I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o w er   E ng ineering   ( I J AP E )   V o l.  6 ,   No .   1 ,   A p r il 2 0 1 7 ,   p p .   4 5 ~5 4   I SS N:  2252 - 8792   DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ap e. v 6 . i1 . p p 4 5 - 54          45       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J APE   M o deling Ana ly sis  and Co ntrol o f   Diff e rent  DC - DC   Co nv erte To po lo g ies for Ph o to v o ltaic E m ula t o r       M o ha m m a T a uq u ir  I qb a l 1 M o hd   T a riq 2   1 Da m o d a V a ll e y   Co rp o ra ti o n ,   K o lk a ta,  In d ia   2 S c h o o o f   El e c tri c a a n d   El e c tro n ic E n g in e e rin g ,   Na n y a n g   Tec h n o l o g ica Un iv e rsit y ,   S in g a p o re       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   1 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Ma r   8 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Ma r   22 ,   2 0 1 7       T h is  p a p e p re se n ts   th e   m o d e li n g ,   a n a ly sis  a n d   c o n tro l   o f   d if fe re n DC - DC   c o n v e rter  to p o lo g ies   to   e m u late   th e   p h o to v o lt a ic  ( P V sy s te m .   A   P V   e m u lato is  b a sic a ll y   a   DC - DC  c o n v e rter  h a v in g   sa m e   e lec tri c a c h a ra c ter isti c th a o f   so lar  P V   p a n e l.   T h e   e m u lato h e lp t o   a c h iev e   re a l   c h a ra c teristics   o f   P V   sy ste m   in   a   b e tt e w a y   in   a n   e n v iro n m e n wh e re   u sin g   a c tu a P V   sy ste m c a n   p ro d u c e   in c o n siste n re su lt d u e   t o   v a riatio n   i n   w e a th e c o n d i ti o n s.  T h e   p a p e d e sc rib e d if f e r e n ty p e o f   DC - DC  c o n v e rters   li k e   b u c k ,   Re so n a n a n d   Qu a si  R e so n a n Co n v e rter.  T h e   c o m p lete   s y ste m   is   m o d e ll e d   in   M ATLA B ®   S i m u li n k   S i m P o w e rS y ste m   so f t wa re   p a c k a g e .   T h e   S im u latio n   re su lt o b tain e d   f ro m   th e   M A TL A B ®   S im u li n k   S i m P o w e rS y ste m   so f t w a re   p a c k a g e   f o d iff e r e n to p o lo g ies   u n d e ste a d y   a n d   d y n a m ic   c o n d i ti o n a re   a n a ly z e d   a n d   p re s e n ted .   A n   e v a l u a ti o n   tab le  is  a lso   p re se n ted   a th e   e n d   o f   th e   p a p e r,   p re se n ti n g   th e   e f fe c ti v e n e s s o f   e a c h   to p o l o g y .   K ey w o r d :   B u ck   co n v er ter   L L C   r eso n an t c o n v er ter   P h o to   v o ltaic  e m u lato r   Qu asi r eso n an t b u ck   co n v er ter   Si m u li n k   Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Mo h a m m ad   T au q u ir   I q b al   Da m o d ar   Valle y   C o r p o r atio n ,   Ko lk ata,   I n d ia   E m ail:  ta u q u ir . iq b al@ g m ail. c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   Fas d ep letio n   o f   f o s s il   f u els   li k o il,   n at u r al   g a s ,   co al  etc.   h a s   m ad t h e   s o ciet y /r esear c h er s /i n d u s tr ies   to   lo o k   f o r   ch ea p   an d   ef f i cien r en e w ab le  en er g y   o p ti o n s .   Mo r eo v er   th p o llu tio n   ca u s ed   b y   t h b u r n i n g co n s u m p tio n   o f   f o s s il  f u el s   in   p o w er   s tatio n s ,   au to m o t i v v e h icles  etc.   h as   led   th s o ciet y   a n d   r esear ch er s   to   th i n k   o n   t h e n v ir o n m e n t al  lin e s .   E n er g y   o b tai n ed   f r o m   n at u r all y   r ep etiti v e   an d   p er s is te n t   f lo w s   o f   e n er g y   o cc u r r i n g   i n   t h lo ca l   en v i r o n m e n i s   d e f in ed   a s   r e n e wab le  en er g y .   So lar   en er g y   is   g o o d   ex a m p le  o f   r en e w ab le  en er g y   as  i r ep ea t s   d ay   a f ter   d a y   [ 1 ] ,   [ 2 ] .   So lar   e n er g y   is   b ein g   s ee n   as  o n o f   th b es r en e w ab le  s o u r ce   o f   en er g y   s p ec ialt y   i n   d is co n n ec ted   ar ea s   a n d   it  is   b ec o m in g   p o p u lar   s o lu tio n   to   tar g et  e n er g y   p r o b le m s   i n   d is co n n ec ted   ar ea s .   Mo r eo v er ,   P p an els  also   f in d s   ap p lica tio n   i n   in d ep en d en s y s te m s   f o r   th p r o d u ctio n   o f   elec tr icit y ,   s u c h   as  s o lar   h o m s y s te m s   ( S HS) ,   s tr ee lig h tin g ,   co m m u n it y   f ac i liti es,  etc.   i n   is o lated / d is co n n ec ted   ar ea s   [ 3 ] .   P o w er   o b tain ed   f r o m   s o lar   ar r ay   d ep en d s   u p o n   s o lar   in s o latio n ,   cli m ate  etc.   [ 4 ] .   Hen ce ,   all  th e   r esear ch   an d   d ev elo p m e n ac tiv itie s   r eq u ir ed   in   th ar ea s   o f   s o lar   en er g y   r eq u ir es  v ar iab le,   s tab le  an d   r ep ea tab le  P s o u r ce   f o r   d esig n   a n d   test in g .   Hen ce   P g e n er ato r   e m u lato r   is   r eq u ir ed   an d   its   m ai n   f u n ctio n   is   to   r ep r o d u ce   th I V   cu r v o f   p r ac tical  P p an el.   T h d ev elo p m e n o f   th s i m u lato r   w a s   in itia ted /n ee d ed   f o r   th test i n g   o f   P ap p licati o n s   s u ch   as  t h r ee   p h ase  g r id   co n n ec ted   in v er ter s   o r   MP PT  c h ar g co n tr o ller s   a s   s h o w n   i n   F i g u r 1 .   I n   F ig u r 1 ,   DC - DC   co n v er ter   is   u s ed   as   s o lar   P em u la to r .   T h in p u is   tak e n   f r o m   a   DC   s u p p l y / s o u r ce .   T h o u tp u t   o f   t h P e m u lato r   is   g i v e n   to   th t h r ee   p h ase  g r id   co n n e cted   in v er ter   u n d er   test .   I n itial l y   t h ese  te s ts   w er in itial l y   co n d u cted   o n   p h y s ica l/re al  P ar r ay s ,   b u m an y   is s u es  li k ch a n g in g   w ea t h er   etc.   ar ass o ciate d   w it h   th e s t y p es  o f   te s ts   [ 5 ] .   T h er ar m a n y   t y p es  o f   s o lar   P p an els  av ai lab le  in   th m ar k et,   an d   it  is   u n ec o n o m ical  to   b u y   all  o f   th e s f o r   test in g   to   f i n d   th r ig h p r o d u ct  in   ter m s   o f   ef f icien c y .   A   P e m u la to r   is   h an d y   h er as it c a n   g iv th c h ar ac ter is tics   o f   a ll p an el s   at  d if f er en t te m p er at u r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8792   I J A P E   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   A p r il   2 0 1 7 :   4 5     54   46   an d   v ar y i n g   w ea t h er   co n d iti o n s ,   th u s   h elp i n g   in   th co r r ec s elec tio n   o f   r ea P p a n el  s u itab le  to   th e   p ar ticu lar   r eq u ir e m e n t/  w ea t h er   co n d itio n s .   S i m u lat io n   o f   s o lar   p an el   u n d er   v ar io u s   ir r ad ian ce s   a n d   te m p er atu r es i s   d o n u s in g   t h e   m ath e m at ical  m o d el  ap p r o ac h   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   I n   P h o to v o ltaic  s y s te m s ,   s w i t ch ed   p o w er   D C - D C   co n v er te r s   ar w id el y   u s ed   to   tr an s f o r m   p o w er   b et w ee n   o n v o ltag e s   to   o th er   an d   also   m ain l y   u s ed   i n   Ma x i m u m   P o w er   P o in T r ac k er   ( MP PT)   [ 8 ] .   DC - DC   co n v er ter   h a s   p r o p er ty   o f   v ar iab le  r esis ta n ce   w h ic h   p la y s   a n   i m p o r ta n r o le  to   e m u late  s o lar   I - ch ar ac ter is tic s   an d   its   r esp ec tiv P - cu r v es  o f   P ar r ay .   A   w ell  d esi g n ed   s o lar   P V   em u la to r   s h o u ld   h av t h e   f o llo w in g   t w o   f ea t u r es:  1 )   I s h o u ld   p r ed ict  n ea r ly   s a m s t atic  I - ch ar ac ter is tics   o f   r ea s o lar   ar r ay s   a n d   p an el  u n d er   v ar io u s   w ea t h er   co n d itio n   a n d   lo ad   co n d itio n s .   2 )   I s h o u ld   b ab le  to   g iv e   s atis f ac to r y   r e s u l t   u n d er   p ar tial  s h ad i n g   co n d itio n   w it h   m o r th a n   o n p e ak   a n d   s tep   [ 9 ] .   T h DC /DC   co n v e r ter   w h e n   d esi g n ed   p r o p er ly   ca n   p r ec is el y   d escr ib th v o lta g e - cu r r en t a n d   v o lta g e - p o w er   ch ar ac ter is tics   o f   P ce ll/ar r a y   [ 1 0 ] .       DC - D C   C on ve r t e r  a s   S ol a r  P V   E m ul a t or DC D C   S up pl y T h r e e   P h a s e   I n v e r t e r V dc I dc DC V o u t I o u t E m ul a t i ng  R e a l   P V   P a n e l G r i d AC v g ( t ) i a ( t ) i b ( t ) ic ( t )     Fig u r 1 .   P em u lato r   co n n ec tio n   to   g r id   co n n ec ted   3   p h as in v er ter       T h P Sim u lato r   Si m u latio n   u s i n g   B u c k   C o n v er ter   w it h   a n al y s i s   u s i n g   b o d d iag r am   i s   p r esen ted   in   [ 1 1 ] .   Ma n y   au t h o r s   h a v co n tr ib u ted   to   th s m all - s ig n al   m o d eli n g   o f   L C C   r eso n an t o p o lo g y .   A   s m a ll - s ig n al  m o d el  f o r   L C C   r eso n an co n v er ter   w i th   L C   f il t er   h as  b ee n   w el ex p lo r ed   f o r   h i g h - f r eq u e n c y   ap p licatio n s .   D y n a m ic  m o d el in g   o f   L C C   r eso n a n to p o lo g y   w i th   ca p ac iti v o u tp u f i l ter   f o r   h ig h - p o w er   ap p licatio n s   h a s   also   b ee n   d e m o n s tr ated   b y   th a u t h o r s   i n   [ 12 - 1 3 ] .   A   n e w   to p o lo g y   f o r   Qu asi - s q u ar e - w av e   co n v e r ter s   h as   b ee n   d ev e lo p ed   in   1 9 8 8 ,   an d   its   d etailed   a n al y s i s   a n d   m o d eli n g   is   a v ailab le  in   liter atu r [ 1 4 ] .   W ith   all  th e s r esear ch   a v aila b le,   b u s till   co m p ar ativ e v alu atio n   o f   th ab o v to p o lo g i es  as  P em u lato r   is   m i s s i n g   in   t h liter at u r e,   an d   h en ce   p r esen ted   i n   th i s   p ap er .   T h p ap er   is   o r g an ized   as  f o ll o w s b u ck   co n v er ter   b ased   P e m u lato r   is   ex p lai n ed   in   s ec ti o n   2 .   L L C   R eso n a n C o n v er ter   b ased   PV  e m u lato r   an d   Q u asi  R eso n an B u ck   C o n v er ter   b ased   P em u lato r   ar e   p r esen ted   in   s ec tio n s   3   an d   4   r esp ec ti v el y .   Si m u latio n   r e s u l ts   ar p r esen ted   an d   d is cu s s ed   i n   s ec tio n   5   an d   th e   co n clu s io n s   in   s ec tio n   6 .           Fig u r 2 .   Si m u li n k   b lo ck   d ia g r a m   o f   cu r r en m o d co n tr o l o f   b u c k   co n v er ter   B u c k   C o n v e r t e r M e a s u r e m e n t C u r r e n t   M o d e C o n t r o l   B l o c k Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A P E     I SS N:  2252 - 8792       Mo d elin g ,   A n a lysi s   a n d   C o n tr o l o f D iffer en DC - DC   C o n v er ter   T o p o l o g ies   ( Mo h a mma d   Ta u q u ir   I q b a l )   47   2.   B UCK   CO NVERT E B AS E P E M UL AT O R   B asic  m o d el  o f   th e m u lato r   u s i n g   cu r r en m o d b u ck   co n v er ter   is   s h o w n   i n   Fi g u r 2 .   T h p o in o f   in ter s ec tio n   o f   s lo p o f   th ( 1 /R )   an d   I - ch ar ac ter is tic s   w ill   b th o p er atin g   v o ltag an d   cu r r en as  s h o w n   i n   th co n tr o s tr ate g y   o f   t h s i m u lato r   in   Fi g u r 3 .   T h o u tp u t   cu r r en an d   o u tp u v o lta g is   s en s ed   an d   th e n   its   co r r esp o n d in g   r esi s ta n ce   ca n   b ca lcu lated   a n d   t h en   g o es   t o   th lo o k   u p   tab le   w h ich   cr ea tes  t h r e f er en ce   v o ltag e.   T h r ef er e n ce   v o ltag is   th e n   co m p ar ed   w it h   t h o u tp u v o lta g o f   t h m o d el  a n d   t h en   g o e s   to   t h e   co m p e n s ato r   w h ich   g en er ates   r ef er en ce   cu r r en t.  S w i tch   c u r r en is   co m p ar ed   w it h   r ef er e n ce   cu r r en t,  w h en   s w itc h   cu r r en t r ea c h es r e f er en ce   cu r r en t t h en   s w itc h   is   t u r n e d   o f f   an d   it i s   ag ai n   s w i tch   o n   w it h   t h h e lp   o f   S R   f lip   f lo p .           Fig u r 3 .   C o n tr o s tr ateg y   o f   t h s i m u lato r       3.   L L R E SO N ANT CO NV E RT E B ASE P E M UL AT O R   P em u lato r   ca n   b i m p le m e n ted   u s in g   L L C   r eso n an co n v er ter   as  s h o w n   i n   F i g u r 4 T h ese   t y p es   o f   r eso n a n t   co n v er ter   ca n   b o p er ated   u n d er   ze r o - v o lta g s w itc h i n g   ( Z VS)   f o r   t h h i g h   v o ltag e   s id s w itc h   an d   ze r o - cu r r e n t   s w itc h i n g   ( Z C S)  o f   t h r ec ti f ier   d io d es f o r   th lo w   v o ltag s id w h e n   d es ig n ed   p r o p er l y .   T h o u tp u i m p ed an ce   o f   t h r eso n an t   co n v er ter   ca n   b r e g u lat ed   f r o m   ze r o   to   i n f i n ite   w it h o u s er ial   o r   s h u n t   r esis to r   w it h   t h f r eq u en c y   m o d u latio n   co n tr o l.  T h er ef o r e,   th is   t y p o f   i n v er ter   h as  s ig n i f ica n h ig h er   t h a n   co n v e n tio n al   P W co n v er ter   f o r   th i s   ap p licatio n .   Vo lta g g ain   o f   t h L L C   r eso n a n co n v er ter   i s   g iv e n   b y   eq u atio n   ( 1 ) .     |     (   ) |   |          |         * (       )   ,     (       )   -     (       )   ( (       ) (         ) )   (       ) )   +     ( 1 )   W h er e,                     ,                       (           )            a nd                                                                  4.   Q UA SI   R E SO NAN T   B UCK   CO NVER T E B AS E P E M UL AT O R   Z er o   v o lta g s w itc h i n g   ca n   b e   o b tain ed   w h en   ca p ac ito r   is   c o n n ec ted   p ar allel  ac r o s s   s w i tc h   an d   ze r o   cu r r en s w itc h in g   i s   o b tain ed   w h e n   an   i n d u c to r   is   co n n ec t ed   in   s er ies  w i th   th s w itc h .   C ir cu it  d ia g r a m   o f   Qu asi r eso n an t b u ck   co n v er ter   is   s h o w n   i n   Fi g u r e   5 .   R e g u la t io n   o f   th o u tp u v o ltag i s   ac h iev ed   b y   c h a n g i n g   th ef f ec ti v d u t y   c y cle,   p er f o r m ed   b y   v ar y i n g   t h s w itc h i n g   f r eq u e n c y   o f   t h s w itc h .   T h u s ,   ch a n g i n g   th e   ef f ec tiv o n - ti m o f   t h MO SF E T   in   Z V d esig n .   T h f o u n d atio n   o f   t h i s   co n v er s io n   is   s i m p l y   t h v o lt - s ec o n d   p r o d u ct  eq u atin g   o f   th in p u an d   o u tp u t.  I is   s o m eh o w   id e n tical  to   th at  o f   P u ls w id th   p o w e r   co n v er s io n ,   an d   m o s tl y   n o l ik t h o s o f   it s   elec tr ical  d u al  o f   en er g y   tr a n s f er   s y s te m ,   th ze r o   cu r r en t   s w itc h ed   co n v er ter s .   R eg u latio n   o f   th o u tp u v o lta g is   ac co m p lis h ed   b y   ad j u s ti n g   th e f f ec ti v d u t y   c y cle,   p e r f o r m ed   b y   v ar y i n g   t h co n v er s io n   f r eq u e n c y .   T h is   ch a n g es t h e f f ec ti v o n - t i m e   in   Z VS d es ig n .   T h f o u n d atio n   o f   t h i s   co n v er s io n   is   s i m p l y   t h v o lt - s ec o n d   p r o d u ct  eq u atin g   o f   t h in p u an d   o u tp u t.  I is   v ir tu a ll y   id en tica to   th at   o f   s q u ar w a v p o w er   co n v er s io n ,   a n d   v astl y   u n li k th e   en e r g y   tr an s f er   s y s te m   o f   its   elec t r ical  d u al,   t h e   ze r o   cu r r en t s w i tch ed   co n v er ter s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8792   I J A P E   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   A p r il   2 0 1 7 :   4 5     54   48       Fig u r 5 .   C ir cu it d ia g r a m   o f   q u asi r eso n an t b u ck   co n v er ter       Du r in g   th e   Z VS   s w i tch   o f f - ti m e,   t h L - C   ta n k   cir c u it  r e s o n ates.  O u tp u t   v o ltag e   ca n   b r e g u la ted   b y   v ar y i n g   it s   s w i tch in g   f r eq u e n c y .   t h v o ltag ac r o s s   t h s witch   s tar r eso n atin g     \ f r o m   z er o   to   its   p ea k ,   a n d   b ac k   d o w n   ag ai n   to   ze r o .   A th is   p o in th s w i tc h   ca n   ag ain   b s w itc h ed   o n ,   an d   lo s s les s   ze r o   v o ltag e   s w itc h in g   i s   ac h iev ed .   B ec au s e,   th r eso n an tan k   d is c h ar g e s   th e   o u tp u ca p ac itan ce   o f   t h MO SF E T   s w itc h   ( C o s s ) ,   it  d o   n o co n tr ib u te  to   p o w er   lo s s   d is s ip ated   in   th s w itc h .   T h er ef o r e,   th MO SF E T   tr an s i tio n   lo s s e s   b ec o m ze r o   r eg ar d les s   o f   c ir cu it  p ar a m eter   i.e .   o p er atin g   f r eq u en c y   an d   i n p u t   v o lta g e.   T h er ef o r e,   it  h elp s   i n   i m p r o v i n g   t h ef f icie n c y   o f   t h r eso n an co n v er ter .   I also   h elp s   in   d ec r ea s in g   h ea lo s s e s   ass o ciate d   w i th   t h e   MO SF E T .   T h is   p r o p er ty   o f   r eso n an co n v er ter   m a k es   ze r o   v o ltag e   s w i tch i n g   s u itab le  f o r   h i g h   f r eq u e n c y ,   h ig h   v o lta g co n v er ter   d esig n s .   Mo r eo v er ,   th e   g ate  d r i v r eq u ir e m e n ts   also   r ed u ce d   s i g n i f ican tl y   i n   a   Z VS   d esig n   d u to   th lac k   o f   t h g ate  to   d r ain   ( Miller )   ch ar g e,   w h ich   i s   d elete d   w h e n   V &   I   eq u als ze r o .                                                                                                                                                     ( 2 )                              (                           )                                                                                                       ( 3 )     Fro m   eq u atio n   2   an d   3 ,   C h o o s in g   V DSmax   to   b 6   ti m es  m o r th an   V IN   I Omax =4   a m p   I Omin   w il l b . 8   am p   to   ac h ie v e   ze r o   v o ltag s w itc h i n g .   A   r eso n an t ta n k   p er io d   f r eq u en c y   o f   f R =5 0 0   KHz   w ill b u s ed   T h en   Z R = V INmax / I Omin   3 0 /.8 = 3 7 . 5   o h m   L _ R = Z R R =3 7 . 5 /2 Π * 5 0 0 0 0   1 1 . 9   µH   C R =1 /Z R   ω R   8 . 4 5   n F       5.   SI M UL AT I O N   R E S UL T AND  DIS CUSS I O N   Si m u latio n   is   d o n i n   M A T L A B ®  Si m u li n k   e n v ir o n m en t.  T h p ar am eter s   u s ed   f o r   b u ck ,   L L C   r eso n an t,  q u a s r eso n a n t   b u ck   co n v er ter s   ar lis ted   in   T ab le   1 ,   T a b le  2   an d   T a b le  3   r esp e ctiv el y . T h o u tp u t   v o ltag i s   0 - 2 1   Vo lts ,   a n d   o u t p u cu r r en is   0 - 4   a m p er es.  T h p er ce n tag r ip p le  in   o u tp u v o ltag a n d   cu r r en t   is   k ep b elo w   1 %.  S w itc h in g   f r eq u en c y   is   k ep to   ab o u t   1 0 0   k Hz.   R eso n an i m p ed a n ce ,   in d u ctan ce   a n d   ca p ac itan ce   h a s   b ee n   ca lcu lat ed   f o r   q u asi  r e s o n a n co n v er te r   an d   r ep o r ted   in   th T ab le   3   as  7 5   o h m ,   2 3 . 8 μ an d   4 . 2 2 5   n F r esp ec tiv el y .       T ab le  1 .   Sim u latio n   P ar am e ter s   o f   B u ck   C o n v er ter   S i mu l a t i o n   S e t   u p   P a r a me t e rs   R a t i n g   I n p u t   v o l t a g e   3 0   V o l t s   O u t p u t   v o l t a g e     0 - 2 1   v o l t s   O u t p u t   c u r r e n t   - 4   A mp   S w i t c h i n g   f r e q u e n c y   1 0 0   k H z   P e r c e n t a g e   r i p p l e   i n   c u r r e n t   l e ss t h a n   1 %   P e r c e n t a g e   r i p p l e   i n   v o l t a g e     l e ss t h a n   1 %   I n d u c t a n c e   o f   t h e   c o n v e r t e r   ( L )   1 2   mH   C a p a c i t a n c e   o f   t h e   c o n v e r t e r   ( C )   2 . 2 mf           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A P E     I SS N:  2252 - 8792       Mo d elin g ,   A n a lysi s   a n d   C o n tr o l o f D iffer en DC - DC   C o n v er ter   T o p o l o g ies   ( Mo h a mma d   Ta u q u ir   I q b a l )   49   T ab le  2 .   Sim u latio n   P ar am e ter s   o f   L L C   R e s o n a n t Co n v er ter   S i mu l a t i o n   S e t   u p   P a r a me t e r s   R a t i n g   I n p u t   v o l t a g e   4 0 0   V o l t s   O u t p u t   v o l t a g e   0 - 2 1   v o l t s   O u t p u t   c u r r e n t   - 4   A mp   M a x i m u m   p o w e r   6 6   W a t t s   R e so n a n t   f r e q u e n c y   1 0 0   k H z   P e r c e n t a g e   r i p p l e   i n   c u r r e n t   L e ss t h a n   1 %   P e r c e n t a g e   r i p p l e   i n   v o l t a g e   L e ss t h a n   1 %       T ab le  3 .   Sim u latio n   P ar am e ter s   o f   Qu a s i Re s o n a n t B u c k   C o n v er ter   S i mu l a t i o n   S e t   u p   P a r a me t e r s   R a t i n g   O u t p u t   v o l t a g e   0 - 2 1   v o l t s   O u t p u t   c u r r e n t   - 4   A mp   S w i t c h i n g   f r e q u e n c y   80 - 1 2 0   k H z   P e r c e n t a g e   r i p p l e   i n   c u r r e n t   l e ss t h a n   1 %   P e r c e n t a g e   r i p p l e   i n   v o l t a g e   l e ss t h a n   1 %   O u t p u t   I n d u c t a n c e   o f   t h e   c o n v e r t e r   ( L )   1   mH   O u t p u t   C a p a c i t a n c e   o f   t h e   c o n v e r t e r   ( C )   1   mf   R e so n a n t   i mp e d a n c e   ( Z r )   7 5   o h m   R e so n a n t   i n d u c t a n c e   ( L r )   2 3 . 8 μH   R e so n a n t   c a p a c i t a n c e   ( C r )   4 . 2 2 5   n F   O u t p u t   m i n   c u r r e n t   ( I o m i n )   0 . 4   A       Fig u r 6   an d   7   s h o w s   o u tp u t   v o ltag an d   cu r r en o f   th b u ck   co n v er ter   r esp ec tiv el y .   T h L o ad   is   ch an g ed   at  5 m s   an d   1 0 m s   a n d   th b u ck   co n v er ter   is   co n tr o lled   v ia  cu r r en co n tr o ller .   Fi g u r 6   an d   7   s h o w s   th d y n a m ics o f   t h co n v er ter   s y s te m   al s o .             Fig u r 6 .   Ou tp u v o ltag o f   b u ck   co n v er ter           Fig u r 7 .   Ou tp u t c u r r en t o f   b u ck   co n v er te r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8792   I J A P E   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   A p r il   2 0 1 7 :   4 5     54   50   Fig u r 8   an d   9   s h o w s   th f r e q u en c y   r e s p o n s o f   o u tp u v o ltag g ai n   w it h   d if f er en Q   f ac to r   an d   d if f er n in d u cto r   r atio s   r esp ee ctiv el y .   Fig u r 1 0   s h o w s   r eso n an cu r r en an d   m a g n etizin g   cu r r en f o r   m ax i m u m   p o w er ,   w h er ea s   Fi g u r 1 1   s h o w s   d io d c u r r en t   f o r   th e   s a m ca s e.   I ca n   b s ee n   th at   d io d is   tu r n i n g   o f f   w it h   Z C ( ze r o   cu r r en s w itch i n g ) .   Hen ce ,   t h e r w ill  n o b an y   s p ik i n   t h s ec o n d ar y   d io d cu r r en w h ich   i n cr ea s e s   o v er al l e f f icien c y .   Fi g u r 1 2   s h o w s   o u tp u t v o lta g at  m ax i m u m   p o w er .       R e gi on  1 ( Z V S ) R e gi on  2 ( Z V S ) R e gi on  3 ( Z C S ) R I nc r e a s e s         Fig u r 8 .   Fre q u en c y   r e s p o n s o f   o u tp u v o ltag g ai n   o f   t h L L C   r e s o n a n t c o n v er ter           Fig u r 9 .   Fre q u en c y   r e s p o n s o f   o u tp u v o ltag g ai n   w it h   d if f er en t i n d u cto r   r atio s       I lm I l r     Fig u r 1 0 .   Ou tp u t c u r r e n t a m ax i m u m   p o w er   o p er atin g   in   r e g io n   2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A P E     I SS N:  2252 - 8792       Mo d elin g ,   A n a lysi s   a n d   C o n tr o l o f D iffer en DC - DC   C o n v er ter   T o p o l o g ies   ( Mo h a mma d   Ta u q u ir   I q b a l )   51   I D 3 I D 4     Fig u r 1 1 .   Ou tp u t c u r r e n t a m ax i m u m   p o w er   o p er atin g   in   r e g io n   2           Fig u r 1 2 .   Ou tp u t v o lta g at  m ax i m u m   p o w er       Fig u r 1 3   s h o w s   I - ch ar ac t er is tics   o f   I - cu r v an d   th ei r   co r r esp o n d in g   f r eq u e n c y   i s   s h o w n   in   F ig u r 1 4 .   I ca n   b o b s er v ed   th at  p o in t s   E ”,   F”  a n d   G”  a r lo ca ted   in   r eg io n   2   to   o b tai n   h ig h   e f f icien c y   i n   h ig h   o u tp u t - p o w er   o p er atio n s .   I ca n   b s ee n   f r o m   ab o v f i g u r t h at  in   o r d er   to   ac h iev f u l I - ch ar ac ter is tic s   f r eq u e n c y   h a v e   to   v ar y   f r o m   8 0   k Hz  to   1 7 5   k Hz.   B u t f o r   h al f   i n s o latio n   as  s h o w n   i n   Fi g u r 1 3 ,   in   o r d er   to   ac h iev o p en   c ir cu it  v o lta g an d   s h o r cir c u it  f r eq u en c y   o f   L L C   co n v er ter   h a v to   v ar y   m o r e.   I is   v er y   d if f ic u lt  to   b u ild   h i g h   v ar iab le  f r eq u en c y   p u ls g en er at o r   an d   it  w i ll  also   in cr ea s g at d r iv er   cir cu it  lo s s   to   s ig n if ica n v al u e.   T h er ef o r e,   ef f icie n c y   o f   e m u lato r   w ill  d ec r ea s e.           Fig u r 1 3 .   T h V I   cu r v o f   t h L L C   r eso n a n t c o n v er ter           Fig u r 1 4 .   Fre q u en c y   r esp o n s o f   o u tp u v o ltag g ai n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8792   I J A P E   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   A p r il   2 0 1 7 :   4 5     54   52   Fig u r 1 5   an d   1 6   s h o w s   o u tp u v o lta g an d   c u r r en o f   t h q u as r eso n a n b u c k   co n v er ter   r esp ec tiv el y .   Fi g u r 1 7   s h o w s   r eso n an cu r r e n at  m a x i m u m   p o w er .   Fig u r 1 8   an d   1 9   s h o w s   s w itc h   v o ltag e   v /s   d u t y   c y cle  o f   q u asi   b u c k   r eso n a n co n v er ter .   W ca n   o b s er v e   f r o m   F i g u r 1 8   t h a t   Z VS  o f   s w itc h   i s   ac h iev ed   an d   m ax i m u m   s w itc h   v o lta g is   s i x   ti m e s   o f   in p u t   v o ltag as  d esi g n ed .   I f   w w an to   ac h iev ze r o   v o ltag f o r   cu r r en les s   th a n   0 . 8   am p s ,   w h a v to   in cr ea s m a x i m u m   s w itc h   v o lta g e.   S u p p o s w w an to   ac h iev e   ze r o   v o lta g f o r   cu r r en u p   to   0 . 4   a m p s .   T h en   s w i tch   v o ltag e   w ill   b 1 1   ti m e s   o f   i n p u v o lta g as   s h o w n   in   F ig u r 1 9 .           Fig u r 1 5 .   Ou tp u t v o lta g o f   q u asi r eso n an t b u ck   co n v er ter           Fig u r 1 6 .   Ou tp u t c u r r e n t o f   q u asi r eso n an t b u ck   co n v er ter           Fig u r 1 7 .   R eso n an t c u r r en t a t   m ax i m u m   p o w er       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ A P E     I SS N:  2252 - 8792       Mo d elin g ,   A n a lysi s   a n d   C o n tr o l o f D iffer en DC - DC   C o n v er ter   T o p o l o g ies   ( Mo h a mma d   Ta u q u ir   I q b a l )   53       Fig u r 1 8 .   S w itc h   v o lta g v s .   d u t y   c y cle           Fig u r 1 9 .   S w itc h   v o lta g v s   d u t y   c y cle       T ab le  4 .   C o m p ar is o n   o f   P W b ased   an d   r eso n an t b ased   DC - D C   C o n v er ter   P a r a me t e r s   P W M   b a se d   B u c k   R e so n a n t   b a se d   L L C   N o .   o f   s w i t c h e s   1   2   N o   o f   d i o d e s   1   2   ( h a l f   b r i d g e )   o r   4   ( f u l l   b r i d g e )   N o .   o f   i n d u c t o r s   1   2   N o .   o f   c a p a c i t o r s   1   2   Z V S   N o t   a v a i l a b l e   A v a i l a b l e   Z C S   N o t   a v a i l a b l e   A v a i l a b l e   I so l a t i o n   N o t   a v a i l a b l e   A v a i l a b l e   V o l t a g e   g a i n   L e ss t h a n   2   C a n   b e   u p   t o   1   Ef f i c i e n c y   L o w   H i g h   C o st   L o w   H i g h   C o n t r o l   c o mp l e x i t y   L e ss   M o r e       6.   CO NCLU SI O N   W h av e   d ev elo p ed   an d   s tu d ied   th r ee   t y p e   o f   co n v er to r   f o r   p h o to   v o ltaic  e m u lato r .   B u ck   h a v e   ad v an ta g o f   s i m p le  co n tr o l,  l o w   co s t,  ca n   b ea s il y   m o d if i ed   to   ac h iev I - c h ar ac ter is ti cs  at  d if f er en s o lar   in s o latio n .   W f o u n d   it  i s   q u it d if f icu l f o r   Z   s o u r ce   co n v er ter   to   g iv f u ll  I - c h ar ac ter is tics   as  d i s cu s s ed   i n   s ec tio n   3 .   W h av also   s t u d i ed   d if f er en t y p o f   r eso n a n co n v er ter   to   g et  f u ll  I - ch ar a cter is tics .   R e s o n a n t   co n v er ter   lik L L C   is   v er y   e f f icien f o r   p h o to   v o ltaic   e m u la to r   if   d e s ig n ed   f o r   p a r ticu lar   s o lar   in s o latio n ,   b u w h e n   t h is   co n v er ter   is   u s ed   f o r   v ar iab le  s o lar   i n s o lat io n   t h e n   t h v ar iatio n   i n   s w itch in g   f r eq u en c y   i n cr ea s e.   I t   is   i m p r ac tical  to   b u ild   g a te  d r iv er   cir cu it  o f   w id f r eq u en c y   g en er ato r   an d   also   g ate   d r iv lo s s   b ec o m e   s ig n i f ica n w h ile   o p er atin g .   Qu asi   b u c k   al s o   g iv e s   v er y   g o o d   ef f icie n c y   at   m a x i m u m   p o w er   p o in t.  B u a s   d is cu s s ed   in   s ec tio n   4 ,   in   o r d er   to   ac h iev f u ll  ch ar ac ter is t ics  s w itc h   v o lta g h a v to   in cr ea s e.   I n   o r d er   to   ac h iev Z V at  o p en   cir cu it  co n d itio n ,   p ea k   v o lta g w ill  g o   to   in f in i t y .   T h er is   also   p r o b lem   at  d if f er en t   s o lar   in s o latio n   b ec au s f o r   lo w   v al u o f   s o lar   i n s o latio n   Z VS  ca n n o b ac h ie v o n   f u ll  I - ch ar ac ter is tics   i f   s h o r t c ir cu it c u r r en t i s   less   t h a n   I O m in .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8792   I J A P E   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   A p r il   2 0 1 7 :   4 5     54   54   RE F E R E NC E S   [1 ]   F .   Ro b e rt,   M .   G h a ss e m i,   a n d   A .   Co ta,  " S o l a r en e rg y re n e wa b le e n e rg y   a n d   t h e   e n v iro n me n t , "   CR P re ss ,   2 0 0 9 .   [2 ]   M .   T a riq ,   S .   Bh a rd w a a n d   M .   Ra sh id ,   " Eff e c ti v e   b a tt e r y   c h a rg in g   s y ste m   b y   so lar  e n e rg y   u sin g   p ro g ra m m in g   a n d   m icro c o n tro ll e r, "   Ame ric a n   J o u rn a o El e c trica l   Po we a n d   E n e rg y   S y ste ms ,   v o l.   2 ,   n o .   2 ,   p p .   4 1 - 4 3 .   2 0 1 3 .   [3 ]   M .   T a riq   a n d   K.  S h a m si,  " A p p li c a ti o n   o f   RET   to   d e v e lo p   e d u c a ti o n a i n f ra stru c tu re   in   Uttar  P ra d e sh , "   In ter n a t io n a J o u rn a o Rec e n T re n d   In   e n g i n e e rin g ,   ACE EE ,   v o l.   4 ,   p p   1 8 7 - 1 9 0 ,   2 0 1 0 .   [4 ]   A .   T a riq ,   M .   A si m ,   a n d   M .   T a riq ,   " S imu li n k   b a se d   m o d e li n g ,   simu l a ti o n   a n d   Per fo rm a n c e   Eva lu a ti o n   o a n   M PP T   fo ma x imu m   p o we g e n e ra t io n   o n   re sistive   l o a d , "   2 n d   In tern a ti o n a C o n f e re n c e   o n   En v iro n m e n tal  S c ien c e   a n d   T e c h n o lo g y   IP CBEE ,   S in g a p o re ,   v o l. 6 ,   F e b .   2 0 1 1 .   [5 ]   D.C.   L u   Dy lan   a n d   Q .   N.   Ng u y e n ,   " A   p h o t o v o lt a ic  p a n e e m u lato u sin g   a   b u c k - b o o st  DC/DC  c o n v e rter  a n d   a   lo w   c o st m icro - c o n tro ll e r, "   S o la r   En e rg y El se v ier ,   v o l.   8 6 ,   n o .   5 ,   p p .   1 4 7 7 - 1 4 8 4 ,   M a y   2 0 1 2 .   [6 ]   S .   Yu li a n g ,   " A   P h o to - v o lt a ic arra y   si m u lato r" ,   Acta   En e rg ia e   S o la r is  S in ica , v o l . 1 8 ,   p p . 4 4 8 - 4 5 1 ,   1 9 9 7 .   [7 ]   Ho n g li a n g   L iu ,   M i n g z h He   a n d   x iao ji e   Yo u ,   " In v e stig a ti o n   o f   p h o t o v o lt a ic  a rra y   si m u lato rs  b a se d   o n   d if f e re n k in d o f   P W M   re c ti f iers , "   2 0 0 9   I n ter n a ti o n a C o n fer e n c e   o n   C o m mu n ica t io n s,  Circ u it a n d   S y ste ms ,   M il p i tas ,   CA ,   2 0 0 9 ,   p p .   7 3 7 - 7 4 1 . E.   [8 ]   Du ra n ,   J.  G a lan ,   M .   S id ra c h - de - Ca rd o n a   a n d   J.  M .   A n d u jar,  " Ne w   A p p li c a ti o n   o f   th e   Bu c k - Bo o st - De riv e d   Co n v e rters   to   Ob tain   t h e   I - V   Cu rv e   o f   P h o t o v o lt a ic  M o d u le s,"   2 0 0 7   IEE Po we E lec tro n ics   S p e c ia li sts   Co n fer e n c e ,   Orla n d o ,   F L ,   2 0 0 7 ,   p p .   4 1 3 - 41 7.   [9 ]   K.  A h m e d ,   T .   L a B e ll a   a n d   J.  S .   L a i.   " Hig h   e ff ici e n c y   p h o to v o lt a i c   so u rc e   si m u lato w it h   f a st  re sp o n se   ti m e   f o r   so lar  p o w e c o n d it i o n in g   sy st e m e v a lu a ti o n , "   Po we El e c tro n ics ,   IEE T ra n sa c ti o n o n   2 9 .   ( 3 p p   1 2 8 5 - 1 2 9 7 ,   2 0 1 4 .   [1 0 ]   M .   Cirri n c io n e ,   M .   C.   Di  P ia z z a ,   G .   M a rsa la,  M .   P u c c a n d   G .   V it a le,  " Re a ti m e   si m u latio n   o f   re n e wa b le  so u rc e s   b y   m o d e l - b a se d   c o n tro o f   DC/DC  c o n v e rters , "   2 0 0 8   IEE I n te rn a ti o n a S y mp o siu o n   In d u str ia El e c tro n ics Ca m b rid g e ,   2 0 0 8 ,   p p .   1 5 4 8 - 1 5 5 5 .   [1 1 ]   F .   Yu siv a r,   M . Y.  F a ra b i,   R.   S u ry a d in i n g ra t,   W .   W .   A n a n d u ta,  W .   a n d   Y.  S y a i f u d in ,   " Bu c k - c o n v e rt e p h o t o v o lt a i c   sim u lato r, "   In ter n a ti o n a J o u rn a o P o we r E lec tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste ms ,   v o l.   1 ,   n o .   2 ,   p p .   1 5 6 - 1 6 7 ,   De c .   2 0 1 1 .   [1 2 ]   E.   X .   Ya n g ,   F .   C.   L e e   a n d   M .   M .   Jo v a n o v ic,  " S m a ll - sig n a m o d e li n g   o f   L CC  re so n a n c o n v e rter,"   PE S '9 2   Rec o rd .   2 3 rd   An n u a IEE P o we r E lec tro n ics   S p e c ia li sts C o n fer e n c e ,   T o led o ,   S p a i n ,   1 9 9 2 ,   p p .   9 4 1 - 9 4 8   v o l. 2 .   [1 3 ]   J.  F .   L a z a a n d   R.   M a rti n e l li ,   " S t e a d y - sta te  a n a l y si o f   th e   LL se ries   re so n a n c o n v e rter,"   AP EC  2 0 0 1 .   S ixte e n th   An n u a IEE Ap p li e d   Po we El e c tro n ics   Co n fer e n c e   a n d   Exp o siti o n   ( Ca t.   No . 0 1 CH3 7 1 8 1 ) ,   A n a h e im ,   C A ,   USA ,   2 0 0 1 ,   p p .   7 2 8 - 7 3 5   v o l . 2 .   [1 4 ]   V .   V o r p e rian ,   " Qu a si - sq u a re - wa v e   c o n v e rters to p o l o g ies   a n d   a n a l y sis,"   in   IEE T ra n sa c ti o n o n   P o we r   El e c tro n ics ,   v o l.   3 ,   n o .   2 ,   p p .   1 8 3 - 1 9 1 ,   A p ril   1 9 8 8 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.