Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  Vol .   6 ,  No . 2,  J une   2 0 1 5 ,  pp . 25 3~ 25 9   I S SN : 208 8-8 6 9 4           2 53     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJPEDS  Clos ed L oop Analysis of  B r id geless SEPIC Con verter for Drive  Application      Gopin a th M*,   G. Gopu **   *Dr.N.G.P. Institute of  Techno lo g y Coim bator e ,  Tam ilnadu ,   Ind i a   **Sri Ramakrish n a Engg  College, Coimbator e , In dia       Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Dec 23, 2014  Rev i sed  Feb  21 , 20 15  Accepted  Mar 20, 2015      In this paper clo s ed loop analy s is  of  Single phase AC-DC Bridg e less Single  Ended Primar y   Inductan ce Con v erter (S EPIC) f o r Power Factor  Correction  (PFC) rectifier  is analy zed . In this  topolog y   the absence of an input diode  bridge  and th e d u e to pr esence o f  two  semicondu ctor switches in   the  current  flowing path d u ring each swi t ching c y c l e w h ich will resul t s  in lesser  conduction losses and improv ed therma l management compared to th conventional co nverters. In  this   pape r th e oper a tional p r inciples , Frequen c y   analy s is,  and design equations  of the  proposed  converter ar e described  in   detail. Performance of the propo sed SEPI C PFC  rect ifier  is carri e d  out using   Matlab  Sim u link  software  and  res u lts ar e pr esente d.         Keyword:  Brid g e less rect ifier  Low co ndu ction  losses  Power factor  c o rrection  Rectifier  Si ngl e e n ded  p r i m ary - i nduct o con v e r ter (SEP IC)  c o nve rter   Tot a l  ha rm oni c di st o r t i o n   Copyright ©  201 5 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r M .  G opi nat h     Dr. N.G.P. In st itu te o f  Tech nolo g y   Co im b a to re-48, Ind i Em ail: gopiavi 1 1@outlook.c om       1.   INTRODUCTION  Due t o  the inc r ease on  high e fficiency and l o h a rm o n i c po llu tio n, th e PFC circu its are co mm o n l y   em pl oy ed i n  a c –dc c o nve rt e r s an d al so i n  swi t c hed - m ode p o w er s u p p l i e s. Ge neral l y ,  i n  t h ese ki nds  o f   co nv erters i n clu d e  a  fu ll-b r i d g e   d i od rectifier on  an  i n put cu rren t  p a t h , so th at co nductio n  l o sses  will b e   worse esp ecial ly at  th e lo w li n e . To   o v e rcome th is p r o b l em ,  b r id g e less co nv erters is in trodu ced  to  redu ce o r   eliminate the full-bri dge  rec tifier, and he nce a c onduct i on losses [1]–[3]. Recently, seve ral bridgeles s   t o p o l o gy  ha ve  been  i n t r o duce d  t o  i m prove  t h rect i f i e po wer  de nsi t y  an d al s o  t o  re duc e n o i s e em i ssions  v i a   so f t - s w itch i n g   tech n i qu es or  co up led m a g n e tic to po log i es [4 ]– [6 ].  I n  conven tio n a PFC  Bu ck conv er ter s , t h o u t p u t  vo ltag e   o f  th e co nv erter in  [7 ] and  [8] is  lo wer th an th e p eak   v a lue o f  th e inp u t   v o ltag e . In  [9 ]– [13 ] sev e r a l  br idg e less sing le- e nd ed pr im ar y i n du ctor  con v e r t er ( S EPI C s) w e r e   p r op o s ed ho w e v e r  i n  th is  co nv erter, an  in pu t ind u c t o with  large in du ctan ce sho u l b e  u s ed  in   o r der to  redu ce the in pu t cu rren t rip p l e.  Th abo v e   literatu re  rev i ew d o e s n o t  d eal with a b r idg e l e ss SEPIC conv erter wit h  ri pp le-free i n pu cu rren t,  clo s ed loo p  analysis an d   Fr equ e n c r e sp on se an alysis of  t h e Br idg e less SEPI C PFC conver t er   f e d D C   driv e.      2.   BRID GELESS SEPI CO NVE RTER   2.1. Circuit  Operation  The p r o p o se d bri dgel e ss SE P I C  con v ert e r i s  sho w n i n  Fi g u re 1 ,  w h i c h i s  cont ract e d  by  con n ect i n two   d c -d c conv erters. During th e po sitiv e half-lin e cycle,  th e first  p a rt  o f  circu it L1- Q1 –  L3     Do  is  activ Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 6,  No 2,  Ju ne 20 15   :   253  –  2 59  25 4 th ro ugh  d i od Dp, wh ich  is co nn ecting  th e i n pu t ac sour ce  to  th e ou tpu t  groun d. Du ri n g   th e n e g a tiv e h a lf-lin cycle, th e secon d   p a r t   o f  cir c u it, L2-  Q2 -  C 2 -  L3 -   Do , is  activ e th ro ugh d i od e Dn w h ich  is co nn ecti n g  t h in pu t ac sou r ce to  th e o u t pu t g r o und . Gen e rally i t  is su fficien t to  an alyze th e circu it o n l y d u r i n g  the po sitiv h a lf  o f  t h e inpu t vo ltag e Apart fro m  th at, th o p e ratio n of  th e pro p o s ed  rectifiers will be b r iefly d e scri b e d b y   assum i ng that the three i n duc t ors are  operat ing in  DCM.  Because of thi s   several a dva ntages ca n be gaine d These a dva nta g es include the  following : th ere is ap pro x i mate n ear-un ity  powe r factor, t h e power s w itches are   t u r n ed  on at  zero cu rr ent ,  a n d t h e o u t p ut  di ode  Do i s   turned off at zero  current.  Thu s th e lo sses du e to  th tu rn -o n  switch i n g  an d  the reverse reco v e ry o f  th o u t p u t   dio d e  are co nsiderab ly red u c ed. Du e to   filter circu i t   acros s t h e out p u t  DC  i s  ri ppl e  free. C o upl e d  inductors are also use d  to reduce  th e ripp le co n t en t in  th e circu it.  Si m ilar l y th e Ef f i cien cy  o f  th e pr opo sed conver t er  can   b e  imp r ov ed.          Figure  1.  Propose d SE PIC C o nve r ter      2. 2. E ffi ci enc y  Impr ove ment   The effi ci e n cy  of t h e pr o pose d  co nve rt er ca n be im pro v e d  by  i ) . The vol t a ge dr op  of a M O SFET i s   i g n o re d,  i i ) . T h po we r di ssi pat i o n  o f  t h e r e duce d  c o m p o n en ts is th eo retically calcu lat e d .   Th is is  do ne wit h   the ass u m  ption that t h forward volta ge dr o p s of   al l   di o d es   are 0. 5 V.      1 2     (1 )     ∆   / (2 )     In t h is case  when the  propos ed  ga te sign als are ap p lied  to th e co nv erte r,  one diode of a  rectifier,  i n cl udi ng  t h e i n t r i n si b ody   di o d e, i s   om i tted i n  a s w i t c hi ng  pe ri o d So ,  t h e ef fi ciency  im provem ent of t h e   p r op o s ed  con v erter is  ob tain ed   2. 3. Freque nc y Resp onse   A n al ysi s   Th p o wer stag e sp ecification s  of th b r i d geless  SEPIC  P F C  con v e r t e r a r e desi gne wi t h  fol l owi n g   po we r st age  p a ram e t e rs l i k e In put   vol t a ge , O u t p ut  v o l t a ge,  Out put   po wer ,  Swi t c hi n g  f r eq ue ncy ,   Po wer   Factor.  According t o  t h desi gn s p eci fication  param e ters, t h e state  vectors  fo r bo th switch i ng  i n terv als (in th equat i o 3 &  4) a n d a q u asi - st at e assum p t i on , f o l l o wi n g  t h e n u m e ri cal  exp r essi on  of t h e cont rol - t o -i n duct o r   cu rren t t r an sfer fu n c tion  is  ob tain ed  assu m i n g  an  inpu t vo lt ag e.                 1 0 0  0 0 0 0  0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 /0   (3 )                          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       C l osed Lo o p   A nal ysi s  of   Bri d g el ess SEP I C  C onvert e r   f o r Dri ve  A ppl i c at i o n   ( M . G opi na t h )   25 5      B1   0 0   (4 )     3 2 3.96 4 3 2 1 3.49   (5 )      1 / 1 1   (6 )       Fi gu re  2 s h ow s t h fre q u enc y  resp o n se  of   t h e de ri ve d c o nt r o l - t o -i n duct o r  m odel .  As   t h ere a r 2   reso na nce l o ca t i ons, a n d o n am ong  t h em  has very   hi g h   Q -fact o r I n  ad di t i on,  fr om  t h e st at e- m a t r i x  an d t h e   trans f er function with  the  c h aracteriz ed   param e ters, th e lo catio n s   o f   reson a n ce po i n ts are  d e termin ed  as  sho w n i n  e qua t i on- 6.  T hose  l o cat i o n s  a r e re l a t e d t o  t h e m a i n  pa ssi ve  co m ponent s a n t h e d u t y  cy cl e t h a t   p r esen ts t h e rel a tio n   b e tween  t h e inpu t vo ltage and  th e ou t p ut v o ltag e         Fig u r e   2 .  Fr equ e n c r e sp on se of  inpu t vo ltage        3.   SIMULATION ANALYSIS  The pe rf o r m a nce of t h pr op ose d  m odel e d i s  eval uat e U s i ng M a t l a b- Si m u li nk en vi r o nm ent ,  and i t   is ex ten d e d  to   d r i v e app licatio n s . Th e sim u latio n  of br idg e less SEPIC con v e rter is shown  in   Figu re  3, wh ich   gi ves a l o w c o nd uct i o n l o ss a nd s w i t c hi n g  l o ss  du ri n g  swi t ch t u r n  o n  a n d t u r n   of f co n d i t i on. Fi g u r e  4  sho w t h e i n put   vol t a ge a nd c u rre nt   wave f o rm . Thi s  ci rcui t  al so  u s ed t o  i m prove  p o we r fact or  du ri n g  c o n v e r s i on  o f   ac-dc . Here t h ree i d ent i cal  i nduct o rs ar e us ed t o  red u ce t h e ri p p l e  cur r e n t .  The o u t p ut  vol t a ge m easures  5 9   vol t s  a n d c u r r e n t  m easures  1. 4 am ps f r om  t h e Fi g u re  5     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 6,  No 2,  Ju ne 20 15   :   253  –  2 59  25 6    Fi gu re  3.  Si m u l a t i on o f   Pr op o s ed C i rc ui t           Figure  4. Meas ure d   Input Vol t age and C u rre n     Fi gu re 5.   O/ P  Vol t a ge=   5 9  v,   C u r r e n t = 1. 4 A       Fi gu re  6 de pi c t s t h e cl ose d  l o o p  si m u l a t i on ci rc ui t  usi n g  PI c ont rol l e r,  whe r e i n p u t  si de v o l t a g e   disturba nces a r e c r eated at  a  speci fi ed  time. Dur i ng   o p e n  loop  system ou tpu t   v o ltage of   o p e n loop   w i t h   d i stu r b a n ce  remain s con s tan t  till th e ti m e  o f  d i sturb a n ce  g i v e n b y   PI con t ro ller.        Fig u r e   6 .  Clo s ed  loop   A n alysi s  of  Pr opo sed   Co nv er ter      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       C l osed Lo o p   A nal ysi s  of   Bri d g el ess SEP I C  C onvert e r   f o r Dri ve  A ppl i c at i o n   ( M . G opi na t h )   25 7 The i n put  v o l t a ge di st u r ba nc e i s  done  usi n g PI co nt r o l l e r  and i t  get s  ref l ect ed i n  t h e o u t p ut  si de, l eadi n g t o   redu ction  in  the o u t p u t   vo ltag e During  th i s  ti m e  th e clo s ed  loo p  PI ci rcu it with  PWM co n t ro ller  help s in  reducing t h overs h oot ca use d  due   t o  o p en   l o o p .   The  out put   vol t a ge i s  co nt i n u ousl y  c o m p ared wi t h  a re fere nce v o l t a ge  usi ng a  di f f ere n t i al  am pl i f i e r.  The di ffe rent i a l  si gnal  i s  am pli f i e d an d f e d t o  com p ara t or. T h e com p arat or  o u t p ut  i s  fed t o   o n e of t h e   M O SFET s w i t c hes. A n ot he r t r i a ng ul ar wa v e  i s  phase shi f t e d  b y  18 0º is co m p ared  with   th e sam e  d i fferen tial  am pl i f i e r o u t p ut  an d t h e o u t put   of  t h e sec o nd  com p arat o r  i s  fed  t o  t h o t her M O SFE T.  Th us c h a nges  i n  t h e   o u t p u t   vo ltag e   are reflected  i n  th d i fferen tial a m p lifier ou t put  a n d i n  t u rn  i n  t h e  com p ar at or  o u t p ut . Fi gu re  7   gi ves t h o u t p ut  DC  v o l t a ge  of t h e cl osed l o o p  ci rc ui t .  Fi gu re 8 s h ows t h e st ep c h an ge  i n  t h e t o r que  at  1 sec  and from  Figure 9, the  spee d a ttains its steady state in stantly after the  step cha nge  in t h e l o ad torque.    Fr o m  Fig u r e  10 , th THD  main s cur r e n t  of th e pr opo sed  PFC SEPI C co nv er ter  f e d   DC d r iv e is  o b s erv e d und er 5 % , wh ich  is t h requ irem en t of  p o wer qu ality.        Fi gu re 7.   DC  Out put  V o l t a g e     Fi gu re  8.  C h a n ge i n  l o a d  t o r q ue at  t i m e t =  1 sec         Fi gu re  9.  S p ee resp o n se  of  c l ose l o o p  sy st e m     Fi gu re 1 0 T H D Val u e o f   P r o pos ed   C o nve rt er                             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 6,  No 2,  Ju ne 20 15   :   253  –  2 59  25 8 4.   E X PERI MEN T AL A N A LY SIS O F  SEPI CO NVE RT ER  Fi gu re 1 1  sh o w s t h e ha rd wa re b o ar d wi t h  t op si de fo r m a in swi t c hes a n d  bot t o m  si de fo r co nt rol l e r .   Th o u t p u t   v o l tag e  is regu lat e d  and  th e i n pu t curren t  track s  th e i n pu t voltag e . Un d e r full-lo ad  co nd itio n, th po we r fact o r  a nd t h e ha rm oni c di st ort i o n re sul t  can be a n a l y zed fr om  Fi gure  12 . Ha rm oni c com pone nt s are  sho w n i n  Ta bl e 1. T h e m a jor  ob ject i v of the analysis is to com p ensate  t h e po wer  st age  wi t h  p r o p e r  da m p i ng  and  to ens u re the  stable  op eratio n   o f  conv erter. B r idg e less SEPI C PFC  to po log i es can fu rth e r im p r ov e th conve r sion efficiency. To  main tain  sam e  efficien cy, th e im p r o v e d   circuits could operate  with highe r   sw itch i ng  f r e qu en cy.          Fig u r e  11 . H a rd w a r e  o f   Pr opo sed   Conv er ter        Fig u r e   12 I npu t A C  and   ou tpu t  D C  sign als  o f   pr o pose d  c o nv ert e r       Tabl e 1. Harm oni c o m pon en t s   Fundam e ntal  3 5  7 9  1. 448A   0. 067A  0. 097A   0. 044A  0. 009A       5.   CO NCL USI O N   In order to  improve the efficiency , bridg e less SEPIC  converter  has been proposed. Performance of  the proposed   SEPIC PFC rectifier is carr i ed o u t using Matlab  Simulink so ftware. Th e frequen c y  r e sponse of the derived con t r o l-to- inductor model is analy zed for  th e proposed  conv erter .  In our analy s is Bridgeless  SEPIC PFC rectifier suffers a step input  voltag e  ch ange   and th ereb it  at tains  th e s t ead s t ate .  Bes i d e s  in  im proving th c i rcuit  topo log y  t h e perform an ce  can b e   further r e duc e in  rec tifi e r s i ze  co uld be  re ali zed b y   int e grat ing th e  thre e indu ctors .   The s i m u la tion r e s u lts  ar e pr es en ted  to   verif y  the  contr o ller design . Th e experiment  r e sults indic a te th at  the harm onic c ontents are we ll  below the lim it s. It is  verified that a well-d e signed damping circ uit reduces the high risk of  sy stem inst abili t y . Sim u lati on and hardware  results  show high perfo rmance in  terms of high pow er f a ctor  and  efficien cy     REFERE NC ES   [1]   G a rcia , O ., Cob o s ,  J . A . ,  P r ie to  R., A l ou  P . , U c e d a,  J . ,  “ S ingle P h as e P o wer F a ct or Correc tion  :  A S u rve y ”,   IE EE  Transactions on  Power Electronics , vol. 18 , no . 3 ,  pp . 749-755 , M a y  2003.  [2]   Lazaro A., B a rr ado A., Sanz  M., Sa las V.,  Olias E., “New Power Factor   Correction AC- D C Converter   with   Reduced S t orag e  Capaci tor Volta ge”,  I EEE Transactions on Industrial Ele c troni cs , vol. 54, no. 1, p p .384-397, Feb.  2007.  [3]   Liang T.J., Yang  L.S., Ch en J.F.,  “A naly sis and d e sign of a si ngle-phase AC/DC step-down conver t er for univers al  input voltag e ”,  I E T Electric  Pow e r Applications vol. 1 ,  no . 5 ,  pp 778-784, Sept. 2 007.  [4]   B. Su and Z. Lu, “An interleaved totem-pole boost bridgele ss rectifier with redu ced reverse-r eco ver y  problems f o r   power fa ctor  cor r ect ion”,   IE EE  T r ans. Power  Ele c tron ., vol. 25 , n o . 6 ,  pp . 1406-1 415, Jun. 2010.  [5]   H. Y.  Tsai,  T. H.  Hsia,  and D.  Chen,  “A family  of zero- voltage-transition bridgeless powe r-factor-correction circu i ts   with a  z e ro-curr e nt-switch i ng au xiliar y   switch ,   IEEE Trans. Ind .  Electron ., vol. 58, no . 5 ,  pp 1848-1855, May  2011.  [6]   J . P . R. Bal e s t ero ,  F . L. Tofo li , R.C. F e rnand e s ,  G.V. Torrico- B as cope,  and F . J . M .  de S e ix as , “ P ower factor   correction boost converter b a sed  on  the three-state switching cell”,  IEEE Trans. Ind. Electron ., vol. 59, no. 3, pp 1565-1577, Mar .  2012.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       C l osed Lo o p   A nal ysi s  of   Bri d g el ess SEP I C  C onvert e r   f o r Dri ve  A ppl i c at i o n   ( M . G opi na t h )   25 9 [7]   L. Huber, Y. J a ng, “ P erform ance of eval uation f o r bridgeless PFC buck rectif ier IEEE Trans.  Power Electron .,   vol. 23 , no . 3 ,  pp . 1381 , May   200 8.  [8]   W. Wei, L. Hon gpeng, J.  Ahigo ng, and X. Iang uo, “ A novel bridgeless buck-bo ost PFC con verter ”, in  P r oc. I E EE   Power Electron Spec. Conf ., 200 8, pp . 1304-130 8.  [9]   W. Wei, L. Hongpeng, J.  Shigong, and X. Dianguo, “ A novel bridgeless buck-bo ost PFC converter ,  i n  Proc .  IE EE  Power Electron Spec. Conf ., 200 8, pp . 1304-130   [10]   E.H.  Ism a il,  “ B ridgeless SEPIC r ect ifier  with   unity   power f actor  and reduced  cond uction  loss  [11]   D.S.L. Simonetti, J. Se b a stian ,   and J. Uced a, “ T he discon tinuo us  conduction  mode Sepic and  Cuk power factor   preregulators: Anal y s is and  design”,  I E EE Trans. Ind .  Electron .,  vol. 44 , no . 5 ,  pp . 630-637 , Oct. 1 997.  [12]   D. M.  Mitc he ll, “ AC-DC Converter having  an  improved power  factor ”, U.S. Patent  4, 412,277 , Oct.  25, 1983 [13]   Younghoon Cho, “A Low Cost Single-Switch  Br idgeless Boost PFC Converter”, in  International  Journal of Powe Electronics and   Drive System . V o l. 4 ,  No . 2 ,  Jun e  2014.  [14]   Laxmi Devi Sahu, Saty a Prakash  Dubey ,  “ANN b a sed H y brid Active Power Filte for Harmonics   Elimination with   Distorted Mains , in  Internation a l Journal of Po we r Electronics  and Drive System , Vol. 2, No. 3, September 2012,  pp. 241~248.      BIBLIOGRAPHIES  OF AUTHO R S         GOPINATH M ANI  has obtained his B.E degree from Bharat hiar  Universit y , Coi m batore in the  y e ar 2002. He o b tain ed his M-Tech degr ee from Ve llore Institute of Technolog y; Vellore  in th y e ar 2004 . He  obtain e d is Doctorate from Bharat h University , Chennai. He is  working as a  P r ofessor/EEE,  at Dr.N.G.P  Inst itute of  Techno l o g y , Coim batore , India .  His Area of inter e st is  P o wer Electron i cs . He is  profes s i onal m e m b er  of IEEE, ISTE, IETE, IAENG, an d IACSIT. He  has  rec e iv ed b e s t  perform er  awar d in  the   year  201 0.         G. GO PU  has o b tain ed his B.E  degree from Annamalai Univ ersity Ch i d a m b a ra m  in the  year   1996. He obtain e d his Master d e gree  in Biomed ical  Signal Processing and In stru mentation  in  the  y e ar 2002 fro m SASTRA University , Than javur  and comp leted his Ph.D in Biomedical  Engineering at  P.S.G College o f  Techno log y , C o imbatore under  Anna Univ ersity , Chennai. At  present h e  is wo rking as  a Professor and Head /Biomedical,  at  Sri Ramakrishna Engg Co lleg e Coim batore, Ind i a. His Area of  inter e st is Medi cal Ins t rum e nt at ion, P o wer Electronics.  He is  professional member of IEEE, I S TE, BMESI     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.