P o w e r E l e c t r o n i c s a n d D r i v e S y s t e m s ( I J P E D S ) V o l. 4 , N o . 4 , D e c e m b e r 2 0 1 4 , p p . 5 2 8 5 3 5 I S S N : 2 0 8 8 - 8 6 9 4 5 2 8 M o d e l i n g a n d A n a l y s i s o f T r a n s f o r m e r l e s s H i g h G a i n B u c k - b o o s t D C - D C C o n v e r t e r s V u T r a n * a n d M u f e e d M a h D * * D e p a r t m e n t o f E le c t r ic a l E n g in e e r in g , U n iv e r s it y o f M a s s a c h u s e t t s , L o w e ll A r t i c l e I n f o A r t i c l e h i s t o r y : R e c e iv e d J u n 1 1 , 2 0 1 4 R e v is e d S e p 1 5 , 2 0 1 4 A c c e p t e d O c t 2 , 2 0 1 4 K e y w o r d : A v e r a g e d m o d e l B u c k - b o o s t c o n v e r t e r S t a t e - s p a c e d e s c r ip t io n S im u la t io n A B S T R A C T T h i s p a p e r p r o p o s e s a t r a n s f o m e r l e s s s w i t c h e d c a p a c i t o r b u c k b o o s t c o n v e r t e r m o d e l , w h i c h p r o v i d e s h i g h e r v o l t a g e g a i n a n d h i g h e r e c i e n c y w h e n c o m p a r e d t o t h e c o n v e n t i o n a l b u c k b o o s t c o n v e r t e r . T h e a v e r a g e d m o d e l b a s e d o n s t a t e - s p a c e d e s c r i p t i o n i s a n a l y z e d i n t h e p a p e r . T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e p r e s e n t e d t o c o n r m t h e c a p a b i l i t y o f t h e c o n v e r t e r t o g e n e r a t e h i g h v o l t a g e r a t i o s . T h e c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e p r o p o s e d m o d e l a n d t h e t r a d i t i o n a l m o d e l i s a l s o p r o v i d e d t o r e v e a l t h e i m p r o v e m e n t . T h e p r o p o s e d c o n v e r t e r i s s u i t a b l e f o r f o r a w i d e a p p l i c a t i o n w h i c h r e q u i r e s h i g h s t e p - u p D C - D C c o n v e r t e r s s u c h a s D C m i c r o - g r i d s a n d s o l a r e l e c t r i c a l e n e r g y . C o p y r i g h t c 2 0 1 4 I n s t i t u t e o f A d v a n c e d E n g i n e e r i n g a n d S c i e n c e . A l l r i g h t s r e s e r v e d . C o r r e s p o n d i n g A u t h o r : M u f e e d M a h D D e p a r t m e n t o f E le c t r ic a l a n d C o m p u t e r E n g in e e r in g , U n iv e r s it y o f M a s s a c h u s e t t s , L o w e ll B a ll H a ll 3 2 1 , 1 U n v ie r s it y A v e . L o w e ll, M A , 0 1 8 5 4 , U S A ( + 1 ) 9 7 8 - 9 3 4 - 3 3 1 7 E m a il: m u f e e d m a h d @ u m l.e d u 1 . I N T R O D U C T I O N I n r e c e n t y e a r s , a s t h e d e m a n d f o r p o w e r is s ig n ifi c a n t ly in c r e a s in g , r e n e w a b le e n e r g y s o u r c e s h a v e r e c e iv e d a lo t o f a t t e n t io n a s a n a lt e r n a t iv e w a y o f g e n e r a t in g d ir e c t e le c t r ic it y . U s in g r e n e w a b le e n e r g y s y s t e m h a s a lo t o f a d v a n t a g e s . O n e o f t h o s e is t h a t it c a n e lim in a t e h a r m f u l e m is s io n s f r o m p o llu t in g t h e e n v ir o n m e n t w h ile a ls o o e r in g in e x h a u s t ib le r e s o u r c e s o f p r im a r y e n e r g y . T h e r e a r e m a n y s o u r c e s o f r e n e w a b le e n e r g y , s u c h a s s o la r e n e r g y , w in d t u r b in e s , a n d f u e l c e lls . H o w e v e r , s o m e s o u r c e s s u c h a s f u e l c e lls a n d s o la r c e lls h a v e lo w o u t p u t v o lt a g e [1 ], [2 ], [3 ]. T h u s , a h ig h e c ie n c y a n d s t e p - u p D C - D C c o n v e r t e r is d e s ir e d in t o d a y ’s s y s t e m d e s ig n s t o in c r e a s e t h e v o lt a g e s u p p lie d t o t h e g r id o r b e c o m p a t ib le in o t h e r a p p lic a t io n s . B a s ic a lly , b y u s in g a n e x t r e m e ly h ig h d u t y c y c le , t h e t r a d it io n a l b o o s t D C - D C c o n v e r t e r c a n p r o v id e a v e r y h ig h v o lt a g e g a in . H o w e v e r in a c t u a l a p p lic a t io n s , f o r a v e r y h ig h d u t y c y c le , t h e v o lt a g e g a in is r e d u c e d d u e t o t h e n o n id e a l e le m e n t s in c ir c u it s s u c h a s in d u c t o r s , c a p a c it o r s , s w it c h e s , d io d e s , e t c . M o r e o v e r , e x t r e m e ly h ig h d u t y c y c le c a n c r e a t e e le c t r o m a g n e t ic in t e r f e r e n c e [4 ] [5 ], w h ic h m ig h t d im in is h t h e e c ie n c y o f t h e o p e r a t io n o f c ir c u it s . S e v e r a l r e s e a r c h e r s h a v e d e s ig n e d m o d e ls t h a t c a n a c h ie v e h ig h v o lt a g e g a in w h ile o v e r c o m in g t h e s e d is a d v a n t a g e s o f t r a d it io n a l c o n v e r t e r s . H ig h g a in c a n b e a c h ie v e d b y c a s c a d in g t w o o r m o r e s t e p - u p c o n v e r t e r s t a g e s [1 6 ] [1 7 ] [1 8 ] [1 9 ]. E x t r e m e d u t y c y c le s c a n b e a v o id e d b y s e t t in g a n in t e r m e d ia t e v o lt a g e b e t w e e n t h e t w o s t a g e s . H o w e v e r , a d d it io n a l c o m p o n e n t s a r e r e q u ir e d , t h e c o n t r o l c ir c u it is m o r e s o p h is t ic a t e d a n d t h e t o t a l e c ie n c y is r e d u c e d [5 ] [2 0 ]. S e v e r a l s t e p - u p c o n v e r t e r m o d e ls u s in g t r a n s f o r m e r s a r e p r e s e n t e d in [6 ] [7 ] [8 ]. I n t h e s e m o d e ls , t h e v o lt a g e g a in is c o n t r o lle d b y c r e a t in g a c o n v e r s io n r a t io f u n c t io n o f t h e d u t y r a t io a n d t h e t r a n s f o r m e r t u r n s r a t io . H o w e v e r , it s e c ie n c y w ill d r a m a t ic a lly d e g r a d e b y lo s s e s a s s o c ia t e d w it h t h e le a k a g e in d u c t a n c e , J o u r n a l H o m e p a g e : h t t p : / / i a e s j o u r n a l . c o m / o n l i n e / i n d e x . p h p / I J P E D S Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J P E D S I S S N : 2 0 8 8 - 8 6 9 4 5 2 9 a n d m a y c a u s e p o w e r lo s s e s a n d h e a t d is s ip a t io n p r o b le m s [9 ] [1 0 ]. A n o t h e r d is a d v a n t a g e is t h e b ig s iz e a n d h e a v y w e ig h t o f t h e t r a n s f o r m e r , w h ic h is o f t e n d e s ir e d t o b e a s c o m p a c t a s p o s s ib le in a c t u a l d e s ig n . I n [4 ] [9 ] [1 1 ] [1 2 ] [1 3 ] [1 4 ] [1 5 ], h ig h s t e p u p c o n v e r t e r s u s in g c o u p le d - in d u c t o r t e c h n iq u e is in t r o d u c e d . C o u p le d in d u c t o r s w e r e m o d e le d t o p r o v id e a h ig h s t e p u p v o lt a g e a n d r e d u c e t h e s w it c h v o lt a g e s t r e s s , a n d t h e r e v e r s e r e c o v e r y p r o b le m o f t h e d io d e w a s r e d u c e d . H o w e v e r , t h e e le c t r o m a g n e t ic in t e r f e r e n c e a n d e c ie n c y is r e d u c e d d u e t o t h e le a k a g e in d u c t a n c e [1 6 ] [1 4 ], a n d t h e d e s ig n in g o f t h e c o n v e r t e r is r e la t iv e ly c o m p le x [1 7 ]. A n o t h e r w a y o f in c r e a s in g v o lt a g e g a in is in t e g r a t in g a s w it c h e d - c a p a c it o r ( S C ) c ir c u it w it h a b o o s t c o n v e r t e r , w h ic h is p r o p o s e d in [1 ] [1 4 ] [2 1 ] [2 2 ]. T h e v o lt a g e g a in c a n b e im p r o v e d b y in c r e a s in g n u m b e r o f c h a r g e p u m p s . H o w e v e r , t h e v o lt a g e g a in w ill b e r e d u c e d s ig n ifi c a n t ly if t h e in p u t v o lt a g e is a s s m a ll a s t h e v o lt a g e d r o p p in g o n t h e t w o d io d e s [2 3 ]. T h e o t h e r lim it a t io n c a u s e s f r o m c h a r g e p u m p it s e lf , if t h e s w it c h in g f r e q u e n c y is n o t s u c ie n t ly f a s t , t h e c a p a c it o r s w ill b lo c k t h e D C c u r r e n t , m a k in g t h e s y s t e m le s s e c ie n c y . I n o r d e r t o d e a l w it h lo w - v o lt a g e p h o t o v o lt a ic ( P V ) a r r a y s a n d t h e r e q u ir e d h ig h e r v o lt a g e o f t h e g r id , a n o v e l b u c k b o o s t c o n v e r t e r is p r o p o s e d in t h is p a p e r b a s e d o n t h e t r a d it io n a l b u c k b o o s t c o n v e r t e r . T h e m o d e l is s im p le , w h ic h in c lu d e s o n ly o n e in d u c t o r , t w o c a p a c it o r s a n d f o u r p o w e r s w it c h e s a n d t w o d io d e s , a n d t h u s , it is v e r y e a s y t o im p le m e n t . W it h t h is m o d e l, w e a r e a b le t o s a v e t h e w a s t e d e n e r g y in t h e O F F s t a t e o f t h e s w it c h e s u s e d in t h e c ir c u it . T h e r e f o r e , t h e p r o p o s e d c o n v e r t e r c a n n o t o n ly p r o v id e h ig h v o lt a g e g a in , b u t a ls o r e d u c e t h e e x t r e m e ly h ig h d u t y c y c le s o f p o w e r s w it c h e s , a n d in c r e a s e t h e e c ie n c y o f t h e c o n v e r t e r . T h e p a p e r is o r g a n iz e d a s f o llo w . S e c t io n I I d e s c r ib e s t h e p r o p o s e d c ir c u it s c h e m a t ic . S e c t io n I I I a n a ly z e s s t e a d y - s t a t e t o p o lo g ie s b y u s in g s t a t e - s p a c e a p p r o a c h . S e c t io n I V p r e s e n t s t h e s im u la t io n r e s u lt s f o r a v e r a g e d m o d e l a n d p u ls e w id t h m o d u la t io n ( P W M ) m o d e l. S e c t io n V c o n c lu d e s t h e p a p e r . 2 . C I R C U I T D E S C R I P T I O N F ig u r e 1 . T r a d it io n a l b u c k b o o s t c o n v e r t e r T h e t r a d it io n a l b u c k b o o s t c o n v e r t e r is p r e s e n t e d in F ig . 1 . W h e n t h e s w it c h is O N , t h e e n e r g y f r o m t h e p o w e r s u p p ly ( P V p a n e l) V g is s t o r e d in t h e in d u c t o r . W h e n t h e s w it c h is O F F , it is e a s y t o s e e t h a t t h is e n e r g y is w a s t e d . F o r e x a m p le , w h e n t h e d u t y c y c le is 6 0 % , a t le a s t 1 0 0 % 6 0 % = 4 0 % o f p o w e r is w a s t e d . T h e n e w m o d e l o f b u c k b o o s t c o n v e r t e r is p r o p o s e d t o s a v e t h a t w a s t e d e n e r g y , w h ic h is illu s t r a t e d in F ig . 2 . F ig u r e 2 . S w it c h e d - c a p a c it o r b u c k - b o o s t c o n v e r t e r w it h h ig h v o lt a g e g a in I n t h e O F F s t a t e , e n e r g y f r o m p o w e r s o u r c e is s t o r e d in c a p a c it o r s C , t h e n in t h e O N s t a t e , it is M o d e l i n g a n d A n a l y s i s o f T r a n s f o r m e r l e s s H i g h G a i n B u c k - b o o s t D C - D C C o n v e r t e r s ( V u T r a n ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
5 3 0 I S S N : 2 0 8 8 - 8 6 9 4 p u s h e d b a c k t o t h e c ir c u it . H e n c e , t h e e n e r g y is s a v e d a n d t h e e c ie n c y is im p r o v e d w h e n c o m p a r e d w it h t h a t o f t h e t r a d it io n a l b u c k b o o s t c o n v e r t e r . F ig u r e 3 . O n e s t a g e s w it c h e d - c a p a c it o r b u c k - b o o s t c o n v e r t e r T h e m o d e l c a n b e e x t e n d e d t o in c r e a s e t h e v o lt a g e g a in b y s im p ly in c r e a s in g t h e s t a g e , w h ic h in c lu d e s t h e c a p a c it o r C , d io d e D 1 , s w it c h S b , a n d t w o s w it c h e s S r . F o r s im p lic it y , w e c o n s id e r t h e c a s e o f o n e s t a g e a s in F ig . 3 . A d d in g m o r e s t a g e s c a n b e t r e a t e d s im ila r ly . F ig u r e 4 . S w it c h in g t o p o lo g y o f p r o p o s e d c ir c u it in O F F s t a t e I n O F F s t a t e , t h e c ir c u it is m o d e le d in F ig . 4 . T w o s w it c h e s Q 1 a n d Q 2 a r e O F F , Q 3 a n d Q 4 a r e O N , t h e c u r r e n t o w s t h r o u g h Q 3 a n d Q 4 , e n e r g y f r o m p o w e r s o u r c e V g is c h a r g e d f o r t h e c a p a c it o r C . D io d e D 0 is f o r w a r d b ia s e d , w h ic h a llo w s t h e c u r r e n t t o g o t h r o u g h t h e in d u c t o r t o c h a r g e f o r c a p a c it o r C 0 a n d p r o v id e f o r t h e o u t p u t s im u lt a n e o u s ly . F ig u r e 5 . S w it c h in g t o p o lo g y o f p r o p o s e d c ir c u it in O N s t a t e F ig . 5 d e s c r ib e s t h e c ir c u it in t h e O N s t a t e . T w o s w it c h e s Q 1 a n d Q 2 a r e O N , Q 3 a n d Q 4 a r e O F F . V o lt a g e s o u r c e V g c o m b in e d w it h t h e v o lt a g e o n C c r e a t e a h ig h e r v o lt a g e , w h ic h w ill b e p u s h e d t o t h e in d u c t o r L . M o r e e n e r g y w ill b e s t o r e d in t h e in d u c t o r c o m p a r e d w it h t h e t r a d it io n a l b u c k - b o o s t c o n v e r t e r . D io d e D 1 a c t s a s a f r e e - w h e e lin g d io d e . 3 . S T A T E - S P A C E M O D E L O F T H E S W I T C H E D C A P A C I T O R B U C K B O O S T C O N - V E R T E R I n t h is s e c t io n , t h e e q u iv a le n t c ir c u it s o f t r a d it io n a l m o d e l a n d p r o p o s e d m o d e l a r e a n a ly z e d f o r O N a n d O F F s t a t e s . I n b o t h m o d e ls , w h e n t h e d io d e o p e r a t e s in f o r w a r d b ia s r e g io n , it is r e p la c e d b y a v o lt a g e s o u r c e V D . W h e n it is in r e v e r s e b ia s r e g io n , it b lo c k s t h e c u r r e n t , h e n c e it is r e p la c e d b y a n o p e n c ir c u it . M O S F E T s w it c h e s a r e c o n t r o lle d b y P W M s ig n a ls . W h e n M O S F E T is O F F , it w o r k s lik e a n o p e n c ir c u it . W h e n it is O N , it w o r k s lik e a r e s is t o r w it h t h e r e s is t a n c e R O N . I J P E D S V o l. 4 , N o . 4 , D e c e m b e r 2 0 1 4 : 5 2 8 5 3 5 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J P E D S I S S N : 2 0 8 8 - 8 6 9 4 5 3 1 L e t t h e d u t y c y c le o f t h e P W M s ig n a l b e D a n d t h e D C v o lt a g e s u p p ly b e V g . T h e in p u t is u = [ V g V D ] T . 3 . 1 . S t a t e - s p a c e d e s c r i p t i o n o f t h e t r a d i t i o n a l m o d e l L e t t h e s t a t e o f t h e t r a d it io n a l b u c k - b o o s t c o n v e r t e r b e X T = [ I L V 0 ] T . I n O N s t a t e , t h e e q u iv a le n t c ir c u it is d e s c r ib e d in F ig . 6 F ig u r e 6 . T r a d it io n a l b u c k b o o s t c o n v e r t e r ’s e q u iv a le n t c ir c u it in O N s t a t e A p p ly t h e K V L e q u a t io n s f o r t h is c ir c u it , w e h a v e L d I L d t = V g ( R O N + R L ) I L C 0 d V 0 d t = V 0 R T h e s t a t e s p a c e d e s c r ip t io n o f t h e c ir c u it c a n b e r e p r e s e n t e d a s X T ( O N ) = A 0 1 X T + B 0 1 u I n w h ic h , A 0 1 = R O N + R L L 0 0 1 R C 0 a n d B 0 1 = 1 L 0 0 0 I n O F F s t a t e , t h e e q u iv a le n t c ir c u it is d e s c r ib e d in F ig . 7 F ig u r e 7 . T r a d it io n a l b u c k b o o s t c o n v e r t e r ’s e q u iv a le n t c ir c u it in O F F s t a t e S im ila r ly , a p p ly in g t h e K V L e q u a t io n s f o r t h is c ir c u it y ie ld s L d I L d t = V 0 V D I L R L C 0 d V 0 d t = V 0 R I L T h e s t a t e s p a c e d e s c r ip t io n o f t h e c ir c u it c a n b e r e p r e s e n t e d a s X T ( O F F ) = A 0 2 X T + B 0 2 u M o d e l i n g a n d A n a l y s i s o f T r a n s f o r m e r l e s s H i g h G a i n B u c k - b o o s t D C - D C C o n v e r t e r s ( V u T r a n ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
5 3 2 I S S N : 2 0 8 8 - 8 6 9 4 I n w h ic h , A 0 2 = R L L 1 L 1 C 0 1 R C 0 a n d B 0 2 = 0 1 L 0 0 U n d e r t h e a s s u m p t io n o f h ig h f r e q u e n c y a n d id e a l s w it c h in g , t h e a v e r a g e m o d e l c a n b e d e s c r ib e d a s X T = D X T ( O N ) + ( 1 D ) X T ( O F F ) X T = ( D A 0 1 + ( 1 D ) A 0 2 ) X T + ( D B 0 1 + ( 1 D ) B 0 2 ) u ( 1 ) A t s t e a d y s t a t e , t h e s t a t e o f t h e c ir c u it s c a n b e c o n s id e r e d s t a b le , o r X ( t ) = 0 . S o lv e t h e e q u a t io n s ( 1 ) w it h t h e c o n d it io n o f s t e a d y s t a t e X T = 0 , w e h a v e t h e s t a t e o f t h e c ir c u it X T . X T = ( D A 0 1 + ( 1 D ) A 0 2 ) 1 ( D B 0 1 + ( 1 D ) B 0 2 ) u ( 2 ) F r o m e q u a t io n ( 1 ) w e h a v e t h e o u t p u t v o lt a g e V 0 . V 0 = R ( 1 D ) D R O N + R L + ( 1 D ) 2 R ( D V g ( 1 D ) V D ) ( 3 ) W e w ill n o t c o n s id e r t h e f u ll r a n g e [0 ,1 ] o f d u t y c y c le d u e t o t h e n o n id e a lit ie s . F o r v e r y la r g e o r v e r y s m a ll d u t y c y c le , t h e a v e r a g e d m o d e l d o e s n o t r e e c t p r e c is e ly t h e r e a l c ir c u it . S in c e t h e r e is n o b e n e t in in c r e a s in g t h e d u t y c y c le b e y o n d t h e v a lu e w h e r e t h e m in im a l o u t p u t v o lt a g e is r e a c h e d , w e w o u ld p r e f e r t o lim it t h e d u t y c y c le in a s m a lle r r a n g e . F o r t h e a b o v e e x a m p le , w e m a y lim it D [0 . 1 , 0 . 8 5 ]. A s s u m e d t h a t t h e r e s is t o r s R O N a n d R L a r e m u c h s m a lle r t h a n R , a n d V D is m u c h s m a lle r c o m p a r e d t o V g . T h e e q u a t io n ( 3 ) c a n b e s im p lifi e d a s V 0 D 1 D V g ( 4 ) 3 . 2 . S t a t e s p a c e d e s c r i p t i o n o f t h e p r o p o s e d m o d e l L e t t h e s t a t e o f t h e t r a d it io n a l b u c k - b o o s t c o n v e r t e r b e X N = [ I L V 0 V C ] T . I n O N s t a t e , t h e e q u iv a le n t c ir c u it is d e s c r ib e d in F ig . 8 F ig u r e 8 . S w it c h e d c a p a c it o r b u c k b o o s t c o n v e r t e r ’s e q u iv a le n t c ir c u it in O N s t a t e K V L e q u a t io n s f o r t h is c ir c u it is a s f o llo w s L d I L d t = V g ( 2 R O N + R L ) I L + V C C 0 d V 0 d t = V 0 R C d V C d t = I L T h e s t a t e s p a c e d e s c r ip t io n is X N ( O N ) = A 1 1 X N + B 1 1 u I J P E D S V o l. 4 , N o . 4 , D e c e m b e r 2 0 1 4 : 5 2 8 5 3 5 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J P E D S I S S N : 2 0 8 8 - 8 6 9 4 5 3 3 I n w h ic h , A 1 1 = 2 R O N + R L L 0 1 L 0 1 R C 0 0 1 C 0 0 a n d B 1 1 = 1 L 0 0 0 0 0 I n O F F s t a t e , t h e e q u iv a le n t c ir c u it is d e s c r ib e d in F ig . 9 F ig u r e 9 . S w it c h e d c a p a c it o r b u c k b o o s t c o n v e r t e r ’s e q u iv a le n t c ir c u it in O F F s t a t e K V L e q u a t io n s f o r t h is c ir c u it g iv e s L d I L d t = V 0 R L I L V D C 0 d V 0 d t = V 0 R I L C d V C d t = V g V C 2 R O N T h e c ir c u it c a n b e d e s c r ib e d a s X N ( O F F ) = A 1 2 X N + B 1 2 u I n w h ic h , A 1 2 = R L L 1 L 0 1 C 0 1 R C 0 0 0 0 1 2 R O N C a n d B 1 2 = 0 1 L 0 0 1 2 R O N C 0 U n d e r t h e a s s u m p t io n o f h ig h f r e q u e n c y a n d id e a l s w it c h in g , t h e a v e r a g e m o d e l c a n b e d e s c r ib e d a s X N = D X N ( O N ) + ( 1 D ) X N ( O F F ) a n d X N = ( D A 1 1 + ( 1 D ) A 1 2 ) X N + ( D B 1 1 + ( 1 D ) B 1 2 ) u ( 5 ) U n d e r t h e s a m e a b o v e a s s u m p t io n , t h e s t a t e o f t h e c ir c u it is r e p r e s e n t e d in ( 6 ) . X N = ( D A 1 1 + ( 1 D ) A 1 2 ) 1 ( D B 1 1 + ( 1 D ) B 1 2 ) u ( 6 ) F r o m ( 1 ) , t h e o u t p u t v o lt a g e V 0 is c a lc u la t e d in ( 7 ) V 0 = R ( 1 D ) ( 2 D V g ( 1 D ) V D ) 2 D R O N + R L + D 2 L 2 R O N + ( 1 D ) 2 R ( 7 ) M o d e l i n g a n d A n a l y s i s o f T r a n s f o r m e r l e s s H i g h G a i n B u c k - b o o s t D C - D C C o n v e r t e r s ( V u T r a n ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
5 3 4 I S S N : 2 0 8 8 - 8 6 9 4 V 0 c a n b e a p p r o x im a t e d a s V 0 2 D 1 D V g ( 8 ) H e n c e , w it h t h e p r o p o s e d s w it c h e d c a p a c it o r b u c k b o o s t c ir c u it , t h e e x p e c t e d g a in is d o u b le d w h e n c o m p a r e d w it h t r a d it io n a l b u c k b o o s t c o n v e r t e r . G e n e r a lly , w h e n w e h a v e n s t a g e s , b y s im ila r ly c a lc u la t io n , t h e o u t p u t g a in is n t im e s t h a n t h e t r a d it io n a l o n e . T h e f o llo w in g p a r t w ill d e m o n s t r a t e h o w t h e s im u la t e d c ir c u it is w o r k in g . 4 . S I M U L A T I O N R E S U L T S I n t h is s e c t io n , w e c o n s t r u c t e d t w o s im u la t io n m o d e ls , o n e is a s t a t e - s p a c e m o d e l b a s e d o n t h e a v e r a g e d c ir c u it , w h ic h is c a lle d t h e a v e r a g e d m o d e l. T h e o t h e r is a s im u la t e d c ir c u it u s in g S im P o w e r in M a t L a b , w h ic h is c a lle d t h e P W M m o d e l. W e w ill u s e t h is t w o c ir c u it s t o d e m o n s t r a t e t h e t h e o r e t ic a lly r e s u lt s w e o b t a in f r o m s e c t io n I I I . T h e p a r a m e t e r s f o r t h e c ir c u it a r e g iv e n a s f o llo w : L = 0 . 1 m H , R L = 0 . 2 , C 0 = 1 m F , C = 0 . 4 7 m F , R = 2 0 , R O N = 0 . 0 1 , V g = 6 V , V D = 0 . 3 V 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 −50 −40 −30 −20 −10 0 10 Duty Cycle (D) Output Voltage (V)     V out  traditional V out  proposed V capacitor F ig u r e 1 0 . O u t p u t o f a v e r a g e d m o d e l F ig . 1 0 s h o w s r e s u lt s f o r t h e a v e r a g e d m o d e l b a s e d o n t h e a v e r a g e d e q u a t io n s ( 3 ) a n d ( 7 ) . I n n o t a v e r y h ig h d u t y c y c le r e g io n , e n e r g y f r o m p o w e r s o u r c e is s t o r e d in c a p a c it o r C , t h e v o lt a g e V C is e q u a l t o V g . W h e n it is p u s h e d b a c k t o t h e c ir c u it , t h e in p u t b e c o m e s V g + V C = 2 V g . T h e o u t p u t v o lt a g e o f t h e p r o p o s e d c ir c u it is a lm o s t d o u b le d c o m p a r e d w it h t h a t o f t r a d it io n a l b u c k - b o o s t c o n v e r t e r . F ig u r e 1 1 . S y s t e m ’s o u t p u t w it h d iff e r e n t lo a d a n d d u t y c y c le F ig . 1 1 p r e s e n t s o u t p u t s o f t h e a v e r a g e d m o d e l f o r t r a d it io n a l a n d p r o p o s e d c ir c u it w it h d iff e r e n t d u t y c y c le s ( f r o m 0 % t o 1 0 0 % ) a n d r e s is t iv e lo a d R ( f r o m 1 t o 5 0 ) . W e c a n s e e c le a r ly in t h e g u r e I J P E D S V o l. 4 , N o . 4 , D e c e m b e r 2 0 1 4 : 5 2 8 5 3 5 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J P E D S I S S N : 2 0 8 8 - 8 6 9 4 5 3 5 t h a t t h e o u t p u t v o lt a g e s is in c r e a s e d w h e n lo a d is in c r e a s e d . F o r t h e p r o p o s e d m o d e l, t h e v o lt a g e o u t p u t is a lw a y s d o u b le w h e n c o m p a r e d w it h t h e t h e t r a d it io n a l m o d e l f o r a g iv e n d u t y c y c le a n d a s p e c ifi c lo a d . F ig . 1 2 s h o w s t h e s im u la t io n r e s u lt . I n t h is g u r e , t h e o u t p u t v o lt a g e o f t r a d it io n a l b u c k - b o o s t c o n v e r t e r is p lo t t e d a s t h e r e d c u r v e ; a n d t h e o u t p u t o f t h e p r o p o s e d c o n v e r t e r is r e p r e s e n t e d a s t h e b lu e c u r v e . F o u r d iff e r e n c e s u b g u r e s a s s o c ia t e d w it h t h e d u t y c y c le s b e in g 3 0 % , 5 0 % , 7 0 % , a n d 8 0 % a r e p lo t t e d . W e c a n s e e t h a t t h e o u t p u t v o lt a g e s o f t h e p r o p o s e d m o d e l a r e a lm o s t d o u b le d c o m p a r e d w it h t h e t r a d it io n a l o n e . T h is e m p ir ic a l r e s u lt c o n r m s t h e f e a s ib ilit y o f t h e p r o p o s e d m o d e l. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 −6 −5 −4 −3 −2 −1 0 Time (second) Output Voltage (V) D=30%     V out  traditional V out  proposed 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 −12 −10 −8 −6 −4 −2 0 D=50% Time (second) Output Voltage (V)     V out  traditional V out  proposed 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 −25 −20 −15 −10 −5 0 D=70% Time (second) Output Voltage (V)     V out  traditional V out  proposed 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 D=80% Time (second) Output Voltage (V)     V out  traditional V out  proposed F ig u r e 1 2 . O u t p u t v o lt a g e o f s im u lin k m o d e l c o m p a r e d w it h t r a d it io n a l b u c k b o o s t c ir c u it w it h D = 3 0 % , 5 0 % , 7 0 % , a n d 8 0 % 5 . C O N C L U S I O N A n o v e l b u c k b o o s t c o n v e r t e r w it h a s w it c h e d c a p a c it o r f o r h ig h s t e p - u p c o n v e r t e r is p r e s e n t e d in t h is p a p e r . A d d in g o n e m o r e s t a g e o f s w it c h e d c a p a c it o r s ig n ifi c a n t ly im p r o v e s t h e v o lt a g e g a in c o m p a r e d t o t h e t r a d it io n a l o n e . E c ie n c y is a ls o im p r o v e d t h r o u g h t h e p r o c e s s o f s t o r in g e n e r g y in t h e c a p a c it o r a n d t h e n p u s h in g it b a c k t o t h e c ir c u it . T h e s im u la t io n r e s u lt s v a lid a t e t h e t h e o r e t ic a l r e s u lt s . T h e p r o p o s e d c o n v e r t e r is a p p lic a b le in m a n y a p p lic a t io n s in w h ic h h ig h e c ie n c y m o d e l is r e q u ir e d . R E F E R E N C E S [1 ] L . Z h ig a n g , A .Q . H u a n g , G . R o n g , H ig h e c ie n c y s w it c h e d c a p a c it o r b u c k - b o o s t c o n v e r t e r f o r P V a p - p lic a t io n ,” A p p l i e d P o w e r E l e c t r o n i c s C o n f e r e n c e a n d E x p o s i t i o n ( A P E C ) , 2 0 1 2 T w e n t y - S e v e n t h A n n u a l I E E E , p p . 1 9 5 1 - 1 9 5 8 , F e b . 2 0 1 2 . [2 ] G .R . W a lk e r a n d P .C . S e r n ia , C a s c a d e d D C - D C c o n v e r t e r c o n n e c t io n o f p h o t o v o lt a ic m o d u le s ,” I E E E T r a n s . P o w e r E l e c t r o n i c s , v o l. 1 9 , n o . 4 , p p . 1 1 3 0 - 1 1 3 9 , J u ly 2 0 0 4 . [3 ] J . W a n g , F .Z . P e n g , J . A n d e r s o n , A . J o s e p h , a n d R . B u e n b a r g e r , L o w c o s t f u e l c e ll c o n v e r t e r s y s t e m f o r r e s id e n t ia l p o w e r g e n e r a t io n ,” I E E E T r a n s . P o w e r E l e c t r o n i c s , v o l. 1 9 , n o . 5 , p p . 1 3 1 5 - 1 3 2 2 , S e p . 2 0 0 4 . [4 ] Y . H s ie h , J . C h e n , T . L ia n g , a n d L . Y a n g N o v e l H ig h S t e p - U p D C D C C o n v e r t e r W it h C o u p le d - I n d u c t o r a n d S w it c h e d - C a p a c it o r T e c h n iq u e s ,” I E E E T r a n s . I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s , v o l. 5 9 , n o . 2 , p p . 9 9 8 - 1 0 0 7 , F e b . 2 0 1 2 . [5 ] G . R o n g , L . Z h ig a n g , Q .H . A le x A H ig h E c ie n c y T r a n s f o r m e r le s s S t e p - u p D C - D C C o n v e r t e r w it h H ig h V o lt a g e G a in f o r L E D B a c k lig h t in g A p p lic a t io n s I E E E A p p l i e d P o w e r E l e c t r o n i c s C o n f e r e n c e a n d E x p o s i t i o n ( A P E C ) , 2 0 1 1 T w e n t y - S i x t h A n n u a l , p p . 1 3 5 0 - 1 3 5 6 , M a r c h 2 0 1 1 . [6 ] W .Y . C h o i, J .S . Y o o , J .Y . C h o i, H ig h e c ie n c y d c - d c c o n v e r t e r w it h h ig h s t e p - u p g a in f o r lo w P V v o lt a g e s o u r c e s ,” P o w e r E l e c t r o n i c s a n d E C C E A s i a ( I C P E & E C C E ) , 2 0 1 1 I E E E 8 t h I n t e r n a t i o n a l M o d e l i n g a n d A n a l y s i s o f T r a n s f o r m e r l e s s H i g h G a i n B u c k - b o o s t D C - D C C o n v e r t e r s ( V u T r a n ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
5 3 6 I S S N : 2 0 8 8 - 8 6 9 4 C o n f e r e n c e o n , p p . 1 1 6 1 - 1 1 6 3 , J u n e 2 0 1 1 . [7 ] D .D .C . L u , G .M .L . C h u , V .G . A g e lid is , A H ig h S t e p - u p , N o n - is o la t e d D C - D C C o n v e r t e r w it h R e d u c e d R e p e a t e d P o w e r P r o c e s s in g ,” I E E E P o w e r E l e c t r o n i c s C o n f e r e n c e ( I P E C ) , 2 0 1 0 I n t e r n a t i o n a l , p p . 2 8 9 7 - 2 9 0 4 , J u n e 2 0 1 0 . [8 ] D .M . V a n d e S y p e , K . D e G u s s e m e , W .R . R y c k a e r t , A .P . V a n d e B o s s c h e , J .A .i M e lk e b e e k , A S in g le S w it c h B u c k - B o o s t C o n v e r t e r w it h a H ig h C o n v e r s io n R a t io ,” I E E E P o w e r E l e c t r o n i c s a n d A p p l i c a t i o n s , 2 0 0 5 E u r o p e a n C o n f e r e n c e o n , p p . P .1 - P .1 0 , S e p . 2 0 0 5 . [9 ] X . H u a n d C . G o n g , A H ig h V o lt a g e G a in D C D C C o n v e r t e r I n t e g r a t in g C o u p le d - I n d u c t o r a n d D io d e - C a p a c it o r T e c h n iq u e s ,” I E E E T r a n s . P o w e r E l e c t r o n i c s , v o l. 2 9 , n o . 2 , p p . 7 8 9 - 8 0 0 , F e b . 2 0 1 4 . [1 0 ] W .Y . C h o i, J .S . Y o o , J .Y . C h o i, M .K . Y a n g , a n d H .S . C h o , H ig h e c ie n c y s t e p - u p D C - D C c o n v e r t e r f o r lo w - D C r e n e w a b le e n e r g y s o u r c e s ,” P o w e r E l e c t r o n i c s , E l e c t r i c a l D r i v e s , A u t o m a t i o n a n d M o t i o n ( S P E E D A M ) , 2 0 1 2 I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n , p p . 1 4 1 7 - 1 4 2 1 , 2 0 1 2 . [1 1 ] K .I . H w u a n d W .Z . J ia n g , A p p ly in g C o u p le d I n d u c t o r t o S t e p - U p C o n v e r t e r C o n s t r u c t e d b y K Y a n d B u c k - B o o s t C o n v e r t e r s ,” I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s ( I S I E ) , 2 0 1 3 I E E E I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n , v o l. 2 0 , n o . 5 , p p . 1 - 6 , M a y 2 0 1 3 . [1 2 ] K .C . T s e n g , a n d T .J . L ia n g , N o v e l h ig h - e c ie n c y s t e p - u p c o n v e r t e r ,” I E E P r o c . - E l e c t r . P o w e r A p p l . , v o l 1 5 1 , N o . 2 , p p . 1 8 2 1 9 0 , M a r c h 2 0 0 4 . [1 3 ] R .J . W a i a n d R .Y . D u a n , H ig h s t e p - u p c o n v e r t e r w it h c o u p le d - in d u c t o r ,” I E E E T r a n s . P o w e r E l e c - t r o n i c s , v o l. 2 0 , n o . 5 , p p . 1 0 2 5 1 0 3 5 , S e p . 2 0 0 5 . [1 4 ] Y . Z h a o , W . L i, Y . D e n g , X . H e , S . L a m b e r t , V . P ic k e r t , H ig h s t e p - u p b o o s t c o n v e r t e r w it h c o u p le d in d u c t o r a n d s w it c h e d c a p a c it o r ,” P o w e r E l e c t r o n i c s , M a c h i n e s a n d D r i v e s ( P E M D 2 0 1 0 ) , 5 t h I E T I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n , p p . 1 - 6 , F e b . 2 0 1 0 . [1 5 ] Y . B e r k o v ic h a n d B . A x e lr o d , H ig h s t e p - u p D C - D C c o n v e r t e r w it h c o u p le d in d u c t o r a n d r e d u c e d s w it c h - v o lt a g e s t r e s s ,” I E C O N 2 0 1 2 - 3 8 t h A n n u a l C o n f e r e n c e o n I E E E I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s S o c i e t y , p p . 4 5 3 - 4 5 8 , O c t . 2 0 1 2 . [1 6 ] M .C . T a n c a a n d I . B a r b i, A h ig h s t e p - u p g a in D C - D C c o n v e r t e r b a s e d o n t h e s t a c k in g o f t h r e e c o n v e n - t io n a l b u c k b o o s t D C - D C c o n v e r t e r s ,” I E E E P o w e r E l e c t r o n i c s C o n f e r e n c e ( C O B E P ) , 2 0 1 1 B r a z i l i a n , p p . 1 9 6 - 2 0 0 , S e p . 2 0 1 1 . [1 7 ] C .M . Y o u n g , M .H . C h e n , T .A . C h a n g , C .C . K o , a n d K .K . J e n , C a s c a d e C o c k c r o f t W a lt o n V o lt a g e M u lt ip lie r A p p lie d t o T r a n s f o r m e r le s s H ig h S t e p - U p D C D C C o n v e r t e r ,” I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s , I E E E T r a n s a c t i o n s o n , v o l. 6 0 , n o . 2 , p p . 5 2 3 - 5 3 7 , F e b . 2 0 0 5 . [1 8 ] S .M . C h e n , T .J . L ia n g , L .S . Y a n g , a n d J .F . C h e n , A C a s c a d e d H ig h S t e p - U p D C D C C o n v e r t e r W it h S in g le S w it c h f o r M ic r o s o u r c e A p p lic a t io n s ,” I E E E T r a n s . P o w e r E l e c t r o n i c s , v o l. 2 6 , n o . 4 , p p . 1 1 4 6 - 1 1 5 3 , A p r il 2 0 1 1 . [1 9 ] M . D e ls h a d , S . M o h a m m a d i, S . M o o s a v i, A N e w C a s c a d e d H ig h S t e p - u p D C - D C C o n v e r t e r ,” 9 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g / E l e c t r o n i c s , C o m p u t e r , T e l e c o m m u n i c a t i o n s a n d I n - f o r m a t i o n T e c h n o l o g y ( E C T I - C O N ) , 2 0 1 2 , p p . 1 - 4 , M a y 2 0 1 2 . [2 0 ] L .S . Y a n g , T .J . L ia n g , H .C . L e e , a n d J .F . C h e n , N o v e l H ig h S t e p - U p D C - D C c o n v e r t e r W it h C o u p le d - I n d u c t o r a n d V o lt a g e - D o u b le r C ir c u it s ,” I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s , I E E E T r a n s a c t i o n s o n , v o l. 5 8 , n o . 9 , p p . 4 1 9 6 - 4 2 0 6 , S e p . 2 0 1 1 . [2 1 ] K . E g u c h i, S . P o n g s w a t d , T . S u g im u r a , T . T h e p m a n e e , K . T ir a s e s t h , H . S a s a k i, D e s ig n o f a s w it c h e d - c a p a c it o r - b a s e d s e r ia l D C - D C c o n v e r t e r u s in g c le a n e n e r g y p o w e r s u p p lie s ,” E l e c t r i c a l E n - g i n e e r i n g / E l e c t r o n i c s C o m p u t e r T e l e c o m m u n i c a t i o n s a n d I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y ( E C T I - C O N ) , 2 0 1 0 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n , p p . 1 2 2 6 - 1 2 3 0 , M a y 2 0 1 0 . [2 2 ] S . P o n g s w a t d , K . S m e r p it u k , P . J u ls e r e e w o n g , K . E g u c h i, a n d H . S a s a k i, D e s ig n o f f r a c t io n a l c o n v e r s io n r a t io S C D C - D C c o n v e r t e r s ,” E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g / E l e c t r o n i c s , C o m p u t e r , T e l e c o m m u n i c a t i o n s a n d I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y ( E C T I - C O N ) , 2 0 1 3 1 0 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n , p p . 1 - 4 , 2 0 1 3 . [2 3 ] O . A b u t b u l, A . G h e r lit z , Y . B e r k o v ic h , a n d A . I o in o v ic i, B o o s t c o n v e r t e r w it h h ig h v o lt a g e g a in u s in g a s w it c h e d c a p a c it o r c ir c u it ,” P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 3 I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n C i r c u i t s a n d S y s t e m s , 2 0 0 3 . I S C A S 0 3 . , p p . 2 9 6 - 2 9 9 , 2 0 0 3 . I J P E D S V o l. 4 , N o . 4 , D e c e m b e r 2 0 1 4 : 5 2 8 5 3 5 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J P E D S I S S N : 2 0 8 8 - 8 6 9 4 5 3 7 B I O G R A P H I E S O F A U T H O R S V u T r a n i s a g r a d u a t e r e s e a r c h a s s i s t a n t a t U m a s s L o w e l l w i t h M a s t e r o f B i o m e d i c a l E n g i n e e r i n g f r o m T u f t s U n i v e r s i t y ( 2 0 1 0 ) a n d M a s t e r o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g f r o m H a n o i U n v i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ( V i e t n a m ) i n 2 0 0 2 . H e o b t a i n e d E n g i n e e r i n g D e g r e e i n E l e c t r o n i c s a n d T e l e c o m m u n i c a t i o n s f r o m H a n o i U n v i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ( V i e t n a m ) i n 2 0 0 0 . H i s r e s e a r c h e s a r e i n e l d s o f p o w e r e l e c t r o n i c s a n d c o n t r o l . M u f e e d M a h D H i s r e s e a r c h e s a r e i n e l d s o f e l e c t r o n i c s , d i g i t a l s y s t e m s , u l t r a s o u n d s e n s o r , s i g n a l p r o - c e s s i n g , a n d b i o m e d i c a l i n s t r u m e n t a t i o n . t e x t h e r e . F u r t h e r i n f o o n h i s h o m e p a g e : h t t p : / / f a c u l t y . u m l . e d u / M u f e e d M a h d / i n d e x . h t m l M o d e l i n g a n d A n a l y s i s o f T r a n s f o r m e r l e s s H i g h G a i n B u c k - b o o s t D C - D C C o n v e r t e r s ( V u T r a n ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.