In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S V o l.  10, N o.  1, Mar ch 20 19,  p p.  342~ 3 5 0   IS S N : 2088- 86 94,  D O I :   10.11 59 1 /ij ped s . v10 . i 1.pp 3 42- 35 0           342     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   Tra n s i ent   and   st ea d y -st a te  a nalysis of  single sw itched   capacitor converter      A l ex an d e r   Kush n e rov  D e partm e n t  o f Electri cal an d  Com put er En g i n eeri ng, Ben-G urio n   U ni versit y   of  th e  Neg ev, Beers h eba,  Israel      Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Feb  1 3 ,  2 018  Re vise d Ju l 1 0 201 8   A c c e pte d   J u l   24,  201 8       Th p a per  d e rives   cl os ed  f o r m   exp r ess i o n for  tran sien and  st e ady - stat op erati on  of   a   D C-DC  c on vert er  w ith   s in g l s w itch e d   c ap acit o r.  To  t his  end,  th resul t   o f   each   s w i tch i n g   i c o n s i d ered  a s   p o i n t   i n   t he  i t erati v pro cess ,   and   th f u ncti o n   b et ween   t h e   p oin t s   is  r eco ns truct e d.   A s   op po se to   t h e   com m only   acce pted   a pp roach,   when   each  o f   t h t opo lo g i es  i a p p r ox im a t ed   b y  a  f i r s t  o r d e r  c i r c u i t ,  t h e  p r o p o s e d   a n a l y s i s   i s   c a r r i e d  o u t   f o s econd  o rder   circuit s Thi s   a l l ows  obtaining  the  waveform  o outpu t   v oltage  ri pp le  a nd  pav e t h w a y   to   m ore  accu rate  calcu lat i o n   o equi val e nt  r esis t an ce.  T h e   ob tai n ed  a nal y t i cal  e xp r e s s i o n s   w ere  v e rified   b sim u lation s   a n d   an  e xc el lent  agreem ent   b e t w een  th e  resu l t s  w a s  f o u n d .   K eyw ord s :   Cha r ge  pump  Discret e -time sys t ems  Eq ui v a len t  re s ista nc e   Switche d ca pa cit o con v erte r   Co pyri gh t © 2 019 In stit u t of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   A l exa nde r K u s hne r ov,   Depa rtem ent o f   E lectr i c a l a n C o m p uter  E n g i ne er in g,  B e n-Gurio n  U nive rsit o f  t he   N egev,   Bee r sheba,  I sr ael.  Em ail:  kush n e r o@ee .b g u .a c.il       1.   I N TR OD U C TI O N    Swi t ch ed   cap aci to c onv e r t e rs  ( SC C s a r e   fa vo re d   i n   s ome   ap pl i c a t i o ns  due   t l o w   EM I   an d   com p at i b i l i t w i t h   I tec hnol o gy.  O ve the   pa st   f e w   d e c a d e s on g o i n g   r e s e a rc ha s h i f ted  t o w a rds  sop h is tica t e d   S CCs   w i th   l ar ge  num ber   o f   c a p ac it ors  a nd  ad va nce d   c ont rol   ci rcui t s H o we v e r,  o n l a   fe w   stud ies  use   an a l yt ica l   m et ho ds.  The   a n a l y s is  p rese nte d   i n   t h is  pape i s   b ase d   o n   t h me thod  o f   d i f f e re n c e   equations  [ 1 ]-[3]   which  allow s   f in ding  t h s o lution  for  the  tra ns ien t   a n d   s t e a dy-s t a t op e r ati o n.  A ltho u g h   t his  me tho d   i un ifi e d,   i w a a p p l i e pre v i o usly  o n l t o   t he   s w i tch e d   i nductor  c onver t ers  [4]-[6].  H owev er,   som e   ana l y t i cal  m et ho ds  f or  a na l y sis  o f   s w i t c he ca pac i tor  c i r c ui t s   tha t   b ea rese mblanc of  t he  p ro pose d   o ne w e r e  pr e sented   i [7]- [1 0].   Le t us c onsi d er  the  S CC  s how n sche ma t i c a l ly  i n   F i gure   1(a ) . It  c o mpr i se s fo ur  s w i t c hes  …  with  o n -resi st an ce … The  corr espo nd ing  pa ir  o sw it c h es  i t u r n ed  o n / off  by  t w n o n- over l a p p i ng  c l oc ks    and    s how i n   F igure   1(b) Th us,   dur ing    t h e   c a p a c ito   i char ge by     t h r ou gh     a nd  the n dur in is  d i s c h arge d   t o   t he   l oa t h ro ug .   Thus,   w e   h a v tw top o l og ies,  w hic h   a re  c onsi d er ed   separ a te ly   i S e c t io ns   II.   A pp l y in to   e a c h   t o pol o g y   t h e   K i rc hh off vo lt a g e   an c u rren t   l a w (KVL  a nd   K C L ) ,   w e  w r i t e  a  s y s t e m   o f  t w o  f i r s t - o r d e r  d i f f e r e n t i a l   e q u a t i o ns.   These  e qua t i o n ar t h en  s ol v e usi ng  the   Lap l ac tra n sf orm .   T he  s o l u t ion  for  t h f i r s to p o l ogy   d e f i n es  th i n i t ia c o n d it i o n s   f or  t he   s e c o n d   o ne Thi s   ena b le u s   t o   com pose   a   s y stem   o two   first-orde d i ffer ence   e q ua t i ons,   w h i c i s   s o l v e d   usi n g   t h Z- t r a n s f o r m .  T h u s ,  f o r  a  g i v e n  p e r i o d ,   w e   know   t he  i n i t i a l   v a l ue of  s ta t e   v aria ble s   a n d   f unc t i o n a ccor d in g   to w h i ch  t he se  v a r ia bles c h a n g e.  This is t he  s olu t io n is cl o s e d  f o r m.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       T r ansie nt  a n d   st e ady-s ta te a n a ly sis o f  si n g le  swi t c h e d  c a pa citor  co nve r te (Alex a n d er K u shn e rov)   34 3   (a )   (b )     F i gure  1. ( a)  C ons i d ere d  S CC  ( b) a nd tw o n o n -o ve rlap p i n g   c loc k s     a nd        2.   DIFFE R E NTIAL   E Q UATIO N S   2.1.    Fi r s t t o pol o gy  Th s w i t ch es   a n d     i show in  F ig ure  1( a)  a r e   t urned  o n   dur in   w h e r  i s   the n u m b er  of  peri ods.  Th us,   in t he  first t op o l o gy  as show i n   Figure 2,            F i gure   2.  F irst t o p o l o gy o f   t he  c onsider ed  S C C       The  K V L  a nd K C L e qua t i o n s   for thi s  c i r cu it  are          (1 )     Let us  w rite ( 1) in  t h e   Lap l a c e   doma i u s in g              (2 )     such that           (3 )     The  s o lution   o (3)   can  be wr i t t en  a s :          (4 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     34 2 –  35 0   34 4 wher        ( 5 )     and         (6 )     The  inverse  Laplace tra ns f o rm  of   (4)   i s      ( 7 )     U s ing    a nd             (8 )     w e  c an  r e w r i t e   ( 7 )   a s :               (9 )     wher      ( 10)     2.2.   S ec ond   top o log y   The switches   and    in F i gur e 1(a)  a r e  turne d on d u r i ng     1 , such  t h a t  i n the   seco nd  to po l o g y  a show n i n  F igure  3             F i gure  3. S ec ond t o po log y   o f the  co ns i d e r ed  S CC   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       T r ansie nt  a n d   st e ady-s ta te a n a ly sis o f  si n g le  swi t c h e d  c a pa citor  co nve r te (Alex a n d er K u shn e rov)   34 5 The  K V L  a nd K C L e qua t i o n s   for thi s  c i r cu it  are :             ( 11)    U s ing  (2), w e   w r i t e   (11)  i n t h e La place  d om ain :              ( 12)     The  s o lution   o (12) is:          13)     wher      ( 14)     and       ( 15)     The  inve rse  La place  tra nsf o rm  of  (13)  i s:             ( 16)     S i nce  for   the  sec ond  t o po lo gy    the  i n i tia c o n d i t i o n s   w il be        a nd     w h er e a s         3.   DIFFE R E NCE EQUA T IONS  S ubsti t u ti ng  (1 4) a nd (15)  in t (16),   w e  obta i n t h rec u rre nt  e quat i o n s      ( 17)     wher        ( 18)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     34 2 –  35 0   34 6 N o w ,   s ubst i t u t i ng  (9) in to ( 17) , w ob ta in  t he  di f fere n c equ a t ion s             ( 19)     wher          ( 20)     Be fore  w e   proc eed  t o t h e so l u t i on  o f  ( 19),  l e t us c o n si der   t h ste a dy-s t ate   opera tio n,  w her e              ( 21)     S ubst i t ut i ng (2 1)  i n t (19),   we  have                  ( 22)     The  s o lution   o (22) is:         (2 3     Let us  w rite ( 19) in  the   Z-do m a in us i n g            ( 24)     such that             ( 25)     The  s o lution   o (25) is:         ( 26)     wher            ( 27)     Sin c Err o r! Refe ren ce source  n o t  found .   i re p r esented  in t he f orm   of part i al frac t ion s , w ca n appl the   in verse  Z-tra n s f orm  to ea c   t e rm sep a r at el y:      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       T r ansie nt  a n d   st e ady-s ta te a n a ly sis o f  si n g le  swi t c h e d  c a pa citor  co nve r te (Alex a n d er K u shn e rov)   34 7      ( 28)       4.   SIMU L A TION  R ESULT S   To  v eri f t h e   ob t a ine d   a na lytica l   e x p re ssi o ns  ( 9) ( 1 7 )   a n d   ( 2 8 ) ,  t h e   c i r c u i t  s h o w n   i n   F i g u r e   4   w a s   si m u late i n   P S I M   9. 0.  S ince   t he   P S I M   bid i rec t i ona sw i t c h es  h a ve  z e r on-re si s t a n c e tw exter n a l   r esistor s   corr espo n d in to    a nd    i F i g u re  2   a nd  F i g u r e   w e re  a dded.  T he  p ar am e t er of  t he  c i r c u i t   i F i gur 4   are   as  f ollows:    1 0  0   0 0  5  1 Ω 1 0 1 00Ω   and  1 0 0         F i gure   4.  S im ulat ion  c i rc uit f o r the   v o l t a g e-ha lv in g S C C       Sin c   a nd   the e xpressi o n s (10)  a nd  (18) a re   r e d u c ed  t o:          ( 29)     These  co ns tan t s ar e   subs ti tute int o   ( 20) a nd  then  in to ( 2 8 ),  w hich se t the   ini tia con d iti o n s for   (9)   and  (17).   The  voltages across   and   duri ng t h first te peri ods ( 0 10 ) is  s how F i g u re  5, w hic h  c ompa res  the  Ma th CA D   c a lcu l a t io n a n PSIM sim ul a t i on.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     34 2 –  35 0   34 8 01 10 5 2 10 5 3 10 5 4 10 5 5 10 5 6 10 5 7 10 5 8 10 5 9 10 5 1 10 4 0 1 2 3 4 5 6 V 1 t () V o t () t     (a)           (b)    F i gure  5.  V olt a ges a c ross   and   for  0 10 M a thCA D   (a) and  P S I M ( b ) The   hori z on ta sc ale  i s   10  ,   i.e.  e a c h di vis i o n   i       The  vo l t age s   i Fig u re  5   w ere  m e a s ur e d   a t   t h e   po int s      a nd  are  given  i n   T a b l e   1   a l o ng  w i t h   t h e     relative  er ror,      Tab l 1. Me a sured  va lues  o f the  v o l ta ge s i n  F i gur e 5        [% ]      [%]   C a l c Si m u l.  C a l c.  S im ul.  2. 514 6   2. 5046   0 . 398  0. 5174   0 . 5 119   1 . 074   3. 498 6   3. 4937   0 . 140  0. 9542   0 . 9 449   0 . 984   3. 914 7   3. 9144   0 . 008  1. 3381   1 . 3 259   0 . 920   4. 117 2   4. 1193   0 . 051  1. 6815   1 . 6 670   0 . 870   4. 236 6   4. 2397   0 . 073  1. 9909   1 . 9 747   0 . 820   4. 321 1   4. 3254   0 . 010  2. 2706   2 . 2 531   0 . 777   4. 389 0   4. 3943   0 . 121  2. 5236   2 . 5 054   0 . 726   4. 447 4   4. 4534   0 . 135  2. 7526   2 . 7 339   0 . 684   4. 499 1   4. 5055   0 . 142  2. 9601   2 . 9 410   0 . 649   10   4 . 545 4   4. 5455   0 . 002  7. 1478   7 . 1 282   0 . 627       F i gure  6 com p ar es the  M at h C A D   calc u l a ti o n   a nd P S IM  s im ula t i o f or  0 1 00 . Not e that at  60  the  S CC  r ea ch es  t he stea dy-s t a t e   0 2 e - 00 5 4e- 0 0 5 6e- 0 0 5 8 e- 00 5 0 . 000 1 Ti m e   ( s ) 0 1 2 3 4 5 6 V1 Vo Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       T r ansie nt  a n d   st e ady-s ta te a n a ly sis o f  si n g le  swi t c h e d  c a pa citor  co nve r te (Alex a n d er K u shn e rov)   34 9 01 10 4 2 10 4 3 10 4 4 10 4 5 10 4 6 10 4 7 10 4 8 10 4 9 10 4 0.001 0 1 2 3 4 5 6 V 1 t () V o t () t     (a)         (b)      F i gure  6. V ol ta ge s ac ross   and   f or   0 10 0 Mat h CA D   (a ) a nd P S IM  ( b).  Th e ho ri z ont al  s ca l e  i s   10 0  ,   i.e.  each di v isio i s   10       The   s t ea d y - s t a te   v o l tages ar e show n Fig u re 7. Their d i sc re t e  va l u es w er c a lcu l a t e d  b ( 23)  a n d  the n   su bs tit ut e d  a s t h e i n it ial   c ond it ion s  in t o   (9 ) a n d   (17 )     9.5 10 4 9.55 10 4 9.6 10 4 9.65 10 4 9.7 10 4 9.75 10 4 9.8 10 4 9.85 10 4 9.9 10 4 9.95 10 4 0.001 4.91 4.93 4.95 4.97 4.99 5.01 5.03 V 1 t () V o t () t     F i gure   7.  S tea dy-sta t e vo l t a g e s   a c r oss    a nd   f o r   95 10 0           0 0 . 0002 0. 0 004 0. 0006 0. 0008 0. 001 Tim e   ( s ) 0 1 2 3 4 5 6 V1 Vo Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     34 2 –  35 0   35 0 5.   CONCL U S IONS   Base d   o n   t he   m etho of  d i f fer e nce   e q uat i ons  t he  c l o se form   e xp ress io ns  f o r   t he   v ol ta ges  ac ross  t h e   c a p a c ito rs  i n   th e   v o lt ag e - h a lv i n g   SC we re  d e r iv ed Th sol u ti o o f   t he se  e q u a t i o ns  a l l ow s   u s   t o   pre d ic t   t h e   S CC  be ha v i or   i b o t the   tra n sien an ste a dy-s t ate  o p era tio n.  That  i fo a   give pe ri od,  ,   w e   know   t he  in itia l   va lue s   o t h v o l t a g e s   a n d   f u n c t i o ns  a c c o rd in to   w h i c h   t hes e   v ol t a ges  c h ange.   T h e   o b t a in e d   expre ssi ons  w er ver i fied  b y   si m u lat i ons.   A s   e vi de nt  f r o m   Ta bl e   ,   t he  d e v i a tio betw e e t h t h eore t i c a an si m u lat i on  r e sul t s   d o es  n ot   e xce e d   1.1 % .   The  use d   m e t hod  how e v e r,   i ver y   c omp l ex   e ven   in  t he  c as o f   t h e   tw o-p h ase  S C C an i t s e x te n s ion  to  t he m ul t i - pha se S CC w i l l  a pp are n t l y   r e quire  s o m e   spec i a l   assum p t i o n s.       REFE RENCES   [1]   M.  F Gardner  and  J.   L Barnes,  “Trans i e nts   i n   L ine a Sys t em s ,   S t u d ied   b y   t he  L apl a ce  Trans f o r m a ti on ,”  v ol.  I,  Wiley,   1 9 42.  [2]   Y.   Z Tsy pkin ,   S a m p lin g   S y st e m Th eory   a nd  its  A ppli cati on, ”  v ol.   I,  Ma c m i lla n , 1 96 4.   [3]   P.  M Deru sso,  R.  J Roy   and   C.   M Cl o s e,   " §6. T h Co ncept   o f   State, "   in  S ta te  V ariab l es   f or  E ng in eers,  N ew  Yo rk:  Wiley,   p p .   4 13-4 1 5 ,   1 965.  [4]   L.  R Neron e "An a ly ti cal  s o l u t io ns   o th cl ass  in vert er,"   i IE EE  In t e rn atio nal  S y mp osium o n   Circuits  and  S y ste m s (I S C AS ) ,   20 08.   [5]   A.   S hoih e and   M .   A .   Sl on im ,   "Anal y sis   of   b uck   co nvert er  p roc e s ses  us in d i ff erence  e q uat i o n m e th od , "   i IE EE  Con venti on  o f   Electr i ca l a n d   El e c tro n i c s E ngin eers in  Isr a el ( I EEE I) ,   20 10 .   [6]   N.   K rihel y ,   M.   A .   Sl on im   a nd   S .   Ben-Y aako v ,   "Trans ien t   a nd   s tea d y -st a te  a nal y s i o f   t hree-ph ase  P W M   bu ck  recti e r , "   IET  Po wer  Elect ro n i cs , vo l .   5,  n o.  9,   pp . 17 6 4 - 17 7 5 ,   20 12 [7]   A.  L am an ti a,  P M a ranes i   a nd  L.   R adri zzani ,   " S m all - si gnal   m odel   o f   t h C o ckcrof t- W a lton  voltage  m ul t i p lier, IEEE Transac t i ons  on  Power Elect ronics , vo l . 9 n o . 1,   p p .   18 -25 ,  19 9 4 .   [8]   V.  V it chev,   " C al culat i n g   e s s ent i al   c h a rge-p u m p   p aram e t ers,"  Po wer Electr o n i cs  T ech no log y ,   vo l.   7 ,   pp .   3 0-45 2 0 0 6   [9]   M.  E Karagozler,   S.  C Goldstei and   D.  S Rick etts " A nal y sis   a n d   m odelin g   of   capaci tiv e   p ow er  t ransf e i n   mic r o s y s te ms,"   I EEE Tran sact ions  on  C i rcu its   a n d Systems  I: Regular  P a pers ,   vol.  59 no 7 ,   p p.  155 7-1 5 6 6 ,   2 01 2.  [10]   R.  R am ezani   an d   A.  Y ako v lev ,   " Capa cit o discharg ing   th rou g h   asy n c hro n o u ci rcui switching , "   i n   I E EE In t .   Sym p o s iu m o n  Asyn chr o n ous  Circui ts an d S y st ems   ( A S Y NC) ,   2 0 13.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.