I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv S y s t em s   ( I J P E DS )   Vo l.   12 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 2 1 ,   p p .   2 3 5 8 ~ 23 71   I SS N:  2088 - 8 6 9 4 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / ijp ed s . v 1 2 . i4 . pp 2 3 5 8 - 23 71          2358       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Sma ll - sig na l ana ly sis  of a sing le - sta g e bridgeles s bo o st half - bridg e AC/ DC co nv erte with  bidir ectiona l swit ch       M o ha m a d Af f a n M o hd   No h 1 M o hd   Ro dh i Sa h id 2 T ha ng   K a   F ei 3 ,   Ra v i La k s hm a na n 4   1, 3 ,4 S c h o o o f   En g in e e ri n g ,   As ia P a c ifi c   Un iv e rsity   o Tec h n o l o g y   &   In n o v a ti o n M a lay sia     1, 2 S c h o o l   o E lec tri c a En g i n e e rin g ,   Un i v e rsiti   Te k n o lo g M a lay sia M a lay sia       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   2 2 ,   2 0 2 1   R ev is ed   Sep   2 8 ,   2 0 2 1   Acc ep ted   Oct  5 ,   2 0 2 1       A   sm a l l - s i g n a l   a n a l y s is   o f   a   s i n g l e - s ta g e   b r i d g e l e ss   b o o s h a l f - b r i d g e   a l t e r n a t i n g   c u r re n t / d i r e c c u r r e n t   ( A C / DC )   c o n v e r t e r   w i t h   b i d i r e c t i o n a s w i t c h e s   i s   p e r f o r m e d   u s i n g   c i r c u i t   a v e r a g i n g   m e t h o d .   T h e   c o m p r e h e n s i v e   a p p r o a c h   t o   d e v e l o p   t h e   s m a l l   s ig n a l   m o d e l   f r o m   t h e   s t e a d y   s t a t e   a n a l y s i s   is  d i s c u s s e d .   T h e   s m a l l - s i g n a l   m o d e i s   t h e n   s i m u l a t e d   w i t h   M A T L A B / S i m u l i n k .   T h e   s m a l l - s i g n a l   m o d e l   i s   v e r i f i e d   t h r o u g h   t h e   c o m p a r i s o n   o f   t h e   b o d e - p l o t   o b t a i n e d   f r o m   M A T L A B / S im u l i n k   a n d   t h e   s i m u l a t e d   la r g e   s i g n a l   m o d e l   i n   p i e c e w is e   l i n e a r   e le c tr i c a l   c i rc u i t   s i m u l a t i o n   ( P L E C S ) .   T h e   m a t h e m a t i c a m o d e l   o b t a i n   f r o m   t h e   s m a l l - s i g n a l   a n a l y s i s   is   t h e n   u s e d   t o   d e t e r m i n e   t h e   p r o p o r t i o n a l   g a i n     a n d   i n t e g r a l   g a i n   .   I n   a d d i t i o n ,   t h e   s w i t c h   l a r g e - si g n a m o d e l   i s   d e v e l o p e d   b y   c o n s i d e r i n g   t h e   c u r r e n t   a n d   v o l t a g e   w a v e f o rm s   d u r i n g   l o a d   t r a n s i e n t s   a n d   s t e a d y - s t a t e   c o n d i t i o n s .   K ey w o r d s :   AC /D C   co n v er ter   B o o s t - h alf   b r id g e     B r id g eless     Po wer   f ac to r   co r r ec tio n   Sm all - s ig n al   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Mo h am ad   Af f an   Mo h d   No h   Sch o o l o f   E n g in ee r in g   Asi Pacif ic  Un iv er s ity   o f   T ec h n o lo g y   &   I n n o v atio n   J alan   T ek n o lo g i 5 ,   T am a n   T ek n o lo g i M alay s ia,   5 7 0 0 0   Ku ala   L u m p u r ,   Ma lay s ia   E m ail: m o h am ad . af f an @ ap u . e d u . m y       1.   I NT RO D UCT I O   N o w a d a y s ,   t h e   u s a g e   o f   e l e c t r o n i c   e q u i p m e n t s   h a s   i n c r e a s e d   d r a s t i c a l l y .   T h e   r e q u i r e m e n t   s e t   u p   b y   a   r e g u l a t o r y   b o d y   s u c h   a s   8 0 P l u s   [ 1 ]   a n d   E n e r g y   S t a r   [ 2 ] ,   [ 3 ]   h a s   g a i n   c o n s u m e r   a t t e n t i o n   w h i c h   d e m a n d   l e s s   h a r m o n i c ,   h i g h   p o w e r   f a c t o r   a n d   h i g h e r   e f f i c i e n c y   s y s t e m .   S i g n i f i c a n t l y ,   t h e s e   t r e n d   m a k e s   t h e   p o w e r   f a c t o r   c o r r e c t i o n   ( P F C )   b e c o m i n g   i m p o r t a n t   a s p e c t   e v e n   f o r   l o w   p o w e r   e l e c t r o n i c   e q u i p m e n t s .   T h u s ,   r e s e a r c h e r s   h a v e   p r o p o s e d   a   n e w   P F C   t e c h n i q u e   w h i c h   c o m p l y   t h e   s e t u p   s t a n d a r d   s u c h   a s   I E C 5 5 5 - 2   a n d   I E C 6 1 0 0 - 4 - 7 .   I n   a d d i t i o n ,   t h e   g a l v a n i c   i s o l a t i o n   i s   a l s o   o n e   o f   t h e   s t a t e   r e q u i r e m e n t s   i n   i n t e r n a t i o n a l   e l e c t r o t e c h n i c a l   c o m m i s s i o n   ( I E C )   s t a n d a r d   [ 4 ]   f o r   t h e   s a f e t y   o f   t h e   e n d   u s e r .   H o w e v e r ,   t h e   t o t a l   c o s t   i s   a l s o   o n e   o f   t h e   k e y   f a c t o r s   t o   m e e t   t h e   s e t u p   r e q u i r e m e n t s .   T h u s ,   a s   t h e   c o m p a r i s o n   t o   t w o - s t a g e   s c h e m e ,   s i n g l e   s t a g e   s c h e m e   i s   c o s t   e f f e c t i v e   [ 5 ] .   S i n g l e   s t a g e   p o w e r   c o n v e r t e r   i n t e g r a t e s   t h e   P F C   a n d   d i r e c t   c u r r e n t - d i r e c t   c u r r e n t   ( D C - D C )   c o n v e r t e r   c i r c u i t   w h i c h   s i g n i f i c a n t l y   r e d u c e   t h e   n u m b e r   o f   c o m p o n e n t s   [ 6 ] .   H o w e v e r ,   t h e   s l o w   i n p u t   b r i d g e   d i o d e s   a n d   b u l k y   D C   l i n k   c a p a c i t o r   s i g n i f i c a n t l y   l e a d s   t o   p o w e r   l o s s e s .   T h e   p r o p o s e d   s i n g l e   s t a g e   s e m i - b r i d g e l e s s   c o n v e r t e r   w i t h o u t   b u l k y   D C   l i n k   c a p a c i t o r   [ 7 ] ,   [ 8 ]   s i g n i f i c a n t l y   r e d u c e   t h e   c o n v e r t e r   p o w e r   l o s s e s .   T h u s ,   i m p r o v e d   t h e   c o n v e r s i o n   e f f i c i e n c y   w i t h   l e s s   c o m p o n e n t s   c o u n t .     An y   n ew   p r o p o s ed   cir cu it  to p o lo g ies  s h o u ld   co n s id er   th e   m ain   an aly s is   o f   b o t h   lar g e - s ig n al  m o d el  an d   s m all - s ig n al  m o d el  [ 9 ] .   T h lar g e - s ig n al  an aly s is   is   f o r   co m p o n en ts   d esig n   s u ch   as  tr an s f o r m er ,   in d u ctan ce   a n d   ca p ac itan ce .   T h s m all - s ig n al  m o d el  is   to   in v esti g ate  th b eh av io r   o f   p o wer   co n v er t o r .   Sev er al  m eth o d s   h av b ee n   p r esen ted   to   d er iv th s m all  s ig n al  m o d el  o f   s witch ed   m o d co n v er ter   n am ely   cir c u it  av er a g in g   [ 1 0 ] - [ 1 7 ] ,   s tate - s p ac e   av e r ag in g   [ 18] - [ 2 3 ]   an d   cu r r en t   in jecte d   eq u i v alen cir c u it   ap p r o ac h   [ 2 1 ] ,   [ 2 2 ].   I n   cir cu it   av er ag i n g   tec h n iq u e,   th e   av er ag in g   a n d   lin ea r izatio n   o p er at io n s   ar p er f o r m e d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       S ma ll - s ig n a l a n a lysi s   o f a   s in g le - s ta g b r id g eless   b o o s t h a lf - b r id g e   …  ( Mo h a ma d   A ffa n   B i n   Mo h d   N o h )   2359   d ir ec tly   f r o m   th co n v er ter   cir cu it.   T h s m all - s ig n al  eq u atio n   is   d er iv ed   f r o m   th e   s tead y   s tate  o p er atio n   o f   th e   co n v er ter   cir cu it .   T h s tead y - s tate  eq u atio n   is   d er iv e d   f r o m   th cir cu it  o p er atio n   an d   w av ef o r m   an aly s is   in   o n s witch in g   p er i o d .   I is   a s s u m ed   th at  th e   co m p o n e n ts   ar l o s s less   an d   id ea l.  T h is   is   to   s im p lif y   th e   eq u atio n   wh ic h   d er iv e   f r o m   s tead y - s tate  an d   s m all - s ig n al  an aly s is   I n   th is   p ap er ,   th s m all - s ig n al  o f   b r id g eless   AC /D C   c o n v er ter   with   b id ir ec tio n al  s witch es  a s   d ep icted   in   Fig u r e   1   is   p r esen ted .   T h e   f u ll   b r id g eless   o f   th e   p r o p o s ed   ci r cu it  to p o lo g y   eli m in ated   th e   b r id g e   r ec tifie r   o f   c o n v e n tio n al  c ir cu it  to p o lo g y   an d   th s em i - b r id g eless   d io d es  [ 7 ] ,   [ 8 ]   in   co n v e n tio n al   b r id g eless   cir cu it.  T h i d ea   o f   th p r o p o s ed   c o n v er te r   is   b a s ed   o n   th p r im ar y   s id [ 18 ]   b u with o u d io d es  p r esen ted   wh ich   f u r th er   elim in ate  th lin f r eq u en cy   r ec ti f ier   lo s s es .   I n   ad d itio n ,   t h b id ir ec tio n al  s witch   co n ce p t   is   d er iv e d   f r o m   th e   t o p o lo g ies   in   [ 2 4 ] - [ 3 1 ] T h e   b i d ir ec tio n al  s witch es  s im p lify   th m o d o f   cir cu it  o p er atio n   an d   co n t r o s ig n al.   T h e   s m all - s ig n al  m o d el  is   d ev elo p   u s in g   th e   s im ilar   p r o ce d u r e   in   [ 1 9 ] ,   [ 2 3 ] .   T h e   s m all - s ig n al  m o d el  is   th en   u s ed   to   f in d   th c o n tr o l - to - o u tp u tr an s f er   f u n ctio n   o f   th co n v er ter .   T h en ,   th e   d er iv ed   t r an s f er   f u n ctio n   o f   t h p r o p o s ed   cir cu it  is   s im u lated   in   MA T L AB /Si m u lin k .   T h b o d p l o o b tai n   f r o m   th MA T L AB /Si m u lin k   is   th en   v er if ied   with   th b o d e - p lo o b tain ed   f r o m   th lar g ci r cu it  m o d el  wh ich   s im u lated   with   PLE C S.  I n   ad d itio n ,   s witch   lar g e - s ig n al  m o d el  is   p r o p o s ed   wh ich   is   d er i v f r o m   th s tead y - s tate  eq u ati o n .   T h m o d el  is   d esig n ed   with   th cir cu it  p ar am eter s   as st ated   in   T ab le  1 .     T h cir cu it   lev el  s im u latio n   a n d   e x p er im e n tal  v er i f icatio n   r esu lts   will  b p r esen ted   in   an o th er   r e p o r t.   T h is   r ep o r t w ill o n ly   b d is cu s s ed   o n   th v er if icatio n   o f   th d er iv ed   s m all   s ig n al  eq u atio n   with   MA T L AB   an d   PLE C S so f twar e.   I n   n u ts h ell,   th is   wo r k s .     E lim in ates  th d r awb ac k s   o f   b r i d g r ec tifie r   in   co n v en tio n al  AC /DC   co n v er ter   cir c u it  an d   s em i - b r id g eless   AC /DC   co n v en tio n al  cir cu it     E lim in ates th cr o s s o v er   d is to r tio n   o f   in p u t   c u r r e n t a t h ig h   f r eq u en cy   o f   in p u t su p p ly     I n p u t c u r r en h ar m o n ic  wh ich   co m p ly   to   th I E C   6 0 0 0 - 3 - 2   s t an d ar d     I m p r o v in p u t p o wer   f ac to r     R ed u ce   th co m p o n en ts   co u n t     Simp lify   th m o d es o f   cir c u it o p er atio n   a n d   c o n tr o l sig n al   I n   s ec tio n   2 ,   th d etails  s tead y   s tate  an aly s is   o f   th p r o p o s ed   cir cu it  to p o l o g y   will  b d is cu s s ed .   T h e   m o d es  o f   cir c u it  o p e r atio n   with   s witch in g   wav ef o r m s   a r illu s tr ated   to   s u p p o r t   th d er i v atio n   o f   r elea ted   eq u atio n s .   Sectio n   3   p r esen ted   th s m all  s ig n al  an aly s is   an d   d er iv atio n   s tep s   to   o b tain ed   t h tr an s f er   f u n ctio n ;   co n tr o l - to - o u p u t,  o u tp u t - to - in p u t,  an d   im p e d an ce .   Nex t,  th e   co n v er ter   s m all  s ig n al  b lo c k   d iag r am   in   Simu lin k   an d   in   PECS   is   p r o p o s ed .   Sectio n   4   p r esen ted   th r esu lts   f r o m   b o th   MA T L AB /Si m u lin k   an d   PLE C f o r   v er if icatio n .   I n   ad d itio n ,   th e   lar g s ig n al  s witch   m o d el  is   o b tain ed .   Fin ally ,   s ec tio n   5   g iv es  th co n clu s io n .             Fig u r 1 .   Pro p o s ed   AC - DC   f u ll  b r id g eless   h alf - b r i d g with   b id ir ec tio n al  s witch       T ab le  1 .   Pro p o s ed   cir c u it p ar a m eter s   P a r a me t e r s   V a l u e s   I n p u t   v o l t a g e ,      1 1 5   V r ms   I n p u t   l i n e   f r e q u e n c y ,   5 0   H z   S w i t c h i n g   f r e q u e n c y ,     5 0   k H z   O u t p u t   v o l t a g e ,     2 0   V   D C   B o o st   i n d u c t o r   1 , 2   5 0 0   µ H   I n d u c t o r     1 0 0   µ H   C a p a c i t o r   1 , 2   0 . 1   µ F   C a p a c i t o r     1 0   mF         2.   ST E ADY  S T A T E   AN AL Y S I S   I n   th is   an aly s is ,   all  s witch es  a n d   co m p o n e n ts   ar ass u m ed   t o   b id ea an d   th a n aly s is   o n ly   ca r r ied   o u at  t h p o s itiv h alf   lin c y cle.   Fig u r e   2   s h o ws  th f o u r   m o d o f   cir cu it  o p er atio n   at  p o s itiv h alf   c y cle  o f   in p u t v o ltag e    .   At  M o d 1 ,   th e   Kir ch h o f f   v o ltag e   law   ( KVL )   eq u atio n   at  p r im ar y   s id is :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J  Po E lec  &   Dr i   Sy s t,   Vo l.  12 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 2 1     2358     23 71   2360    = 1 + 1 + 2 + 2   ( 1 )     As  d ep icted   in   Fig u r ( a) ,   ca p ac ito r   1   is   co n n ec ted   in   p ar allel  with   th tr an s f o r m er   p r im ar y   win d in g .   C ap ac ito r   1   d is ch ar g e d   to   p r im ar y   win d in g .   T h v a lu o f   ca p ac ito r   1   an d   2   ar also   eq u al,   an d   ca p ac ito r   2   is   in   c h ar g i n g   m o d e.   As  d ep icted   f r o m   t h k ey   wav ef o r m ,   th e   ca p ac ito r   v o lt ag 1   an d   2   is   eq u al  to   th e   d if f er e n ce   b etwe en   th in p u v o lta g an d   th b o o s in d u cto r   v o ltag e .   T h ca p ac ito r   v o lta g is   at   m in im u m   o r   m ax im u m   at  s tar tin g   o f   ea ch   s witch in g   m o d e.   T h is   is   d u to   th ca p ac ito r   wh ich   is   alm o s f u ll ch ar g ed   o r   f u ll y   d is ch ar g ed   at  th en d   o f   s witch in g   m o d e.   T h u s ,   ass u m th e   ca p ac ito r   2   v o ltag e ;   2   0     an d   th ca p ac ito r   1   v o ltag e 1   e q u al  to   tr an s f o r m er   p r im ar y   v o ltag e   .   T h v al u o f   t h in d u c to r   1   an d   2   ar eq u al.   T h er ef o r e,   ( 1 )   ca n   b s im p lifie d   as .        = 2 + + 2   ( 2 )     T h tr an s f o r m er   tu r n   r atio     is   g iv en   b y :     = = =   ( 3 )     wh er tr an s f o r m er   win d in g   n u m b er   o f   tu r n s   at  p r im ar y   s id   an d   s ec o n d a r y   s id .   T h u s ,   th v o ltag eq u atio n   at  s ec o n d ar y   s id e   +   in   M o d 1   is .     + = +   ( 4 )     At  M o d 2   in   Fig u r 2   ( b) th e   KVL   eq u atio n   at  p r im ar y   s id is .      = 1 + 1 + 2 + 2   ( 5 )     T h u s ,   th in d u cto r   v o ltag ca n   b wr itten   as:     = 1 2 (  1 2 )   ( 6 )     Mo d 3   in   Fig u r 2   ( c)   is   s im ilar   to   M o d 1 .   T h u s th v o ltag eq u atio n   at  s ec o n d ar y   s id e   ;     = +   ( 7 )     wh er is   v o ltag d r o p   at  o u p u t   in d u cto r   an d     is   th e   lo ad   v o lta g e.   T h b o o s m o d e   o p e r atio n   at   p r im ar y   s id in   Mo d 4   is   th s am as  Mo d 2 .   T h u s ,   th e   KVL   eq u atio n   f o r   m o d 4   in   Fig u r 2   ( d )   is   th s am as ( 5 ) .   T h v o ltag d r o p   eq u atio n   at  o u tp u t in d u cto r   is .     =   ( 8 )     Su b s titu te  ( 2 ) - ( 5 )   to   ( 1 ) ,   th u s   th e   b o o s t   in d u cto r   v o ltag is ;     = 1 2 (  (  ) + 2 )   ( 9 )     T h av er a g v o ltag ac r o s s   in d u cto r     with in   ea ch   s witch in g   p er io d   is   ze r o .   T h u s ,   it  ca n   b e   co n clu d e d   in   ( 8 th at  f o r   ea c h   h alf   lin e   p er io d .     (  ) = .  = 0   ( 1 0 )     Hen ce ,   ( 7 )   ca n   b e   s im p lifie d   a s .     = 1 2 (  2 )   ( 11 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       S ma ll - s ig n a l a n a lysi s   o f a   s in g le - s ta g b r id g eless   b o o s t h a lf - b r id g e   …  ( Mo h a ma d   A ffa n   B i n   Mo h d   N o h )   2361     ( a)       ( b )       ( c)       ( d )     Fig u r 2 .   C ir cu it  o p er atio n   at  p o s itiv h alf - cy cle  o f   in p u t v o ltag e,   ( a)   Mo d 1 ,   ( b )   M o d 2 ,   ( c)   Mo d e   3 ,     ( d )   Mo d 4       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J  Po E lec  &   Dr i   Sy s t,   Vo l.  12 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 2 1     2358     23 71   2362   T h b o o s in d u cto r   is   in   ch a r g in g   in   Mo d e   1   a n d   3   a n d   d is ch ar g at   Mo d e   2   an d   4   o f   th s witch in g   p er io d s .   I t   is   ass u m ed   th at  th m ag n itu d e   o f   i n p u t   v o ltag is   co n s tan t.  C o n s eq u en tly ,   th e   in p u cu r r en als o   ass u m es   to   b co n s tan t.  T h b o o s in d u cto r   cu r r en wo r k s   in   co n tin u o u s   cu r r e n m o d e .   T h er ef o r e,   b ased   o n   th b alan ce d   v o lt - s ec o n d ;     1 = 2   ( 1 2 )     Hen ce ,   b y   ( 12 ),   th r elatio n s h ip   o f   d u ty   c y cle  at  Mo d 1   1 an d   Mo d 2   2 ,     1 =  1 2  2 2   ( 1 3 )     T h ca p ac ito r   v o ltag in   o n s witch in g   p er io d   is   ze r o   v o lt.  T h er ef o r e ,   ( 1 3 )   ca n   b s im p lifie d   as .     1 =   2   ( 1 4 )     T h to tal  p er io d   o f   Mo d e   1   an d   Mo d e   2   is   h alf   o f   th s witch in g   p er i o d .   T h er ef o r e;     2 = ( 0 . 5 1 )   ( 15 )     Su b s titu te  ( 15 )   in   ( 14 ) ,   th u s ;     1 =  2 ( 2  )   ( 16 )     T h in p u c u r r e n d ir ec tly   f l o w s   to   th e   b o o s in d u cto r   1   an d   2 T h u s ,   th e   b o o s in d u ct o r   cu r r en   is   eq u al   to   in p u t c u r r en t    .   Ass u m th at  all  in p u t p o wer   tr an s f er r e d   to   o u tp u t.  T h u s ,   th i n p u t c u r r en t   is .     = 2     ( 1 7 )     wh er   is   p o wer   f ac to r   an g le  a n d   is   lo ad   r esis tan ce .   Hen ce ,   th b o o s t in d u cto r   is   ch o o s s u ch   th at.     (  ) 1   2 2   ( 1 8 )     wh er   is   th s witch in g   f r eq u e n cy   As  d ep icted   f r o m   s witch in g   wav ef o r m ,   th e   in p u t   cu r r en f lo to   t h h al f   b r id g e   ca p a cito r   1 an d   2   at  a   p er io d   o f   ( 1 1 ) .   T h u s ;   th cu r r en t f l o tr o u g h   ca p ac ito r   1 1 an d   2 2 .     1 = 2 =    ( 19 )     T h er ef o r e,   th e x p r ess io n   o f   h alf   b r id g e   ca p ac ito r   is .     1 = 2 = 2   ( 1 1 )   ( 20 )     wh er e     is   th m in im u m   to   m ax im u m   c h ar g in g   v o ltag e   o f   h alf   b r id g ca p ac ito r .   As  d ep icted   f r o m     Fig u r 3 ,   ea c h   h alf   b r id g e   ca p ac ito r   is   ch ar g e d   a p p r o x im atel y   f r o m   ze r o   t o   p ea k   s u p p ly   v o l tag e .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       S ma ll - s ig n a l a n a lysi s   o f a   s in g le - s ta g b r id g eless   b o o s t h a lf - b r id g e   …  ( Mo h a ma d   A ffa n   B i n   Mo h d   N o h )   2363               Fig u r 3 .   Pro p o s ed   k ey   wav ef o r m       T h er is   n o   co n n ec tio n   b etw ee n   th in p u b o o s cir cu it  to   o u tp u cir c u it  at  Mo d 2   an d   Mo d 4 .   T h er ef o r e,   n o   en er g y   t r an s f er r ed   f r o m   p r im ar y   s id e   to   s ec o n d ar y   s id o f   th e   tr an s f o r m er   i n   th is   m o d e .   T h u s ,   th o u tp u t in d u ct o r     an d   o u tp u t c ap ac ito r     ar d is ch ar g e d   to   t h lo ad   T h er ef o r e ;      =   ( 21 )     B y   ass u m in g   th o u tp u t c ap ac i to r     is   f u lly   ch ar g e,   t h o u t p u in d u cto r   c u r r e n t is.     = =   ( 2 2 )     T h u s ,   th m a x im u m   a n d   m in i m u m   o u tp u t in d u cto r   c u r r e n ,   an d   ,   ar e.     2 , m a x , 2 os o L d T L L a v e r a g e i ii =+   ( 2 3 )     , m a x 2 o oo Ls Lo vv i d T RL =+   ( 24 )     , m i n 2 o oo Ls Lo vv i d T RL =−   ( 2 5 )     T h u s ,   th o u tp u t in d u cto r   r ip p l e   ;     ,m a x . m i n o o o L L L i i i =   ( 2 6 )     I n   o r d er   to   e n s u r o u tp u t in d u cto r   wo r k in g   in   c o n tin u o u s   co n d u ctio n   m o d e;     m i n 2 o L s L R d T   ( 2 7 )     Sin ce   th o u tp u ca p ac ito r   cu r r en wav e - s h ap s am as  o u tp u in d u cto r   c u r r en t,  th c h ar g e   in   o u tp u ca p ac ito r   is   eq u al  to   th ar ea   u n d e r   th wav e - s h ap e.   T h u s ,   th is ;     = = 2 8 2   ( 2 8 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J  Po E lec  &   Dr i   Sy s t,   Vo l.  12 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 2 1     2358     23 71   2364   Hen ce ,   th o u tp u t v o ltag r ip p le,     is ;     2 2 8 o o o o s v d r v C L f ==   ( 2 9 )     B y   ex am in in g   th e   ab o v wav e f o r m ,   t h p ea k   in d u ct o r   cu r r en t c an   b r e p r esen ted   as.     = 1 2 (  1 ) 1   ( 3 0 )     B ased   o n   th Kir ch h o f f   c u r r en t la w,   th cu r r e n t a t c ap ac ito r   1   is .     1 =   ( 3 1 )     B y   s u b s titu tin g   ( 2 )   an d   ( 3 0 )   in   ( 3 1 ) .   T h u s ;     1 = (  2 2  1 2 ) 1   ( 3 2 )     At   1 ,   th o u tp u in d u cto r   is   co n n ec ted   to   th tr an s f o r m er   s e co n d ar y   win d in g   th r o u g h   th e   r ec tifie r   d io d e.   T h er ef o r e,   o u tp u in d u cto r   c u r r en t sam as seco n d ar y   cu r r e n t o f   th tr a n s f o r m er .   T h u s ,     = ( ) 1   ( 3 3 )     I n   ad d itio n ,   th o u tp u t c a p ac it o r   cu r r en t r ip p le  is .     = ( ) 1   ( 3 4 )     An d   at  2     = 1 2 (  1 2 ) 2   ( 3 5 )     At   2 ,   s in ce   all  s witch es  ar in   OFF  s tate,   th b o o s cir cu it   h as  n o   c o n n ec tio n   to   th s ec o n d ar y   cir c u it  lo o p .   T h er ef o r e,   th h alf   b r i d g ca p ac ito r   cu r r e n t sam as b o o s t in d u cto r   c u r r en t.   T h u s ,     1 =   ( 3 6 )     As  d ep icted   f r o m   th ca p ac ito r   cu r r e n wav ef o r m ,   ca p ac ito r   cu r r en is   co n s tan ac r o s s   th p er io d   o f   ( 1 1 ) T h u s .     1 = ( 3 (  1 ) 2 2 2  ) ( 1 1 )   ( 3 7 )     At   2 ,   b ec au s h as n o   e n er g y   tr an s f er   f r o m   p r im ar y   cir cu it,  h en ce .     2 = ( ) 2   ( 3 8 )     2 = ( ) 1   ( 3 9 )     T h is   d er iv ed   e q u atio n   will f u r t h er   ap p l y   in   d e v elo p m e n t o f   s m all  s ig n al  an d   s tead y   s tate  m o d ellin g .         3.   SM A L L - S I G NA L   ANA L YS I S   Fo r   th p r o p o s ed   cir cu it  to p o lo g y ,   t h cir cu it  av er a g in g   an d   av er a g s witch   mode a r u s ed   to   d ev elo p   th s m all  s ig n al   m o d e l.  T h s im ilar   p r o ce d u r e   [ 1 0 ]   ap p lied   to   d ev elo p   th e   s m all  s ig n al  m o d e l.  T h e   s m all - s ig n al  mode is   th en   u s e d   to   f in d   t h co n tr o l - to - o u tp u t   tr an s f er   f u n ctio n   o f   th e   co n v e r ter .   I n   th c ase  o f   th p r o p o s ed   b r id g eless   co n v er ter ,   th in p u cu r r en is   th s am cu r r en f lo to   th in d u cto r   an d   also   to   th e   h alf   b r id g ca p ac ito r s .   T h u s ,   o n ly   in d u cto r   lo o p   an d   o u tp u t c ap ac ito r   lo o p   ar p r esen ted .   I n   th s tead y   s tate,   th av er ag in d u cto r   v o ltag is   ze r o   b u t h er is   n o   n et  ch an g in   in d u c to r   cu r r e n o v er   o n s witch in g   p er io d .   Du r in g   tr an s ien ts   o r   ac   v ar iatio n s ,   th av er ag in d u cto r   v o ltag is   n o t z er o   an d   th is   lead s   to   n et  v ar iatio n s   in   in d u cto r   cu r r en t.   T h e   n et  ch a n g i n   in d u ct o r   cu r r en o v er   o n s witch in g   p er io d   is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       S ma ll - s ig n a l a n a lysi s   o f a   s in g le - s ta g b r id g eless   b o o s t h a lf - b r id g e   …  ( Mo h a ma d   A ffa n   B i n   Mo h d   N o h )   2365   ex ac tly   eq u al  to   in d u cto r   v o lt ag e.   I ca n   b co m p u te d   b y   lin ea r   r ip p le  ap p r o x im atio n .   T h u s ,   th wav ef o r m s   n o will  b e   r e p lace d   with   th e ir   lo f r eq u e n cy   av er a g v alu e.    As  d ep icted   f r o m   t h wa v ef o r m ,   th e   in d u ct o r   cu r r en p e r io d   is   twice   o f   s witch in g   p er i o d   wh ich   Mo d e   1   t o   Mo d e   2   an d   Mo d e   3   to   Mo d e   4.   T h er e f o r e,   t h s m all  r ip p le  ap p r o x im atio n   eq u atio n   at  Mo d e   1   in ter v al  is .     ( ) =  ( ) 2 ( ) 2 2 ( ) 2   ( 4 0 )     ( ) = ( ) ( )   ( 4 1 )     T h s m all  r ip p le  ap p r o x im atio n   eq u atio n   at  Mo d e   2   in ter v al  is     ( ) =  ( ) 2 1 ( ) 2 2 ( ) 2   ( 42 )     ( ) = ( ) ( )   ( 43 )     I n   th p r ev io u s   s tead y   s tate  an aly s is ,   th in p u v o ltag e      is   co n s id er ed   to   b co n s tan t.  Ho we v er ,   in   th n ex d er iv atio n   o f   s m all  s ig n al  mode l,  th s in u s o id al  in p u v o ltag will  b u s ed .   T h u s ,   th s m all  s ig n al   eq u atio n   d escr ib es  o n   h o t h lo f r eq u e n cy   cir cu it  co m p o n e n ts   wav ef o r m   ev o lv in   tim e.   T h in p u t   s in u s o id al  ca n   b r e p r esen ted   as .      ( ) = s in    ( 4 4 )     Su b s titu te  ( 4 1 )   to   s m all  r ip p le  ap p r o x im atio n   e q u atio n   a n d   in teg r ate  it  with in   h alf   c y c le  o f   in p u v o ltag e.   T h u s ,   th av e r ag in d u cto r   v o l tag ca n   b r ep r esen ted   as .     ( )  = ( ( ) ( ) 2 2 ( ) 2 ) 1 ( ) + ( (  ) 1 (  ) 2 2 ( ) 2 ) 2 ( )   ( 45 )     T h av er a g ca p ac ito r   lo o p   eq u atio n   ca n   b r ep r esen ted   as .     ( )  = ( ( ) ( ) ) 1 ( ) + ( ( ) ) 2 ( )   ( 46 )     B o th   ( 42 )   an d   ( 43 )   is   n o n - lin ea r   d if f e r en tial  eq u atio n .   Nex t,  ass u m th at  th in p u v o ltag e,   d u ty   cy cl e,   d e p en d e n v o ltag es  an d   cu r r e n ts   ar e   eq u al   to   s o m q u iescen v alu es  to g eth er   with   s u p er im p o s ed   s m all  ac   v ar iatio n s .   T h n o n - lin ea r   eq u atio n s   ca n   b lin ea r ize d   if   th m ag n itu d o f   ac   v a r iatio n s   ar m u ch   s m aller   th an   th e   r esp ec tiv q u iescen v alu es.   Hen ce ,   in s er th e   p er t u r b ed   ex p r ess io n   to   t h av e r a g in d u cto r   v o ltag e   eq u atio n   an d   ca p ac ito r   a v er a g eq u atio n T h e r ef o r e ,   th e r e   ar e   DC   ter m ,   f ir s o r d er   ter m   an d   s ec o n d   o r d e r   ter m   p r esen in   th in d u cto r   a n d   ca p ac ito r   av er a g lo o p   e q u atio n s .   Hen ce ,   th s im p lifi ed   f ir s o r d er   eq u atio n s   ar e.     ( ) + ̂ ( )  = ( ( ) + ̂ ( ) ( ) + ̂ ( ) 2 2 ( ) + ̂ 2 ( ) 2 ) ( + ̂ 1 ( ) ) +   ( ( ) + ̂ ( ) ( ) + ̂ ( ) 2 2 ( ) + ̂ 2 ( ) 2 ) ( ̂ 1 ( ) )   ( 4 7 )     + ̂ ( )  = ( + ̂ ( ) + ̂ ( ) ) ( + ̂ 1 ( ) ) + ( + ̂ ( ) ) ( ̂ 1 ( ) )   ( 4 8 )     DC   ter m s   o n ly   co n tain in g   DC   q u an titi es.  T h er ef o r e,   DC   ter m   will  b r em o v ed   i n   o r d er   to   g et  s m all  s ig n al  lin ea r ize  eq u atio n .   T h s ec o n d   o r d e r   ac   ter m s   ar e   n o n lin ea r   b ec au s e   it  co n tain s   th p r o d u ct  o f   ac   q u an titi es.  On   t h o th er   h an d ,   th e   s ec o n d   o r d er   ac   te r m s   ar m u ch   s m aller   th an   th e   f ir s o r d er   f o r m .   T h er ef o r e,   th s ec o n d   o r d e r   ter m s   will  b n eg lecte d .   T h u s ,   o n ly   f ir s o r d er   eq u atio n   lef t.  T h f ir s o r d er   ter m   co n tain s   s in g le  ac   q u an tity   wh ich   m o s tly   m u ltip lied   b y   co n s tan co ef f icien s u ch   as  DC   ter m .   T h ese  f ir s t   o r d er   e q u atio n   is   th lin ea r ize  eq u atio n   wh ic h   d escr ib es sm all  s ig n al  ac   v ar iatio n s .     T h p r o p o s ed   cir cu it  av er ag e   m o d el  is   d e p icted   in   Fig u r e   4   ( a)   w h ich   d er iv ed   f r o m   t h o f   ( 4 7 )   a n ( 4 8 ) .   T h av er a g s witch   n etwo r k   in   Fig u r 4   ( a)   also   ca n   b r ep r esen ted   as  tr an s f o r m er   co il   as  d ep icted   in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   I n t J  Po E lec  &   Dr i   Sy s t,   Vo l.  12 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 2 1     2358     23 71   2366   Fig u r 4   ( b ) .   Nex t,  Fig u r 4   ( c)   is   th eq u iv alen cir c u it  av er ag m o d el  r ef er r ed   to   s ec o n d ar y   s id o f   th e   tr an s f o r m er .           ( a)       ( b )       ( c)     Fig u r 4 .   Pro p o s ed   e q u iv alen cir cu it o f   s m all  s ig n al  AC ,   ( a)   with   d ep en d e n t so u r ce s ,   ( b )   w ith   id ea l D C   tr an s f o r m er ,   ( c)   r ef er r e d   to   s ec o n d ar y   s id e       T h cir cu it   elem en ts   in   th e   eq u iv alen cir c u it  av er a g m o d e o f   Fig u r e   4   ( c)   is   t h en   co n v er ted   f r o m   t im d o m ai n     to     d o m ain .   T h e   v o ltag e   s o u r ce s   o f   ( ) , 1 ( )   an d   2 ( )   ar e   s et  eq u al   to   0   i n   o r d er   t o   d er iv th co n tr o l - to = o u t p u tr an s f er   f u n ctio n   ( ) ( )   .   On   th o th er   h an d ,   th ( ) , 1 ( )   an d   2 ( )   is   eq u al  to   ze r o   to   o b tain   t h li n to   o u tp u tr an s f er   f u n ctio n   ( ) ( )   .   T h o u tp u im p ed an ce   ( )   is   o b tain ed   as  d is tu r b an ce s   to   test   th co n tr o l   to   o u tp u t tr an s f er   f u n ctio n .   T h u s ,     ( ) ( ) = 2 2  + 1 ( 2 2  ) 2 + ( 2 2 ) + 1   ( 4 9 )     W h er e;     = 2 ( 1 )   ( 5 0 )   ( ) ( ) = × 1 ( 2 2  ) 2 + ( 2 2 ) + 1   ( 5 1 )     W h er e;     = 2   ( 5 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       S ma ll - s ig n a l a n a lysi s   o f a   s in g le - s ta g b r id g eless   b o o s t h a lf - b r id g e   …  ( Mo h a ma d   A ffa n   B i n   Mo h d   N o h )   2367   ( ) = ( ) ( ) = 2 2  ( 2 2  ) 2 + ( 2 2 ) + 1   ( 5 3 )     T h mode in   Fig u r 5   is   s i m u lated   with   co n tr o d esig n   to o ls   in   th MA T L A B / Sim u lin k .   T h e   Simu lin k   co n tr o d esig n   is   u s ed   to   tu n th e   v alu e   o f   c o n t r o ller   p r o p o r tio n al   an d   in teg r al  co ef f icien t.   T h e   co n tr o cir cu it  p a r am eter s   ar e   d eter m in ed   b ase d   o n   th o b t ain ed   s tead y   s tate  eq u atio n .   T h v o ltag f o llo wer   co n tr o m eth o d   is   u s ed   to   v er if y   th o p e r atio n   o f   th e   p r o p o s ed   co n v er ter   in   cir c u it  s im u lato r   an d   ex p er im en tally .   T h is   co n tr o l   m eth o d   is   u s ed   to   r e g u late  th o u tp u t   v o ltag e   to   th d esire d   v alu e .   T h u s ,   t h co n tr o ller   is   ex p ec ted   to   p r o v i d th ap p r o p r iate  d u t y   cy cle  f o r   an y   lo ad   ch an g es.  T h is   clo s ed   lo o p   f ee d b ac k   co n tr o ller   is   d esig n e d   u s in g   th co n tr o l - to - o u t p u t tr an s f er   f u n ctio n   ex p r ess ed   b y   ( 49 ) .     It   is   th en   co m p ar e d   with   th tr an s f er   f u n ctio n   th at   o b tain ed   f r o m   th s witch   mode in   PLE C S/ Simu lin k .   T h is   is   to   p r o v th at   th e   d er iv e d   tr an s f er   f u n ctio n   ( 49 )   is   co r r ec t.  T h e   s in u s o id al  wav e f o r m   with   f r eq u en c y   o f   1 0 - 1 0 0 0   Hz   an d   am p litu d r a n g o f   ( 0 . 1 - 4 )   is   u s ed   to   p er tu r b   th co n v er ter   d u ty   cy cle  in   th PLE C mode l.  T h u s ,   th d u ty   cy cle  th at  d r iv th e   MO SF E T s   in   th PLE C cir cu it  is   s u m m atio n   o f   1   an d   th p er t u r b ed   s ig n al.   Fig u r 6   s h o ws  th b lo ck   d iag r a m   o f   th e   s witch   Mo d e with   p er tu r b atio n   o f   d u t y   cy cle  in   th PLE C S/S im u lin k .             Fig u r 5 .   Pro p o s ed   c o n v er te r   s m all  s ig n al  b lo ck   d iag r am   in   Simu lin k       Fig u r 6.   Pro p o s ed   c o n v er te r   b lo ck   d ia g r am   in   PLE C S       4.   RE SU L T S   T h cir c u it  m o d el  in   PLE C is   u s ed   to   v e r if y   th d ev elo p ed   tr an s f er   f u n ctio n   in   Simu lin k .   T h b o d e - p lo d iag r am   o b tain ed   f r o m   th m ath em atica ex p r ess io n   is   co m p ar ed   with   th b o d e - p l o d iag r am   o b tain e d   in   t h PLE C S/S im u lin k   s witch   m o d el  as  d ep icte d   in   Fig u r 7 .   T h p lo t   s h o ws  th s am m ag n itu d an d   Q - f ac to r   o b tain ed   f r o m   th m ath em atic al  ex p r ess io n   an d   PLE C S/S im u lin k   s witch   mode l.  Ho wev er ,   s m all  d if f er en ce   o f   co r n e r   f r eq u e n cy     ar o u n d   1 0   Hz  is   o b s er v ed .   T h is   d u to   id ea co n s id er atio n   i n   d ev elo p in g   th e   m ath em atica ex p r ess io n .   T h u s ,   th r esu lts   s h o g o o d   ag r ee m en b etwe en   th m ath e m atica ex p r ess io n   co n tr o to   o u tp u tr a n s f er   f u n ctio n   an d   t h PLE C S/S im u l in k   s witch   mode l.  T h er e f o r e,   th m ath em ati ca l   ex p r ess io n   ( 49 )   w h ich   d e v elo p ed   u s in g   cir cu it  a v er ag in g   te ch n iq u es  is   v alid ated .   I n   th is   wo r k ,   PI  co n tr o ller   is   u s ed   s u ch   th at  th o u tp u t v o lta g is   r eg u lated   at  20      r eg ar d less   th o u tp u t p o wer   co n d itio n .     As  d ep icted   in   Fig u r e   8 ,   th e   c r o s s o v er   f r eq u e n cy     is   at  2 . 9 2   Hz  with   o v er all   s y s tem   p h as m ar g i n   o f   9 0 °.  T a b le  2   s h o ws  t h s y s tem   p er f o r m an ce   an d   r o b u s tn ess   wh ich   is   o b tain ed   f r o m   th e   MA T L AB /S im u lin k   au to m ate d   p r o p o r tio n al - i n teg r ated - d er i v ate  ( PID )   tu n in g   ap p s .   I s h o ws  th at  th s y s te m   m ee ts   th Ny q u is s tab ilit y   cr iter io n   wh er e b y   th s y s tem   is   s tab le  if   th p h ase  lag   at  th e   c r o s s o v er   f r e q u en c y   is   less   th an   1 8 0 °.  Ho wev er ,   a n   o v er s h o o t o f   0 . 4 7 4 % o cc u r r e d   wh ich   h a v to   b ac ce p ted .   T h s m all - s ig n al  mode l   ca n   b u s ed   to   d eter m in t h s tab ilit y   o f   t h p r o p o s s y s tem .   Ho w ev er ,   th er s till   h av s o m lo o p   h o le  e v e n   th o u g h   s m all  s ig n al  m o d e ca n   en s u r e   th s tab ilit y   o f   t h s y s tem .   s m all  s ig n al  mode o n ly   co n s id er e d   s m all  v ar iatio n   o f   cir cu it  s ig n al.   T h er ef o r e,   th lar g s ig n al  mode is   im p o r tan t o   o b s er v th e   o v e r all  tim r esp o n s a n aly s is   eith er   d u r in g   s tead y - s tate  o r   tr an s ien t.  T h lar g e   s ig n al  af f ec ts   th o p er atin g   p o in an d   n o n - lin ea r   c o m p o n en ts .   I n   th is   wo r k ,   t h lar g e - s ig n al   mode l   as  d ep icted   in   Fig u r 9   is   d ev elo p e d   b y   c o n s id er in g   th cu r r e n an d   v o lta g wav ef o r m s   d u r in g   l o ad   tr a n s ien ts   an d   s tead y - s tate  co n d itio n s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.