h at  r e g u la tes  c u r r en to   t h lo ad .   T h co n v er ter   s u p p o r ts   w id e   in p u v o ltag r an g a n d   h ig h   p o w er .   I u s es  u n iq u s i n a m p l itu d co n v er ter   to p o lo g y   w it h   o p en   lo o p   c o n tr o l.   P r im ar y   cir cu i is   s tac k ed   h alf   b r id g a n d   s ec o n d ar y   is   ce n ter   tap   w i th   s y n c h r o n o u s   r ec tific atio n .   T h e   co n v er ter   u s es   Z VS   an d   Z C s o f s w itc h i n g   tech n iq u es a n d   o p er ates a t 1 . 1   MH f i x ed   s w i tch i n g   f r eq u e n c y   to   p r o v id lo w   n o is o u tp u v o lt ag e,   h ig h   e f f icien c y   a n d   h ig h   p o w er   d en s i t y .   T h co n v er ter   w it h   tr an s f o r m at io n   f ac to r   o f   1 /8   is   u s ed   to   i m p l e m en 3 8 4   to   4 8   b id ir e ctio n al  co n v er s io n s .   T h p r o p o s ed   co n v er ter   ca n   ac h iev m o r th a n   9 6 % e f f icie n c y   f r o m   1 5 % lo ad   to   1 0 0 % l o ad   in   b o th   d ir ec tio n s .             Fig u r 1 1 .   B id ir ec t io n al  DC - D C   co n v er ter   f o r   h ig h   p o w er   ap p licatio n s   [ 4 2 ]       T h p er f o r m an ce   o f   t h b id ir ec tio n al  co n v er ter s   ca n   b in cr ea s ed   b y   u s i n g   GaN   tr an s is to r s   ( as   ex a m p le   [ 4 4 ] ,   [ 4 5 ] ) ,   o r   SiC   d ev ices   [ 4 6 ] ,   [ 4 7 ]   also   b y   o p tim izatio n   o r   b y   i n teg r ati n g   o f   th m a g n e tic  [ 4 8 ] ,   [ 4 9 ] ,   b y   i m p le m e n ti n g   s o f s witch i n g   tec h n iq u es   [ 5 0 ] ,   [ 5 6 ] - [ 5 8 ] ,   b y   i m p le m en t in g   a   n o v el  co n tr o alg o r it h m s   an d   s o   o n .       3.   NO N - I SO L A T E B I DIR E C T I O NA L   H I G H   ST E P   UP   A C - DC  CO NVER T E T O P O L O G I E   T o   in teg r ate  lo w   v o ltag b att er y   in to   t h g r id   it  i s   p o s s ib le   to   u s n o o n l y   i s o lated   co n v er ter s   b u t   also   n o n   i s o lated   co n v er ter s   with   h i g h   v o lta g s tep   u p /s tep   d o w n   f u n ctio n alit y ,   t h r ev ie w   o f   s u c h   to p o lo g ies   is   g i v e n   i n   [ 5 4 ] ,   [ 5 5 ] .   T h d r a w b ac k s   o f   s u ch   to p o lo g ie s   ar co m p le x it y ,   lo w er   ef f icie n c y   a n d   r eliab ilit y .   Mo s tl y   t h ese  to p o lo g ies  h av u n id ir ec ti o n al  p o w er   f lo w .   I n   [ 5 6 ]   is   p r o p o s ed   h ig h   s tep - u p /s tep - d o w n   b id ir ec tio n al  D C - DC   co n v er ter   ( Fi g u r 1 2 )   i n   w h ich   t h e   co u p led   in d u cto r   L is   u s ed .   T h is   co n v er ter   is   co m b i n ati o n   o f   th co n v e n tio n al  b u ck - b o o s an d   v o ltag e   d o u b ler s   ce ll.  I n   s o m r e g i o n   it  i s   p o s s ib le  to   r ea lize   ze r o   v o ltag s w itc h i n g .   A   1 - k W   p r o to t y p is   d em o n s tr ated   in   th e   p ap er   o p er atin g   at   1 0 0   k Hz  s w itc h in g   f r eq u en c y   an d   b u ilt   f o r   b att er y   s to r ag e   s y s te m   w it h   v o lta g 4 0 - 6 0   an d   h ig h   v o lta g s id v o ltag eq u al  to   4 0 0 V.   T h ef f icie n c y   o f   t h co n v er ter   is   b et w ee n   9 4   an d   9 6   p er ce n ts .   T h n o n   is o lated   h i g h   s tep   u p   b id ir ec tio n al  DC - D C   co n v er ter s   w i th   co u p led   in d u cto r s   also   ar r ep o r ted   in   [ 5 7 ] [ 5 8 ] [ 5 9 ] .   I n   th ese  co n v er ter s   m u c h   ef f o r h as  to   b m ad to   o v e r co m t h p r o b le m   ass o ciate d   w it h   th e   leak a g in d u cto r ,   an d   t h p o w er   r atin g   o f   t h co u p led - i n d u cto r - b ased   co n v er ter   i s   li m ite d   b y   t h ca p ac it y   o f   th m a g n et i co r e.     L 1 V D C b u s   T 1 T 2 T R C F T 3 T 4 C 1 C 2 C 3 C 4 B a t t e r y T 1 T 2 T R C 1 C 2 C 3 C 4   V D C b u s   T 3 T 4 T 5 T 6 C F B a t t e r y N o n - i s o l a t e d   b i d i r e c t i o n a l   D C - D C   c o n v e r t e r D C D C C R 1 C R 2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   I SS N :   2088 - 8 6 9 4     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8   :   1223     1 2 3 9   1230       Fig u r 1 2 .   B id ir ec tio n al  DC - D C   co n v er ter   f o r   h ig h   p o w er   ap p licatio n s   [ 5 6 ]       T h s w i tch ed   ca p ac i to r   co n v e r ter s   ar an al y ze d   i n   [ 6 0 ] [ 6 1 ]   an d   h av r elati v el y   li g h w ei g h a n d   h ig h   ef f icie n c y   a n d   h i g h   p o w er   d en s it y   b u h a v h i g h   i n p u t   cu r r en t   r ip p le  a n d   p o o r   r eg u l atio n .   T h s w itc h ed   ca p ac ito r   b id ir ec tio n al  co n v er ter   p r o p o s ed   in   [ 6 1 ]   is   co m p o s ed   o f   o n l y   s e m ico n d u cto r   s w itc h es   an d   ca p ac ito r s .   T h p r o to ty p o f   th co n v er ter   is   p r ese n ted   in   t h p ap er ,   7 5   k Hz  s w itc h i n g   f r e q u en c y   is   s elec ted ,   th b atter y   v o lta g i s   eq u al   t o   2 0   V,   o u tp u v o ltag is   eq u al  to   1 7 3   an d   o v er all  p o w er   i s   1 0 0 W .   T h e   r ep o r ted   ef f icie n c y   is   f r o m   9 5   to   9 8 . 5   p er ce n t in   all  lo ad   r an g e.     I n   [ 6 2 ]   tr an s f o r m er   is   in teg r ated   in to   a   co n v en tio n al   n o n - i s o lated   b u ck - b o o s co n v er ter   t o   ac h ie v e   h ig h   v o lta g co n v er s io n   r at io .   T h s w i tch e s   ar s h ar ed   b y   th b u c k - b o o s co n v er ter   an d   th tr an s f o r m er .   E x p er i m e n tal  r es u lt s   o f   1   k W   p r o to ty p t h at  tr a n s f o r m s   v o lta g f r o m   a   4 8   to   4 0 0   an d   v ica  v er s a   d em o n s tr ate s   p ea k   ef f ic ien c y   eq u al  to   9 6 . 6 % f o r   b o th   th s t ep - u p   an d   s tep - d o w n   m o d es.   Mu ltil e v el  s w itc h i n g   ce l ls   ar e   in tr o d u ce d   in to   th b u ck - b o o s co n v er ter s   in   s o lu tio n s   d escr ib ed   i n   [ 6 3 ] ,   [ 6 4 ]   t o   im p r o v t h v o l tag co n v er s io n   r atio   an d   r ed u ce   t h v o lta g s tr e s s   o f   p o w er   s w itc h es.  S u c h   m u ltil e v el  b i - d ir ec tio n al  co n v er ter s   ar attr ac tiv f o r   en er g y   s to r ag e   s y s te m s   b u h ar d   s w itc h i n g   r ed u ce s   th e   ef f icien c y   o f   th co n v er ter s   a n d   ad d itio n al  cir cu it  o r   co n tr o s tr ateg y   is   n ee d ed   to   k ee p   th v o ltag b ala n ce   o f   th s w itc h es.  C ascad ed   an d   s e r ies  co n   Fi g u r e u r atio n s   ar ad o p ted   to   r ed u ce   th v o lta g s t r ess es  o n   s w i tch e s   an d   in cr ea s t h v o lta g co n v e r s io n   r atio   o f   th co n v e n tio n al   b id ir ec tio n al  b u ck - b o o s t c o n v er ter   in   [ 6 5 ] ,   [ 6 6 ] .   I n   [ 6 8 ] [ 6 9 ]   is   p r o p o s ed   b id i r ec tio n al  q u ad r atic  b o o s b ase d   in v er ter .   E x p er i m e n tal  r esu l ts   in   [ 6 8 ]   s h o w s   t h at  a   in p u v o lta g o f   1 9   D C   i s   ca p ab le  o f   p r o d u cin g   2 4 0   AC   w i th o u t h u s e   o f   a   s tep   u p   tr an s f o r m er .   I n   [ 7 0 ]   p r o p o s e d   tr an s f o r m er les s   C u k   d er iv e d   h i g h   b o o s DC - AC   co n v er ter   th at   ca n   r ea ch   ef f icien c y   ev e n   h i g h er   t h an   9 7   p er ce n ts .   I n   [ 6 7 ]   is   p r ese n t ed   th s t u d y   an d   s i m u latio n s   o f   n e w   f a m i l y   o f   s y m m etr ical  h y b r id   m u ltil e v el   in v er ter s   b ased   o n   C u k   ( Fi g u r 1 3 )   an d   Z eta  co n v er ter s ,   t h at  ar e   ab le  to   h i g h   s tep   u p /d o w n   v o lta g es.           Fig u r 1 3 .   Qu ad r atic  b id ir ec tio n al  cu k   co n v er ter   [ 6 7 ]       T h n o n - is o lated   D C - DC   co n v er ter   to g et h er   w it h   b id ir ec tio n al  i n v er ter   is   al s o   w o r th   co n s id er in g   f o r   lo w   v o lta g b atter y   in teg r atio n   in   t h AC   g r id .   T h er is   la ck   o f   to p o lo g ies  f o r   b id ir ec tio n al  p o w er   f lo w .   T h e   r ep o r ted   ef f icie n c y   o f   s o m co n v er ter s   ar h ig h ,   ea ch   o f   th to p o l o g y   h as  o w n   d r a w b ac k s   an d   ad v an ta g es  s o   in   ea c h   p ar ticu lar   ap p licatio n   m u s t b m ad d ee p er   an al y s is   to   s elec m o r ap p r o p r iate  o n o r   ev en   to   d ev elo p   n e w   to p o lo g y .       4.   M UL T I P O RT   S T O RA G E   D C - AC  SYS T E M   WI T H   RE NE WAB L E   E NE R G Y   I NT E G RAT I O N   A   m u l tip o r co n v er ter   is   p r ef er ab le  to p o lo g y   i f   it  is   p o s s ib le  to   p lace   B E SS   n ea r   to   th en er g y   s o u r ce   o w i n g   to   its   lo w er   co s a n d   h i g h er   p o w er   d en s it y   [ 7 1 ] .   Mu l tip o r t   to p o lo g ies  w ith   en er g y   s to r ag m o r o f te n   ar u s ed   to   s m o o th l y   s u p p l y   l o ad s   in   s tan d - alo n r e n e w ab le  p o w er   s y s te m .   A   r e v ie w   o f   to p o lo g ies  o f   th r e e   p o r is o lated   an d   n o n - i s o lated   DC - D C   co n v er ter s   f o r   th in t eg r atio n   o f   r en e w ab le  en er g y   an d   en er g y   s to r ag e   s y s te m   is   g iv e n   in   [ 7 2 ] [ 7 3 ] .   Fo r   ap p licatio n s   w h er t h v o ltag o f   t h r e n e w ab le  e n er g y   s o u r ce   i s   lo w ,   th e   C 1 C 3 L 1 C 2 T 1 T 2 T 3 T 4   V D C b u s   L c B a t t e r y C F T 1 T 3 T 2 T 4   C 1 L 1 B a t t e r y C 2     V D C b u s C 3 C 4 L 2 C 5 C 7 L 3 L 4 D 1 D 2 D 3 D 4 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A n   Ove r view o f B id ir ec tio n a l A C - DC   Gr id   C o n n ec ted   C o n v erter   To p o lo g ies fo r   Lo w   ( K a s p a r s   K r o ics )   1231   is o lated   to p o lo g y   i s   g o o d   ch o ice  f o r   t h co n v er ter .   T h er ar m a n y   p u b licat io n s   o n   th is o lated   t h r ee - p o r t   DC - DC   co n v er ter s ,   f o r   ex a m p le  [ 7 4 ] ,   [ 7 5 ] ,   b u u s u all y   t h e y   ar u s ed   to   s u p p l y   en er g y   to   th g r id   b u t   n o t     v ice  v er s a.   Mu ltip o r b id ir ec tio n al  co n v e r ter s   f o r   h y b r id   e n er g y   s to r ag s y s te m   h a v b ee n   r ep o r ted   in   [ 7 7 ] ,   [ 7 8 ] ,   [ 7 6 ]   an d   t o   in teg r ate  r en e w ab le  e n er g y   s o u r ce   an d   B E SS   [ 7 7 ] ,   [ 7 9 ] ,   [ 8 0 ] .   Su ch   to p o lo g ies  allo w s   to   u tili ze   t w o   s to r a g es  f o r   ex a m p le  L i - io n   b atter y   as  lo n g   ter m   s to r ag a n d   u ltra ca p ac ito r   as  s h o r ter m   s to r ag e.   Fig u r 1 4 .   s h o w s   o n o f   th p o s s ib le  s o l u tio n .   O n o f   th c h alle n g e s   t h at  m u s b s o l v ed   in   t h co n v er ter   i s   en er g y   m a n a g e m en b et w ee n   all  o f   p o r ts   th er ef o r n o o n l y   s i m p le - r u le  m et h o d   b u also   t h f ilter   m eth o d ,   th e   f u zz y - co n tr o m et h o d   an d   th o p ti m izatio n   m et h o d   o r   o th er   m et h o d s   ar u s ed   [ 7 6 ] .   I n   m a n y   t h r ee   p o r t   co n v er ter s   f u ll  b r id g s tr u ctu r ar u s ed   b u also   h alf   b r id g e,   cu r r en f ed   an d   o th er   to p o l o g ies  ca n   b u s ed .   T h r ee   p o r tr ip le  h alf   b r id g b id ir ec tio n al  co n v er ter   w i th   ze r o   v o ltag e   s w itc h in g   is   d escr ib ed   in   [ 7 9 ] ,   th e   p ea k   ef f icien c y   o f   t h 1   k W   p r o to ty p is   eq u al  to   9 2   p e r ce n ts .       T 1 T 3 T 2 T 4 T R T 5 T 7 T 6 T 8 C 1 L R   C S C B a t t e r y   V D C b u s C 3 L 1 L 2 L 3 L 4 S u p e r c a p a c i t o r     Fig u r 1 4 .   T h to p o lo g y   o f   t h r ee   p o r t iso lated   DC - DC   co n v e r ter   [ 7 6 ]       A   h i g h   s tep - u p   t h r e e - p o r DC - D C   co n v er ter   f o r   s ta n d - alo n p o w er   s y s te m s   is   p r o p o s ed   in   [ 8 1 ]   to   in te g r ate  P an d   b atter y   p o w er .   I n   th p r o p o s ed   to p o lo g y ,   t w o   co u p led   in d u cto r s   ar em p lo y ed   as  v o lta g e   g ain   e x te n s io n   ce lls   f o r   h i g h   v o ltag o u tp u ap p licatio n s .   T h h i g h est  co n v e r ter   ef f ic ien c y   is   m ea s u r ed   as  9 0   p er ce n ts   at  1 1 0   W   p o w er .   A   m u lti  i n p u ze r o   v o lta g s witch i n g   b id ir ec tio n al  D C - DC   c o n v er ter   h a s   b ee n   p r o p o s ed   in   [ 8 2 ] .   A   6   k W   p r o to ty p w a s   b u il an d   te s ted   to   v er i f y   th p o w er   f lo w   co n tr o l.  T h r ep o r te d   ef f icie n c y   o f   th p r o to t y p e   is   ar o u n d   9 1   p er ce n t b y   i n p u v o ltag e s   eq u al  to   2 0   v o lts   an d   b y   o u tp u v o ltag 4 3 0   v o lts .   A   tr an s f o r m er   co u p led   m u ltip o r ze r o   v o ltag s w i tch in g   b i d ir ec tio n al  DC - D C   co n v er ter   w it h   w id in p u r an g is   d escr ib ed   in   [ 8 3 ]   ( Fig u r 1 5 ) .   A   p r o to ty p r at ed   at  3 . 5   k W   an d   1 0 0   k Hz  s w itc h in g   f r eq u e n c y   u s i n g   all  f u ll - b r id g es  w s u cc ess f u l l y   te s ted .   T h ef f icie n c y   is   n o r ep o r ted   in   th p ap er .   Ver y   s i m ilar   to p o lo g y   i s   u s ed   in   [ 8 4 ] ,   [ 8 5 ] .       T 1 T 3 T 2 T 4 T R T 5 T 7 T 6 T 8 C 1 L 1   B a t t e r y   V D C b u s C 2 L 2 T 9 T 1 1 T 1 0 T 1 2     C 3 L 3 P V   p a n e l     Fig u r 1 5 .   T h to p o lo g y   o f   t h r ee   p o r t iso lated   DC - DC   co n v e r ter   [ 8 3 ]       I n   [ 8 4 ]   th p r o to t y p w it h   lo w   v o lta g p o r ts   v o lta g es  eq u a to   1 4   a n d   4 2   an d   DC   b u s   v o lta g e   eq u al  to   3 0 0   a n d   1 0 0   k Hz  s w itc h i n g   f r eq u e n c y   ex ce ed s   9 1   p er ce n t e f f icie n c y   b y   w id l o ad   r an g e.   I n   [ 8 6 ]   is   p r o p o s ed   h ig h   s tep   u p   th r ee   p o r co n v er ter ,   th p r o to ty p o f   th co n v er ter   w it h   2 5 0   W   p o w er ,   lo w   v o lta g in p u p o r 2 4   V,   b id ir ec tio n al  b atter y   p o r 4 8   V,   an d   h ig h   v o ltag p o r w it h   4 0 0   f o r   o u tp u is   i m p le m en ted .   T h r ep o r ted   ef f icien c y   ar ab o v 9 4   p er ce n ts   at  all  lo ad   co n d itio n s .   On l y   f e w   p ap er s   ca n   b f o u n d   o n   th m u lti p o r t si n g le  s ta g in v er ter s   [ 8 7 ] - [ 9 1 ] .   I n   [ 8 7 ]   ( Fig u r 1 6 )   is   p r o p o s ed   s o f t - s w itc h ed   is o lated   th r ee   p o r s in g le  s ta g i n v er ter   f o r   p o w er   m a n a g e m en o f   P s y s te m ,   a   b atter y ,   an d   a n   A C   lo ad .   C o n v er ter   ca n   b t u r n ed   o n   u n d e r   th ze r o   v o lta g s w itc h in g   co n d itio n   t h er e f o r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   I SS N :   2088 - 8 6 9 4     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8   :   1223     1 2 3 9   1232   ef f icien c y   i s   h ig h .   T h co n v er ter   h as  t h ad v a n ta g es  o f   u s i n g   les s   ac ti v s w i tch e s   an d   t h at   all  th s w itc h es  ar e   ca p ab le  o f   b ein g   tu r n ed   o n   u n d er   th Z VS c o n d itio n .       T R C 1   T 2 C F T 4 L 2 C 2 B a t t e r y   P V   p a n e l T 1 T 3 L 1 T 5 T 6 T 7 A C   g r i d         Fig u r 1 6 . T h to p o lo g y   o f   th r ee   p o r t sin g le  s ta g D C - DC   co n v er ter   f o r   P ap p licatio n s   [ 8 7 ]       5.   NO VE L   T O P O L O G I E S F O RE N E WAB L E   E N E R G I E S AN L O VO L T A G E   B E SS   I NT E G RA T I O T O   T H E   A G RI D   P r o m is i n g   ap p r o ac h   to   s to r t h e x tr en er g y   w h e n   th lo ad   is   li g h t   an d   to   s u p p l y   t h l o ad   p o w er   d u r in g   th p er io d   w it h o u o r   s h o r tag o f   t h s o u r ce   is   to   u s e   Z - s o u r ce   i n v er ter   w ith   in te g r ated   b atter y   e n er g y   s to r ag e,   th p ap er s   ab o u t h is   to p o lo g y   ar s u m m ar ized   in   [ 9 2 ] .   T h b atter y   is   co n n ec te d   in   p ar allel  to   th e   q u asi - Z - s o u r ce   ca p ac ito r   ( Fig u r e   20 ) ,   it  is   p o s s ib le  to   co n tr o o u tp u p o w er ,   a n d   s tate  o f   ch ar g ( SO C )   o f   t h e   b atter y   at  t h s a m ti m b y   co n tr o llin g   t h s h o o t - t h r o u g h   ( S T )   d u t y   r atio   an d   m o d u lat io n   i n d ex .   T h er ar e   th r ee   p o w er   s o u r ce s   o r   co n s u m er s   -   u n id ir ec tio n a l   DC   s o u r ce ,   b atter y ,   an d   th g r id .   I f   tw o   p o w er   f lo w s   ar co n tr o lled ,   t h t h ir d   o n a u to m at icall y   ta k es  t h p o w er   d if f er e n ce .   I is   p o s s ib le  to   u s e   s in u s o id al  P W ( SP W M )   b as ed   co n tr o f o r   q Z SI  o r   s p ec if ic  q Z SI - S VM .   I n   [ 9 3 ]   is   s h o w n   th at  b y   u s i n g   m o r e   ad v an ce d   co n tr o tech n u iq u th ef f icie n c y   ca n   b in cr ea s ed   b y   ab o u 1   p er ce n t.  I n   [ 9 4 ]   it  is   s h o w n   t h at   co n v er ter   ( Fi g u r 1 7 )   ca n   o p er ate  in   b atter y   c h ar g in g   m o d i n   w id r an g as  c u r r en i n   d io d is   h i g h er   th a n   ze r o   b u th d is ch ar g in g   b atte r y   i s   li m i ted   to   en s u r th at  th co n v er ter   o p er ates  in   th co n ti n u e s   co n d u ctio n   m o d e.   T h er ef o r e,   th b atter y   d is ch ar g p o w er   r atio   o v er   t h in v er ter   o u tp u p o w er   a n d   also   th p o w er   o f   t h e   in v er ter   h av li m i tatio n s   an d   a ls o   it is   n o t p o s s ib le  to   s to r en er g y   in   t h b atter y   f r o m   t h g r id .       T 1 T 3 T 2 T 4 C 1 C 2 L 1 L 2 I 1 T 5 T 6 V B A T R B A T I B A T I C 2 V D C   I D C     A C   g r i d D 1 P V   p a n e l V I N     Fig u r 1 7 .   B atter y   en er g y   s to r ed   q u asi - Z   s o u r ce   in v er ter   ( q Z SI)   [ 9 2 ]       T h m u l tile v el  co n v er ter   ap p licatio n s   i n   p o w er   elec tr o n ic s   b ec o m e s   m o r an d   m o r w id er   b ec au s it   ca n   b ac h iev ed   h i g h er   ef f icie n c y   b y   u s i n g   s e m ico n d u c to r s   w it h   lo w er   v o lta g r atin g s   a n d   b etter   p ar am eter s .   I m p o r tan ad v a n ta g es   o f   s u ch   co n v er ter s   ar i m p r o v ed   o u tp u t   p o w er   q u alit y ,   b ett er   elec tr o m ag n eti c   co m p atib il it y ,   lo w er   s w itc h i n g   lo s s e s .   T h d io d cla m p ed   o r   n eu tr al  p o in la m p ed   i n v er ter s   ar th m o s t   attr ac tiv s o lu tio n   f o r   in d u s tr i al  ap p licatio n s   [ 9 5 ] .   I n   t h p a p er   [ 9 6 ]   it  is   co n c lu d ed ,   th a t h co m b i n atio n   o f   th q Z SI  w it h   NP C   to p o lo g y   in   co m p ar is o n   w it h   tr ad itio n al  NP C   m u ltil e v el  co n v er te r   h av n o v o lta g e   u n b ala n ce   an d   co m m o n   m o d leak ag c u r r en p r o b lem s   s o   also   th is   k i n d   o f   to p o lo g y   ca n   b ex ten d ed   to   u tili ze   B E SS.   As  s i n g le  s tag b u c k   b o o s in v er ter   ca n   b u s ed   i m p ed a n ce   s o u r ce   n et w o r k   b ased   in v er ter .   T h co m p r e h en s iv a n al y tical  co m p ar i s o n   is   d o n i n   [ 9 8 ] .   Ma n y   s o l u tio n s   b ased   o n   Z - s o u r c an d   q Z n et w o r k s   ex is t   b u u s u all y   t h ese   s o l u tio n s   ar u n id ir ec tio n al,   b i d ir ec ti o n al  s o l u tio n s   is   d is c u s s ed   i n   [ 9 9 ] - [ 1 0 2 ] ,   [ 9 7 ]   an d   [ 1 0 3 ] .   Su ch   to p o lo g y   ( Fi g u r 1 8 )   h as  r ed u ce d   p ass iv co m p o n en r ati n g s ,   les s   in p u s e m ic o n d u cto r s   b u m o r e   ca p ac ito r s ,   co n tin u o u s   i n p u t   c u r r en t,  a n d   s u b s ta n tiall y   w id er   r eg u latio n   f r ee d o m .   T h e f f i c ien c y   is   lo w er   t h an   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.