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.   8 ,   No .   4 Dec em b er   2017 ,   p p .   1 5 4 8 ~ 1 5 6 1   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v8 i 4 . pp 1 5 4 8 - 1561          1548       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JP E DS   Bidirectio na l R eso na nt  DC - D C   Co nv erte f o r Micro g rid  Applica tion       J a is ud ha   S . So w m iy a   Srini v a s a n K a ni m o zhi   G .     S c h o o o f   El e c tri c a En g in e e ri n g ,   V IT   Un iv e rsity ,   Ch e n n a i,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   1 7 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Oct   2 0 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Oct   1 ,   2 0 1 7       T h is  p a p e p ro p o se a   n o n - iso late d   so f t - s w it c h in g   b id irec ti o n a DC/DC   c o n v e rter  f o in terf a c in g   e n e rg y   sto ra g e   in   DC   m icro g rid .   T h e   p ro p o se d   c o n v e rter  e m p lo y a   h a lf - b rid g e   b o o st  c o n v e rter  a in p u p o rt  f o ll o w e d   b y   a   L CC  re so n a n tan k   to   a ss ist  in   so f t - s w it c h in g   o f   s w it c h e a n d   d io d e s,  a n d   f in a ll y   a   v o lt a g e   d o u b ler  c ircu it   a th e   o u t p u p o r to   e n h a n c e   th e   v o lt a g e   g a in   b y   t w o   ti m e s.  T h e   L CC  re so n a n c ircu it   a lso   a d d a   su it a b le  v o lt a g e   g a in   to   th e   c o n v e rter.  T h e re f o re ,   o v e ra ll   h ig h   v o lt a g e   g a in   o f   th e   c o n v e rter  is  o b tai n e d   w it h o u a   tra n sf o rm e o larg e   n u m b e o f   m u lt ip li e c ircu it .   F o r   o p e ra ti o n   in   b u c k   m o d e ,   th e   h ig h   sid e   v o lt a g e   is  d iv id e d   b y   h a lf   w it h   c a p a c it iv e   d iv id e to   g a in   h ig h e r   ste p - d o w n   ra ti o .   T h e   c o n v e rter  is  o p e ra ted   a h ig h   f re q u e n c y   to   o b tain   l o w   o u tp u v o lt a g e   rip p le,  re d u c e d   m a g n e ti c a n d   f il ters .   Zero   v o lt a g e   tu rn - o n   is  a c h iev e d   f o a ll   s w it c h e a n d   z e ro   c u rre n tu rn - o n   a n d   tu rn - o f f   is   a c h iev e d   fo a ll   d io d e in   b o t h   m o d e i. e . ,   b u c k /b o o st  o p e ra ti o n .   V o lt a g e   stre ss   a c ro ss   s w it c h e a n d   d io d e   is  c la m p e d   n a tu ra ll y   w it h o u e x tern a sn u b b e c ircu it .   A n   e x p e ri m e n tal  p ro to ty p e   h a b e e n   d e sig n e d ,   b u il a n d   tes ted   in   th e   lab o ra to ry   to   v e ri fy   th e   p e r f o r m a n c e   o f   th e   p ro p o se d   c o n v e rter.     K ey w o r d :   B id ir ec tio n al  DC /D C   co n v er te r     DC   Mic r o g r id     R eso n a n t c o n v er ter   Z er o   cu r r en t S w itch in g   Z er o   v o ltag S w itc h i n g   Co p y rig h ©   201 7   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 :   Kan i m o z h i.G ,     Sch o o l o f   E lectr ical  E n g i n ee r i n g ,   VI T   Un i v er s it y ,   Va n d al u r   k ela m b ak k a m   R o ad ,   C h e n n ai,   I n d ia.   E m ail:  k an i m o z h i.g @ v it.a c. i n       1.   I NT RO D UCT I O N     Mic r o - g r id s   ar e   s m aller   g r id s   co n f i n ed   to   lim ited   ar ea   th at  ca n   b d is co n n ec ted   f r o m   t h tr ad itio n al  g r id   to   o p er ate   au to n o m o u s l y   a n d   t h e y   ab le  to   o p er ate  w h ile  t h m ai n   g r id   is   d o w n .   M icr o - g r id s   ca n   b u ild   u p   g r id   f le x ib ilit y   a n d   h elp   allev iate  g r id   d is tu r b an ce s   as  w ell  as  f u n ctio n   as  g r id   r eso u r ce   f o r   f aster   s y s te m   r esp o n s a n d   r ec o v er y   [1 - 6 ] .   Mic r o - g r id s   s u p p o r f lex ib le  an d   ef f ic ie n elec tr ic  g r id   b y   en ab lin g   t h in teg r atio n   o f   g r o w i n g   d ep lo y m e n ts   o f   d is tr ib u t ed   en er g y   r eso u r ce s   s u ch   a s   r en e w ab le  lik s o lar   as  s h o w n   i n   Fi g u r e1 .   I n   ad d iti o n ,   th u s o f   lo ca s o u r ce s   o f   en er g y   to   s er v lo ca lo ad s   h elp s   r ed u ce   en er g y   lo s s es  i n   tr a n s m i s s io n   an d   d is tr ib u ti o n ,   f u r th er   i n cr e asin g   t h e f f icien c y   o f   t h elec tr ic  d eliv er y     s y s te m   [ 7 ] - [8 ] .   So lar   p h o to v o ltaic,   f u el  ce lls   a n d   b atter y   o u tp u t   ar av ai lab le   as  s o u r ce   in   d f o r m   [ 9 ] - [ 1 0 ]   an d   t h er e f o r e,   an o t h er   s ta g e   o f   co n v er s io n   is   r eq u ir ed   b ef o r its   in ter co n n ec tio n   w i t h   a n   ac   s y s te m   o r   r eg u lated   d s y s te m .   T o   im p r o v th co n v er s io n   ef f icie n c y ,   d g r id   is   an   alter n at iv e   [ 1 1 ] - [ 1 4 ] .   Fig u r e   1   s h o w s   t y p ical  d esi g n   o f   d m icr o - g r id   w ith   l o w - v o lta g b atter y   b u s   o f   4 8   an d   a   h ig h - v o ltag d c - b u s   o f   3 8 0   f ed   b y   n u m er o u s   s o u r ce s   a s   w ell  a s   en er g y   s to r ag ele m e n ts .   T h b atter y   ac t s   as  b ac k u p   d ev ice  o w i n g   to   i ts   h ig h   e n er g y   d en s it y   [ 1 5 ] ,   p r o v id in g   en er g y   u n d er   th e   s te ad y - s tate  co n d itio n   w h e n   t h o th er   s o u r ce s   ar n o t   ca p ab le.   T h u s   a   b id ir ec tio n al  co n v er ter   [ 1 6 ]   is   r eq u ir ed   f o r   v o ltag co n v er s io n   an d   p o w er   f lo w   co n tr o l.   C o n v en tio n al l y ,   t h b id ir ec tio n al  c o n v er ter   h a ve   b ee n   ca te g o r ized   in to   t w o ,   n a m e l y ,   is o lated   [ 1 7 ]   an d   n o n i s o lated   [ 1 8 ] .   A n   is o lated   b id ir ec tio n al  DC / DC   co n v er ter   a ttai n s   h i g h   v o lta g g ai n   b y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       B id ir ec tio n a l R eso n a n t D C - D C   C o n ve r ter fo r   Micr o g r id   A p p lica tio n   ( Ja is u d h a   S. )       1549   ch an g i n g   is o lated   tr an s f o r m er   tu r n   r atio s ,   s u c h   as  f l y b ac k t y p e,   f o r w ar d f l y b ac k t y p e   [ 1 9 - 2 0 ] .     No n   is o lated   c o n v er ter s   o p er ati n g   at  e x tr e m d u t y   c y cle  i n   ei th er   d ir ec ti o n   to   ac h ie v h i g h   s tep   u p /s tep   d o w n   r atio   lead s   t o   ex tr e m s tr ess   o n   d e v ices ,   r esu lt in g   in   lar g r ev er s r ec o v er y   lo s s   an d   h i g h   E MI   is s u es .   H ig h - f r eq u e n c y   o p er atio n   is   v i tal  to   r ea lize  h i g h   p o w er   d en s it y ,   i m p r o v d y n a m ic  ch ar ac ter i s tic s   an d   r ed u ce   au r al  n o i s e .   T h s w itc h in g   f r eq u en c y   o f   t h h ar d   s w itc h i n g   b id ir ec tio n al  co n v er ter   is   r estric ted   d u to   s w itc h i n g   lo s s e s   an d   E MI   p r o b lem .   T h b id ir ec tio n al  p o w er   f lo w   u s i n g   s w itc h ed - ca p ac ito r   co n v er ter   ce lls   h av e   m o d u lar   s tr u c tu r an d   h ig h er   p o w er   h a n d li n g   ca p ab i lit y ,   b u t h n u m b e r   o f   s w it ch es  r eq u ir ed   b ec o m e s   h i g h   [ 2 1 ] T h e ir   m aj o r   d r a w b ac k s   ar h ar d - s w itc h ed   d ev ices   an d   h ig h   cu r r en p u ls ar is e s   s in ce   t w o   ca p ac ito r s   w it h   d is s i m ilar   v o ltag e s   ar co n n ec ted   in   p ar a llel   at  ev er y   s w i tch in g   i n s ta n t .   A   m aj o r   s h o r tco m i n g   o f   t h s w itc h ed   ca p ac ito r -   b ased   co n v er ter   i s   E S R   d r o p   o f   t h ac ti v a n d   p as s iv e   d ev i ce s ,   w h ich   ar e   s i g n i f ican d u e   to   lar g e   n u m b er   o f   s er ies   co n n ec ted   d ev ice s   i n   t h cu r r e n p ath   ca u s in g   r ed u c ed   o u tp u t   v o ltag e .   T h is   l i m it s   th p o w er   lev el   to   w h ic h   th s w itc h ed   ca p ac ito r   co n v er ter   ca n   b f u n ctio n al .   T o   o v er co m e   th e   ab o v d r a w b ac k s ,   a   n o n - is o lated   b id ir ec ti o n al  co n v er ter   w it h   h ig h - v o lt ag g ain   th at  ca n   b ap p lied   to   h ig h   p o w er   lev el   h as  s eld o m   b ee n   s u g g e s ted In   o r d er   to   in cr ea s e   th e   s w itc h i n g   f r eq u en c y   o f   th b id ir ec tio n a l   co n v er ter s   w i th   s o f t   s w itc h i n g   tech n iq u es,  a n   au x iliar y   cir c u it   i n   b o th   f o r w ar d   an d   r ev er s e   m o d es   o f   o p er atio n   to   r ea lize   Z er o   Vo ltag e   S w i t ch in g   ( Z V S)  o r   Z er o   C u r r en t   S w itc h in g   ( Z C S)  o f   th e   s w i tch e s   [ 2 2 - 2 4 ]   is   u s ed .   T h h ig h - e f f icie n c y   b id ir ec tio n al  d c d co n v er ter   f o r   p o w er   s to r ag s y s te m   to p o lo g y   i s   d ev elo p ed   in   [ 2 5 ] ,   w h ich   ca n   b o o s t h v o lta g e   o f   an   e n er g y - s to r ag m o d u le   to   h ig h - v o lta g e   s id d b u s   f o r   g iv e n   lo ad   d e m an d .   W h e n   th e r is   e x ce s s   en er g y   in   h i g h - v o ltag e - s id d b u s th i s   en er g y - s to r ag m o d u le  ca n   b ch ar g ed   b y   th d b u s .   Ho w e v er   o n m aj o r   d is ad v an ta g o f   th i s   m o d u le  is   t h at  th e   an al y s is   i s   d if f ic u lt,  also   it  m a k es t h co n v er ter   b u lk y .   T h p r o p o s ed   to p o l o g y   e m p lo y s   h al f - b r id g b o o s t c o n v er t er   f o llo w ed   b y   a n   L C C   r eso n a n t c ir c u it   an d   v o lta g d o u b ler   cir cu i t .   I is   o p er ated   at  h i g h   f r eq u e n c y   f o r   th ad v a n ta g o f   lo w   o u tp u v o lta g r ip p le  an d   r ed u ce d   m a g n etics.  Z er o   v o ltag t u r n - o n   a n d   Z er o   cu r r en tu r n - o n   /   tu r n - o f f   i s   ac h ie v ed   f o r   all  s w itch e s   an d   d io d es.  V o ltag s tr ess   ac r o s s   s w itc h es  is   le s s   a n d   clam p ed   n atu r all y   w it h o u ex ter n al  s n u b b er   cir cu it.   Mo r eo v er ,   i s u p p le m e n ts   th o u tp u f r o m   t h h alf   b r id g b o o s g i v i n g   h i g h   v o lta g g ain   an d   s o f s w itc h i n g   o f   th p o w er   s w itc h es  w it h i n   t h o p er atin g   r an g e.                 Fig ur e   1 .   A   t y p ica l M icr o - g r id   s y s te m       T h p ap er   is   s tr u ctu r ed   as  f o ll o w s :   Sectio n   1   ex p lo r es c o n v e n tio n al   b id ir ec tio n al  co n v er ter   w i th   i ts   m er its   an d   d e m er it s .   Sectio n   2   g i v e s   a n   o v er v ie w   o f   th e   th eo r etica l   ev al u atio n s   to   d esig n   th e   p r o p o s ed   co n v er ter   an d   d es cr ib es  its   wo r k in g   in   d etail.   Sectio n   3   p r o v id es  an   i n s ig h i n to   th p r o to t y p d ev elo p ed ,   its   s i m u lat io n   r es u lt s   an d   Sec tio n   4   elu cid ates  t h p r o to t y p h ar d w ar i m p le m e n tatio n   f o llo w ed   b y   co n clu s io n   i n   Sectio n   5 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 7   :   1 5 4 8     1 5 6 1       1550   2.   B I DIRE CT I O NAL D C/DC  CO NVER T E R   T h p r o p o s ed   co n v er ter   as sh o w n   i n   Fi g u r 2   h as b o o s t c o n v er ter   ( h alf -   b r id g e)   f o llo w ed   b y   L C C   r eso n an cir c u it.  T h is   L C C   c o m b i n atio n   in cr ea s e s   th v o ltag g ai n   f r o m   h al f - b r id g b o o s an d   ac h iev e s   r eso n an ce   w h e n   o p er ated   at   h i g h   f r eq u en c y .   C o n s eq u e n tl y ,   h i g h   g ai n   is   o b tai n ed   w it h o u t h u s e   o f   tr an s f o r m er .   I n   b o o s m o d o f   o p er atio n   s w itc h es  S 1 ,   S 2   co n d u cts  an d   th b o d y   d io d o f   S 3 ,   S 4   o p er ates.   T h e   d v o ltag at  lo w   s id is   co n v er ted   to   p u ls e d   ac   at  A B .   T h is   p u l s ed   v o ltag o u tp u at  A B   is   co n v er ted   to   s in u s o id al  ac   at  PQ   b y   t h e   L C C   r eso n an t   ta n k .   T h is   i s   f ed   t o   th v o lta g d o u b ler   c u m   r ec tif ier   w h ic h   g i v es   a   DC   o u tp u v o lta g at  h i g h   s i d e.   I n   b u ck   m o d o f   o p er atio n   s w i tch e s   S 3 ,   S 4   a n d   t h b o d y   d io d e s   o f   S 1,   S 2   o p er ates.   T h d v o ltag at  h i g h   s id is   co n v er ted   to   s in u s o id al  ac   at  PQ .   T h is   s i n u s o id al  v o lta g o u tp u t   at   P is   co n v er ted   to   p u ls ed   ac   at  A B   b y   t h L C C   r eso n a n t ta n k   w h ich   f u r t h er   g i v e s   g ai n   o f   0 . 3 9 .   T h is   is   a g ai n   f ed   to   th r ec ti f ier   w h ic h   g i v e s   DC   o u tp u v o ltag at  t h l o w   s id e.   T h s w itc h es  S an d   S r ea lize  Z VS  a n d   d ev ices   D S3   a n d   D S4   ac h ie v es   Z C S.  L C C   co m b i n atio n   is   f o l lo w ed   b y   v o ltag d o u b ler   to   p r o v id g ain   o f   t w o   ti m e s   i n   b u c k   o p er atio n ,   th e   h i g h er   v o lta g i s   d i v id ed   to   h al f   an d   f u r t h er   s tep p ed   d o w n   b y   t h s w itc h es  S 3   a n d   S 4 .   Fu r t h er   L C C   co m b in atio n   p r o v id es Z C S f o r   d io d es D S1   a n d   D S2   an d   Z VS  f o r   s w itch e s   S an d   S 4           Fig u r e   2 .   P r o p o s ed   B id ir ec tio n al  d c/d co n v er ter         2 . 1 .     B o o s t   M o de  O pera t io n     T h s w itc h es  S an d   S 2   ar ON  an d   S an d   S ar OF F   . I n te r v al - as  i n   Fig u r e   4a   (   t 0   < t 1 ):    A t   ti m 0 t t ,s w itc h es   S a n d   S 2   ar O FF .   T h d if f er en ce   b et w ee n   th in d u c to r   cu r r en t   an d   t h r es o n an c u r r e n t   s tar ts   d is c h ar g in g   t h p ar asit ic  ca p ac ito r   C S1   an d   c h ar g e s   C S 2.   P o w er   is   tr an s f er r ed   t h r o u g h   t h o u tp u t   ca p ac ito r s   C 3   an d   C 4 .   A t 1   th p ar asit ic  ca p ac ito r   C S1   is   d is ch ar g ed   an d   C S is   ch ar g e d   im m ed iatel y .   T h cu r r en t t h r o u g h   t h s w itc h e s ,       0 1 1 t i S 0 1 1 t V S   an d d V t V L o w M 1 1 2     --- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -   ( 1 )       W h er e   S ON T T d ON T co n d u ctio n   ti m o f   th m ai n   s w itc h   an d   S T s witch i n g   ti m p er io d .   T h cu r r en t   f lo w i n g   t h r o u g h   t h b o o s t in d u cto r LB i an d   th s w itc h   S cu r r en t   1 S i   ar s a m e .       i . e CB B B L o w V C i L V 1 - - -         -         ( 2 )       0 2 2 1 1 P P Cr r L C V C V C i L - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ---       ( 3 )     W h er 2 P C is   th co m b i n atio n   o f   a ll th o th er   ca p ac ito r s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       B id ir ec tio n a l R eso n a n t D C - D C   C o n ve r ter fo r   Micr o g r id   A p p lica tio n   ( Ja is u d h a   S. )       1551   0 4 4 2 4 2 4 DS Cr DS r C r C i R V V C V V - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -       ( 4)     I n ter v a l - as  s h o w n   i n   F ig u r e   4b   ( t 1   <   < t 2 ):   At 1 t t ,   th p ar asit i ca p ac ito r   1 S C   g ets  d is c h ar g ed   co m p lete l y   an d   2 S C g et s   c h ar g ed   co m p lete l y   as  s h o w n   in   Fi g u r e   3 a T h e   d if f er e n ce   b et w ee n   t h i n d u c to r   cu r r en t   a n d   t h e   r eso n a n c u r r e n d i s ch ar g es   th r o u g h   a n ti   p ar allel  d io d 1 S D   ca u s i n g   ze r o   v o lt ag ac r o s s   S 1 At 1 t t , 4 S D   is   f o r w ar d   b iased .   1 L   an d   1 r C   s tar to   ch ar g s i m u lta n eo u s l y , wh ile   3 C an d   4 C s u p p l y   p o w er   to   th lo ad .   Fin al  v al u e s   ar e , 0 2 1 t i S 0 2 2 t i S d L ow V t S V 1 2 2 ; 0 2 2 t V S .       2 1 2 2 1 t i t i t i L LB Ds - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -         ( 5 )       0 1 1 1 1 2 C LB L S B B L o w C V i i R D Δi L V V     - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -            ( 6 )     I n ter v al - as  s h o w n   in   Fi g u r e   4c   ( t <   <   t ) :   A , 2 t t s w i tch   S 1   is   tu r n ed   o n   u s in g   Z VS ,   LB i   s tar ts   d ec r ea s i n g .   T h c u r r en t   th r o u g h   th e   r eso n a n i n d u ct o r   B L   d ec r ea s es  lin ea r l y   th r o u g h   t h s w i tch   S 1 ca p ac ito r 3 S C ,   r eso n an i n d u c to r   1 L   an d   r eso n an t   ca p ac ito r 1 r C T h d io d 4 S D   s till   co n d u cts  to   ch ar g e   C 4   an d   3 S D is   r ev er s ed   b iased .   T h cu r r en t a n d   v o lta g ex p r ess io n s   ar g iv e n   as       t i t i t i LB L S 1 1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -           ( 7 )       0 2 1 Cr Cr LB B L o w V V i L V - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -     --        ( 8 )     I n ter v al - as  s h o w n   i n   Fi g u r 4   d   ( t <   <   t ) :   A t h i s   in t er v al  S i s   s ti ll  i n   ON   s tate.   T h an ti -   p ar allel  d io d es  at  th o u tp u t   s id ar e   r ev er s b iased .   L o ad   r ec eiv es  th e   p o w er   f r o m   t h o u tp u t   ca p ac ito r 3 C an d   . 4 C At  4 t t   s w itch   S 1   is   t u r n ed   OF F.   Her , 0 3 DS V , 0 4 S V d V V L o w S 1 2   ;   1 S i = LB i   B Cr Cr LB LB LB L V V V t t i i 2 1 3                ( 9 )     1 2 1 3 1 L V V t i Cr Cr L    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -     ( 1 0 )     I n ter v al - as   s h o w n   i n   Fi g u r e   4e   ( t <   t   <   t ) S w i tch e s   S an d   S 2   ar   tu r n ed   OF F.   P ar asit ic  ca p ac ito r   1 S C   g et s   c h ar g ed   co m p letel y   m ea n w h ile  2 S C   g ets  d i s ch a r g ed No   cu r r en f lo w s   to   t h e   lo ad   f r o m   in p u to   lo ad   en d   as   d io d es  ar n o co n d u ctin g .   So   lo ad   is   p o w er ed   b y   3 C an d   . 4 C   A th is   ti m 2 S C   g ets   d is ch ar g ed   an d     1 S C   g ets ch ar g ed   to   D H i g h V 1 .     2 / 2 / H i g h H i g h H i g h V V V - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -       - - - - - - - - - - - - - - - - -     ( 1 1 )     0 2 / 2 3 2 2 1 H i g h Cr S Cr V V D Δ i L L V - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -   ( 1 2 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 7   :   1 5 4 8     1 5 6 1       1552   I n ter v al - as  s h o w n   i n   Fi g u r 4 f   ( t 5   <t 6 ):   An t p ar all el   d io d 2 s D s tar ts   co n d u c tin g   b y   d if f er e n ce s   o f     1 L i an d   LB i w h er S 2   is   p r o v id ed   w it h   g ati n g   p u ls f o r   Z VS  tu r n - on .   An tip ar allel  d io d es  in   th e   o u tp u t sid ar r ev er s b iased .   T h er ef o r e ,   , 0 6 1 t i S 0 6 2 t i S , d V t V L o w S 1 6 2 . 0 6 2 t V S     6 1 6 6 2 t i t i t i L LB DS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -   ( 1 3 )     0 1 2 2 LB L S B B L o w i i R D Δi L V - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -   ( 1 4 )     I n ter v al - as  s h o w n   i n   Fi g u r e   4g   t 6    <   <   t 7 ) :   A 2 t t s w itc h   S 2   is   tu r n ed   o n   u s in g   Z VS ,   B L s tar ts   c h ar g i n g .   I n d u cto r , 1 L   ca p ac ito r s   1 r C   an d   4 S C r eso n a t e   s i m u l ta n eo u s l y .   T h d io d 3 S D is   f o r w a r d   b iased   an d   co n d u cts t h r o u g h o u t th is   i n ter v al .     A 7 t t ,   3 S D tu r n s   o f f .       6 6 t t L V t i t i B LB LB LB - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -   ( 1 5 )     r Cr Cr L Z t V t V i 6 2 6 1 1 - - - - -   W h er   2 1 2 1 1 r r r r r C C C C L Z - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -     ( 1 6 )     I n ter v al - as   s h o w n   i n   F ig u r e   4 h   ( t 7   <   < t 8 ):  A ll   o u tp u d i o d es  ar r ev er s b ia s ed   an d   p o w er   i s   tr an s f er r ed   to   lo ad   b y   t h ca p ac ito r s 3 C an d   . 4 C S w itc h   S 2   is   O a n d   in d u cto r   B L s to r es  en er g y   in   i t .   A t   , 8 t t S 2   is   t u r n ed   OFF .     2 . 2   B uck   M o de  O pera t io n   S /S 4   ar ON  an d   S 1   / S 2   ar s w itc h ed   OF F   f o r   t h co m p lete   b u ck   o p er atio n .   I n ter v a 1   as  s h o w n   in   Fig u r 5 a     t 0   < t 1 ):   I n   th b eg in n i n g   o f   th i s   in ter v al,   s w it ch es  S 3   an d   S ar tu r n ed   o f f .   P ar asit ic  ca p ac ito r   C S3   s tar t s   d is ch ar g i n g   a n d   ca p ac ito r   C S4   s tar ts   c h ar g i n g   v ia  r eso n an cu r r en i L2   as  s h o w n   i n   Fi g u r e   3b .   Dio d D S2   at   th e   o u tp u s id e   is   f o r w a r d   b iased .   E n er g y   ac c u m u late d   in   in d u cto r   L B   i s   tr an s m it ted   to   o u tp u ca p ac ito r   C o   v ia  a n ti  p ar allel   d io d D 2 .   T h er is   p o w er   tr an s f er   to   t h lo ad   b y   o u tp u t   ca p ac ito r   C o .   B y   t h e n d   o f   th i s   in ter v a p ar asit ic  ca p ac ito r   C S3   is   co m p letel y   d is c h ar g ed   a n d   p ar asit ic  ca p ac ito r   C S4   is   co m p letel y   ch ar g ed   to   V High .   T h f in al  v al u es  o f   co m p o n en ts   ar i S3   ( t 1 )   0 ,   i S4   ( t 1 )   0 ,   V S3 = V High   an d   V S4 =0 .   R eso n an in d u cto r   L 1   cu r r en t is  g i v en   b y           B L L S D i i i 1 2         ( 1 7 )     I n ter v al  2   as  s h o w n   i n   Fi g u r 5 b   t 1   <   t <t 2 ):  At   th b e g i n n i n g   o f   th i s   i n ter v al,   p ar asit ic  ca p a cito r   C S3   is   d is c h ar g ed   co m p letel y   a n d   p ar asit ic  ca p ac ito r   C S4   is   ch ar g ed   co m p letel y .   R eso n an t   i n d u cto r   ( L 2 )   c u r r en i L2   f lo w s   v ia  an ti  p ar allel  d io d D S3   r esu lti n g   i n   ze r o   v o ltag co n d itio n   ac r o s s   s w itc h   S 3 D io d D S2   s till   co n d u cts   an d   d io d D S1   is   u n d er   r ev er s b ias   co n d itio n .   T h f in al   v alu e s   ar i S3   (t 2 ) =0 ,   i S4 (t 2 ) =0 ,   V S3 (t 2 ) =0   an d   V S4 (t 2 ) = V High .   R e s o n a n t i n d u ct o r   cu r r en L 2   is   g iv e n   b y     2 1 2 5 . 0 L V V i H i g h Cr L                 ( 1 8 )     0 2 4 2 1 H i g h S C r C r C V V V V               ( 1 9 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       B id ir ec tio n a l R eso n a n t D C - D C   C o n ve r ter fo r   Micr o g r id   A p p lica tio n   ( Ja is u d h a   S. )       1553   r r C Cr L Z V V i 2 1 1    w h er 1 3 2 1 3 r C C r C r C C r Z           ( 2 0 )           ( a)   ( b )     Fig u r 3 .   T h eo r etica l w a v e f o r m s   ( a)   B o o s m o d e   o p er atio n   ( b )   B u ck   m o d o p er atio n       I n ter v al  3   as  s h o w n   i n   F ig u r e   5 t 2   < t 3 ):   W h e n   t = t 2 ,   s w itc h   S 3   i s   s w i tch ed   o n   w it h   Z V S .   v o ltag e   V High/2   is   ap p lied   o n   r e s o n an t c ir c u it  v ia   s w i tch   S 3 .   R eso n an ca p ac ito r   C r1   r eso n ate s   w it h   ca p ac ito r   C 3 .   A o u tp u e n d   en er g y   is   tr a n s f er r ed   to   l o ad   b y   o u tp u ca p ac i to r   C B .   Dio d D S2   co n tin u e s   to   co n d u ct  f r ee w h ee l   en er g y   s to r ed   in   in d u c to r   L B .   R eso n a n in d u cto r   ( L 1 )   cu r r en i L 1   co n ti n u es  to   f lo w   th r o u g h   d io d D S2 .   T h is   in ter v a l e n d s   at  t = t 3   w h e n   s w it ch   S 3   is   tu r n ed   OFF.     I n ter v al  4   as  s h o w n   i n   Fi g u r e   5 d   t t 4 ):   S w i tch e s   S 3   an d   S 4   in   t h is   i n ter v al   ar tu r n ed   OFF.   P ar asit ic  ca p ac ito r   C 4   s tar ts   d i s ch ar g in g   a n d   ca p ac ito r   C 3   s t ar ts   ch ar g i n g   t h r o u g h   r eso n a n cu r r en i Lr 2 .   An ti - p ar allel  d io d e   D 2   is   s til l   in   f o r w ar d   b ias ed   co n d itio n .     P o w er   s u p p l y   to   lo ad   is   p r o v id ed   b y   o u tp u ca p ac itan ce   C B .   W h e n   t = t 4   p ar asit ic  ca p ac itan ce   C 4   is   co m p letel y   d is c h ar g ed   an d   p ar asit ic  ca p ac itan c C 3   is   co m p letel y   ch ar g ed   to   V H .   T h f in al  v alu e s   o f   th e s p ar a m eter s   ar i S3   ( t 4 )   0 ,   i S4   ( t 4 )   =   0 ,   V S3 = V H   an d   V S4 =0 .     I n ter v al  5   as   s h o w n   i n   Fig u r 5 t 4   < t  < t 5 ) D u r i n g   th i s   i n te r v al,   th a n ti - p ar allel  d io d D 4   s tar ts   to   co n d u ct  t h r o u g h   r e s o n a n i n d u cto r     cu r r en i Lr2   s o   t h at  S 4   co u ld   b g ated   f o r   t u r n   o n   b y   Z V S .   T h an ti - p ar allel   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 7   :   1 5 4 8     1 5 6 1       1554   d io d D 2   is   s till   co n d u ctin g   alo n g   th o u tp u s id e .   B y   t h is   i n ter v al  e n d   th an ti - p ar allel  d io d D 2   tu r n s   o f f   b y   Z C S .   T h f in al  v alu e s   o f   th e s p ar a m eter s   i S3 (t 5 ) =0 ,   i S4 (t 5 ) =0 ,   V S4 (t 5 ) =0 ,   V S3 (t 5 ) = V H I n te r v al  6   as  s h o w n   i n   Fig u r e   5 f   t 5   t <   t6 ) At   t = t 5   s w itc h   S 4   is   t u r n ed   o n   w i th   ze r o   v o ltag e   ac r o s s   it .   T h er ef o r e,   r eso n an t   cu r r e n i Lr2   is   d iv er ted   th r o u g h   s w i tch   S 4 .   An ti - p ar allel  d io d D is   also   f o r w ar d   at  s tar o f   th i s   i n ter v al  an d   it  s tar ch ar g i n g   ca p ac ito r   C 5 .   At  t = t 6   an ti - p ar allel  d io d D 1   tu r n s   o f f   w it h   ze r o   c u r r en t .   I n ter v al  7   a s   s h o w n   i n     Fig u r 5 g     t t 7 ):   No n o f   th an t i - p ar allel  d io d D 1   an d   D 2   is   co n d u cti n g .   S w itc h   S 4   is   tu r n ed   ON   f o r   th is   co m p lete  in ter v al .   A t = t 7   s w itc h   S 4   is   tu r n ed   OFF.         ( a)       ( b )       ( c)       ( d )       ( e)       ( f )         ( g )       ( h )       Fig u r 4 .   E q u iv ale n t c ir cu it s   d u r in g   d if f er en m o d es o f   b o o s t   o p er atio n       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       B id ir ec tio n a l R eso n a n t D C - D C   C o n ve r ter fo r   Micr o g r id   A p p lica tio n   ( Ja is u d h a   S. )       1555   C u r r en t th r o u g h   in d u cto r   L B   i s   g iv e n   b y   ) ( ) ( ) ( 0 0 1 t t L V t i t i B B L B L B L - - - - - - - - -   -     (2 1 )     C u r r en t th r o u g h   d io d 2 S D   is   g iv e n   b y   ) ( ) ( ) ( 0 0 0 2 t t i t t i t t i B L B L S D - - - - - - - - - - - - - - - -     (2 2 )       ( a)     ( b )     ( c)       ( d )     ( e)       ( f )       ( g )     Fig u r e   5 .   E q u iv ale n t c ir cu it s   d u r in g   d if f er en m o d es o f   b u c k   o p er atio n       2 . 3 .         G a in o f   t he  Co nv er t er   2 . 3 . 1 .   B o o s t   M o de  G a in   T h o v er all  g ain   o f   t h co n v e r ter   is   co n tr ib u ted   b y   t h r ee   s t ag es.  T h g ain   g i v en   b y   f r o n t   en d   h alf   b r id g b o o s co n v er ter   is d V L o w 1 .   T h is   is   f o llo w ed   b y   s ec o n d   s t ag L C C   r es o n a n c ir cu it  to   p r o v id v o ltag g ai n   co r r esp o n d in g   to   th o p er atin g   f r eq u en c y .   T h e   f i n al  s tag o f   t h cir cu it  is   t h v o lta g d o u b ler   en h a n ci n g   co n v er ter   g a in   b y   t w o   ti m es.  T h u s   o v er all  g ai n   i s   g iv e n   b y     D f G V V b o o s t L o w H i g h 1 2 w h er ac ac Cr Cr L ac ac L b o o s t R R X X X R R X f G 2 1 1 1       ( 3 0 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 7   :   1 5 4 8     1 5 6 1       1556     ac R is   ef f ec ti v r es is ta n ce   o f   ac   lo ad   w h ich   is 2 2 dc ac R R , 2 , 2 , 2 , 1 C Cr Cr Cr X X X X ar r e ac tan ce   o f   2 , 1 , 1 , 1 r r C L L C   r esp ec tiv el y .   D   d u t y   c y c le,   f   i s   s w itc h i n g   f r eq u e n c y .     2 . 3 . 2 .   B uck   m o de  ra t io   On l y   h al f   t h v o ltag e   V H   i s   ap p lied   to   th r eso n an t   co m p o n en o n   ac co u n o f   v o lta g d iv id er   cir cu it .   T h o v er all  s tep   d o w n   r atio   ca n   b ex p r ess ed   as        ) ( 5 . 0 f B u c k G B u c k D H i g h V L o w V -         ( 3 1 )     w h er   1 2 2 1 2 1 1 1 1 2 1 2 1 1 1 1 r ac r ac r L r L ac L r r r r ac B u c k C R C R C R s R R C C C L C L s C sR G C R r       3 .         SI M UL AT I O R E SU L T S   T h co n v er ter   is   o p er ated   at  8 3 k Hz  w it h   an   in p u v o lt ag e,   V L ow =2 4 an d   o u tp u v o ltag e,   V hig h =2 4 0 V.   D u t y   c y cle  is   4 7 w it h   a n   ap p r o p r iate  d ea d   t i m e.   T h b o o s m o d w a v e f o r m s   ar e   s h o w n   i n   Fig u r 6 .   I is   o b s er v ed   t h at  t h D C   i n p u v o lta g at  lo w   s i d is   co n v er ted   to   p u ls ed   ac   v o ltag at  A B   ( r ef er   Fig u r e   6a ,   th en   r eso n an ce   alo n g   w it h   g ai n   o f   5   is   ac h iev ed   at  L C C   tan k   g i v i n g   s in u s o id al  ac   o u tp u at   PQ . T h is   s in u s o id al  o u tp u at  P is   r ec tif ied   to   b o o s ted   DC   o u tp u b y   th v o lta g d o u b ler .   Z VS  f o r   s w itc h es   S 1   an d   S 2   a r d ep icted   in   Fig u r e   6 b   an d   d io d es in   Fig u r 6 c.   Z C S f o r   t h d io d is   s h o w n   i n   Fig u r 6 d .           ( a)             ( b )               ( c)             ( d )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       B id ir ec tio n a l R eso n a n t D C - D C   C o n ve r ter fo r   Micr o g r id   A p p lica tio n   ( Ja is u d h a   S. )       1557     Fig u r 6 .   Si m u lated   w av e f o r m s   f o r   b o o s t o p er atio n   ( a)   Stag w i s v o lta g w av e f o r m s   in c lu d in g   h ig h   s id in p u v o ltag e,   v o ltag ac r o s s   PQ ,   v o ltag ac r o s s   A B   an d   o u tp u t a t lo w   s id ( b )   Gate   s o u r ce ,   d r ain   s o u r ce   v o ltag a n d   cu r r en w a v e f o r m s   f o r   s w itc h   S 1   ( c)   Gate   s o u r ce ,   d r ain   s o u r ce   v o ltag a n d   cu r r en w av e f o r m s   f o r   s w itc h   S     (d )   C u r r en t a n d   v o lt ag w av e f o r m s   ac r o s s   t h d io d D S4   an d   r eso n a n t i n d u cto r .     Fo r   B u ck   m o d o f   o p e r atio n ,   th e   in p u v o lta g V L ow =2 0 0 V   is   s u p p lied   an d   th w a v e f o r m s   ar e   illu s tr ated   in   Fi g u r 7 .   I is   o b s er v ed   th at   t h D C   i n p u t   v o ltag at   h ig h   s id is   co n v er te d   to   s in u s o id al   ac   v o ltag e   at  P b y   v o ltag e   d iv i d er ,   th en   r eso n a n ce   alo n g   w it h   a   g ai n   o f   0 . 3 9   is   ac h ie v ed   a L C C   ta n k   g iv e s   p u ls ed   ac   o u tp u t a A B .   T h is   p u ls ed   o u tp u t a A B   is   co n v er ted   to   DC   o u tp u b y   t h r ec tif ier .               ( a)             ( b )                 ( c)               ( d )     Fig u r e   7 .   Si m u latio n   w av e f o r m s   f o r   b u ck   o p er atio n   ( a)   Gate   s o u r ce   v o ltag f o r   s w itc h es  S an d   S 4   ( b )   R eso n a n t i n d u cto r   cu r r en t a n d   r eso n an t c ap ac ito r   v o lta g w a v ef o r m s   ( c)   Gate   So u r ce   v o lta g e, Dr ain   So u r ce   Vo ltag an d   C u r r en t a cr o s s   S w itc h   S ( d )   Gate   s o u r ce   v o lta g e,   Dr ain   So u r ce   Vo ltag an d   C u r r en t a cr o s s   S w itc h   S 4.       4 .      H ARDWA RE   RE SUL T S F O T H E   CO NV E R T E R   T h h ar d w ar s e u p   o f   t h co n v er ter   s h o w n   i n   Fi g u r e   an d   t h s p ec i f icatio n s   ar g iv en   i n     T ab le   1 .   T h g ate  p u ls es   to   t h MO SF E T s   ar p r o v id ed   b y   D SP   b o ar d   T MS3 2 0 F2 8 1 2 .     T MS3 2 0 F2 8 1 2   is   ch o s e n   d u to   its   h i g h   P W r eso lu tio n   as  w ell  as i ts   f lex ib il it y   i n   P W f r eq u en c y   s etti n g .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.