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 )   Vo l.   10 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 2 1 ,   p p .   6 8 ~ 79   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ap e. v 1 0 . i1 . p p 6 8 - 79          68       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij a p e. ia esco r e. co m   Sing le sw itch  Z - s o urce/qua si  Z - so u rce  DC - DC  conv e rter s       V.   Sa ra v a na n 1 ,   M .   Sa bitha 2 ,   V.   B ind u 3 ,   Ven k a t a cha la m   K   M 4 ,   M .   Aru m ug a m 5   De p a rtme n o f   El e c tri c a a n d   El e c tro n ics   E n g in e e rin g ,   A ru n a E n g in e e rin g   Co ll e g e ,   A n n a   Un iv e rsity ,   T a m il   Na d u ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   A p r   2 3 ,   2 0 2 0   R ev i s ed   J u n   7 ,   2 0 2 0   A cc ep ted   Oct  1 6 ,   2 0 2 0       T h is  p a p e a n a ly z e a   fa m il y   o f   h ig h   ste p   u p   si n g le  sw it c h   s w it c h e d   c a p a c it o b o o st   c o n v e rters   a n d   Z - so u rc e /q u a si  Z - so u rc e   d c - d c   c o n v e rters   to   p r o v id e   h ig h   o u tp u d c   v o lt a g e   g a in   w it h   sin g le  sta g e   c o n v e rsio n   h a v in g   lo w   v o lt a g e   stre ss   o n   a c ti v e   s w it c h e s,   c a p a c i to rs,  a n d   d i o d e s.  T h e   o p e ra ti n g   p rin c i p les ,   p a ra m e ters   d e sig n   g u id e li n e   o f   th e se   c o n v e rters   a re   p re se n ted   a lo n g   w it h   sim u latio n   re su lt s.  T h e   d isc u ss e d   to p o lo g ies   in   th is  p a p e a re   a ime d   to   in c re a se   th e   c o n v e rsio n   sy ste m   re li a b il it y   a n d   e ff icie n c y   w it h   d e c re a se d   c o st,  v o lu m e ,   a n d   w e ig h t.   T h e se   p o w e c o n v e rter  to p o l o g ies   a re   u se d   f o v a rio u a p p li c a ti o n s su c h   a s p h o t o v o lt a ic (P V sy ste m s,  w in d   e n e rg y   c o n v e rsio n ,   f u e l   c e ll s,  u n in terru p ti b le  p o w e s y st e m s,  m o to d riv e s,  e n e rg y   sto ra g e   s y ste m s,   e lec tri c   v e h icle   a n d   p o w e f a c to c o rre c ti o n .   S im u latio n a re   c a rried   o u in   M AT LAB/S im u li n k   e n vi ro n m e n t .   K ey w o r d s :   DC - DC   p o w er   co n v er s io n   P h o to v o ltaic   Vo ltag b o o s tin g   ab ilit y     Vo ltag g ai n   Z - s o u r ce   co n v er ter   T h is  is  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   V.   Sar av an a n   Dep ar t m en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g i n ee r in g   A r u n ai  E n g in ee r i n g   C o lle g e,   An n Un i v er s i t y   T ir u v an n a m ala i 6 0 6   6 0 3 ,   T am il Na d u ,   I n d ia   E m ail:  v s ar a n ae c@ y a h o o . co . i n       1.   I NT RO D UCT I O N   P h o to v o ltaic  ( P V)   ap p licatio n s ,   lo w   v o lta g DC   g r id   s y s te m s ,   f u el  ce ll  s y s te m s ,   g r id   co n n ec ted   in v er ter s ,   elec tr ic  v eh ic les,  m o to r   d r iv es  an d   elec tr o n ic  lo ad s   r eq u ir es  d esire d   DC   lin k   v o ltag e   eit h er   at  th e   p o in o f   co u p li n g   o r   at  t h s u b s eq u en t   p o w er   co n v er ter   ar r an g e m en t s ,   w h ic h   s h o u ld   h a v co n s tan t   o r   r eg u lated   D C   v o ltag e .   Ho w e v er   in   r ea lit y ,   o u tp u DC   v o lta g es  d er iv ed   o u f r o m   t h ese  DC   s o u r ce s   s u c h   as  P V   s y s te m s   ar n o u n i f o r m   d u to   v ar io u s   r ea s o n s   lik s o u r ce   v ar iab ilit y ,   in ter m itte n c y   an d   ab s en ce   o f   ap p r o p r iate  p o w e r   co n v er ter   to p o lo g ies.  T o   av o id   th ese  is s u es,  v ar io u s   D C   p o w er   co n v e r ter   to p o lo g ies  ar d ev elo p ed   b y   v ar io u s   a u t h o r s   h a v i n g   t h f ea t u r es  o f   r e g u lated   v o ltag e   w it h   ad eq u ate   v o lta g g ai n   ar e   illu s tr ated   as  m e n tio n ed   i n   [ 1 - 7 ] .   T h ey   h ad   r ea lized   t h ese  n ec es s i ties   w it h   t h h elp   o f   i s o lated / n o n - is o lated ,   c o n v e n tio n al  b o o s t/b u c k - b o o s t,  r eso n an co n v er ter   to p o lo g ies  h av in g   h i g h   s tep   u p   DC   g a in s ,   w h en   o p er ated   at  ce r tain   d u t y   r atio .   Ho w ev er   it  p r o d u ce s   lar g c u r r en r i p p le  in   t h i n d u cto r   lead in g   t o   h ig h er   co n d u c tio n   an d   s w i tch i n g   lo s s .   D C - DC   c o n v er ter s   h a v i n g   h i g h   s tep   u p   v o ltag e   g ai n   e x p er ien ce s   v ar ie t y   o f   p r o b le m s   lik e   v o ltag s tr es s ,   p o w er   lo s s e s   d u to   in ter f ac i n g   tr a n s f o r m er s .   S w itc h in g   lo s s es  i n   t h d io d an d   v o ltag e   u n b ala n ce   o n   t h o u tp u ca p ac ito r s   af f ec t h p er f o r m a n ce   o f   th ese  co n v er ter s   w it h   lo w   e f f i cien c y   i n   th f o r m   o f   r ev er s r ec o v er y / elec tr o m a g n et ic  i n ter f er e n ce   p r o b lem s   [ 8 - 1 7 ] .   I n   th is   p ap er ,   s w itc h ed   ca p ac ito r   Z SI  an d   QZ SI  co n v er ter   f a m il y   b ase d   to p o lo g ies  ar d elib er ated   f o r   th ap p licatio n   o f   DC - D C   co n v er s io n .   T h e   co m p ar ati v k e y   f ac to r s   i n f l u en cin g   th e   u s o f   t h e   p r o p o s ed   to p o lo g ies  ar e:  co n tin u o u s   in p u c u r r en t   an d   v o ltag g a in ,   co n n ec tio n   o f   s o u r ce   an d   lo ad   at   th co m m o n   g r o u n d   p o in t,  v o lta g s tr ess   a cr o s s   th ca p ac ito r   an d   q u an t it y   o f   d io d e   an d   s w it c h in g   d ev ice s.   By   e m p lo y i n g   s in g le  ac ti v s w itc h   ( MO SF E T   o r   I GB T ) ,   th ese   co n v er ter s   ca n   r ea li ze   b etter   DC - DC   v o lta g co n v er s io n   at   d u t y   c y cle  o f   v al u r an g i n g   f r o m   0 . 1   to   0 . 9 .   A l s o   th b u c k   an d   b o o s t f ea t u r es o f   th is   co n v er ter s   s u b j ec ted   to   d u t y   r atio .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       S in g le  s w itch   Z - s o u r ce /q u a s i Z - s o u r ce   DC - DC   co n ve r te r s   ( V .   S a r a va n a n )   69   2.   B ASI C   SW I T CH E D   CAP A CIT O R   B O O ST   CO NV E RT E R   T O P O L O G I E S   A   t h ir d   o r d e r   b o o s DC - DC   c o n v er ter   is   p r esen ted   in   Fi g u r e   1 ,   w h ich   co n tai n s   o f   s in g le  s w itc h   S W d io d es  ( D 1   an d   D 2 ) ,   ca p ac it o r s   ( C an d   C 2 ) ,   a n   i n d u cto r   L   an d   r esis ti v lo ad   R L .   F o llo w i n g   eq u a tio n s   ass o ciate d   w ith   b o o s t c o n v er te r   ar b r ief ed   in   [ 1 8 ] .           Fig u r e   1 .   T h ir d   o r d er   b o o s t D C - DC   co n v er ter       T h b o o s t c o n v er s io n   f ac to r ,   is   g i v e n   b y     2                                                    ( 1 ) 1 D M D   ( 1 )     Vo ltag s tr es s   o n   ac ti v s w i tc h ,   s V   is   g i v e n   b y :                                                          ( 2 ) 1 V i n Vs D   ( 2 )     Vo ltag s tr es s   ac r o s s   d io d es,  d V is   g i v en   b y :                                                      ( 3 )       1 in d V V D   ( 3 )     Fig u r e s   2   an d   3   ar ex a m p les   o f   s w itc h ed   ca p ac ito r   b o o s co n v er ter   to p o lo g ies.  T o   o b ta in   b etter   v o ltag g ai n ,   s w i tch ed   ca p ac it o r s   ( C 1   an d   C 2 )   ar co n n ec ted   in   s er ie s   to   s u p p l y   th lo ad .   W h en   t h s w i tch   S W   is   t u r n ed   o n ,   in p u v o ltag s o u r ce   is   co n n ec ted   to   C 1   in   s er ies   an d   lo ad   is   co n n ec ted   to   C lo ad .   Fo llo w i n g   eq u atio n s   a s s o ci ated   w ith   s w i tch ed   ca p ac ito r   DC - D C   co n v er ter   ar b r ief ed   [ 1 9 ,   2 0 ] .   T h b o o s co n v er s io n   f ac to r ,   is   g i v en   b y :     2                                                     ( 4 ) 1 M D   ( 4 )     Vo ltag s tr es s   o n   ac ti v s w i tc h ,   s V   an d   v o lta g s tr es s   ac r o s s   d io d es,  d V is   g iv e n   b y :       =                                                                                         ( 5 ) 2 V o u t V s V d   ( 5 )           Fig u r e   2 .   S w i tch ed   ca p ac ito r   DC - DC   co n v er ter   ( t o p o lo g y   1 )   [ 1 6 ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 2 1   6 8     79   70       Fig u r 3 .   S w i tch ed   ca p ac ito r   DC - DC   co n v er ter   ( t o p o lo g y   2 )       3.   Z - SO URC E   DC - DC   CO NV E RT E R   T O P O L O G I ES   A cc o r d in g   to   Fig u r 4 ,   th Z - s o u r ce   co n v er ter   is   o p er atin g   a s   DC - DC   b o o s o p er atio n ,   w h ic h   co n s is ts   o f   d io d D 1 ,   t w o   id en tical  i n d u cto r s   (L 1   a n d   L 2 )   an d   ( C 1   an d   C 2 )   ar co u p led   to   attain   th Z - s o u r ce   o p er atio n .   S w itc h   ( S W )   is   ac t iv s w itch   a n d   L f   an d   C f   ar s ec o n d   o r d er   l o w   p ass   f ilter s .   T h e   co n v er ter   s u p p lies   p o w er   to   t h r esi s ti v lo ad   ( R L ) .   B y   t h s y m m etr y   o f   Z   n et w o r k ,   in d u cto r   L 1 an d   L r a n g e s   ar s e lecte d   eq u al  to   L ; c ap ac ito r   C 1   a n d   C 2   r an g es a r e   s elec ted   eq u al  to   C ,   t h er ef o r i L1 = i L i L ,   V L = V L V a n d   V C1  =   V C2  V C .   T h cir cu it  h as  h i g h er   i n p u to   o u tp u DC   v o lta g b o o s co n v er s io n   f ac to r   an d   is o l ates  th s o u r ce   an d   lo ad   in   ca s o f   s h o r t c ir c u it a t th lo ad   s id e.   MO S FET   is   s w itc h ed   a t a   s w itc h in g   f r eq u e n c y   o f   1 /   f s T s   an d   d u t y   c y cle  o f   t h s w i tch   D is   g i v en   b y   / ,   D T o n T s w h er T on   is   p u ls w id t h   a n d   Ts is   th s w i tch i n g   p er io d   o f   P W ( p u ls w id th   m o d u l atio n )   s i g n a l.  Fo llo w i n g   eq u a tio n s   a s s o ciate d   w it h   Z - s o u r ce   DC - DC   co n v er ter   ar b r ief ed   [ 2 1 ,   2 2 ].           Fig u re   4 .   Z - s o u r ce   D C - D C   co n v er ter   ( to p o lo g y   1 )       T h b o o s t c o n v er s io n   f ac to r ,   is   g i v e n   b y :     1               f o r  D  <  0 .5                         ( 6 ) 12 D M D   ( 6 )       Vo ltag s tr es s   o n   ac ti v s w i tc h ,   s V   is   g i v e n   b y :                                                             ( 7 ) 12 V i n Vs D   ( 7 )       Vo ltag s tr es s   ac r o s s   d io d es,  d V is   g i v en   b y :                                                           ( 8 ) 12 V i n Vd D   ( 8 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       S in g le  s w itch   Z - s o u r ce /q u a s i Z - s o u r ce   DC - DC   co n ve r te r s   ( V .   S a r a va n a n )   71   Vo ltag s tr es s   ac r o s s   d io d es,  d V is   g i v en   b y :         1                                                                                         ( 9 ) 12 D V c V i n D   ( 9 )     T h m o d if ied   v er s io n   o f   Z   s o u r ce  DC - D C   co n v er ter   as  s h o w n   i n   F ig u r e   5   co n s is t s   o f   Z - s o u r ce   n et w o r k   ( L 1 L 2 C 1 ,   an d   C 2 ) ,   s w itc h   S W ,   t w o   d io d es  D 1   a n d   D 2 ,   f ilter   ca p ac ito r   C f   an d   lo a d   r esis tan ce     R L   [ 2 3 ] .   B o th   f r o m   F ig u r e s   5   an d   6 ,   th in p u s o u r ce   an d   lo ad   ar lo ca ted   o n   th s a m s i d o f   th e   Z - s o u r ce   n et w o r k ,   w h ich   s h ar t h s a m g r o u n d   to   p r o d u ce   h ig h   v o lt ag g ai n   w it h   n o   ad d itio n al  c o m p o n en t s   an d   lo w   v o ltag e   s tr es s es   o n   t h s w itc h   an d   d io d es  [ 2 4 ] .   T h o th er   m o d if ied   v er s io n s   o f   Z - s o u r ce   D C - DC   co n v er ter   ar e   s h o w n   i n   Fi g u r e   7   w it h   ad d iti o n al  d io d es  a n d   ca p ac ito r s .   T h Z - s o u r ce   n e t w o r k   is   co n s i s o f   D 1 L 1 L 2 C 1 C 2 ”  an d   th s w itc h ed   ca p ac ito r   n et w o r k   is   co n s is t o f   C 3 C 4 C 5 D 2 , D 3 ,   an d   D 4 .     T h b o o s t c o n v er s io n   f ac to r ,   is   g i v e n   b y :         2 ( 1 )               f o r  D  <  0 .5                       ( 1 0 ) 12 D M D   ( 1 0 )       Vo ltag s tr es s   o n   ca p ac ito r s , Vc o f   C 1 C 2   ca n   b ex p r es s ed   as:         1                                                                                           ( 1 1 ) 12 D V c V in D   ( 1 1 )       Ou tp u t v o lta g out V   is   g iv e n   b y :         2 ( 1 )                                                                             ( 1 2) 12 D V o u t V i n D   ( 1 2 )           Fig u r e   5 .   Z - s o u r ce   D C - D C   co n v er ter   ( to p o lo g y   2 )           Fig u r 6 .   Z - s o u r ce   D C - D C   co n v er ter   ( to p o lo g y   3 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 2 1   6 8     79   72       Fig u r e   7.   Z - s o u r ce   D C - D C   co n v er ter   ( to p o lo g y   4 )       4.   Q UA SI   Z - SO U RCE   DC - DC   CO NVER T E R   T O P O L O G I E S   T h q u asi   Z - s o u r ce   co n v er ter   is   a n   e x cl u s i v e   Z - s o u r ce   n et w o r k .   I is   co n n e cted   b et w ee n   t h i n p u t   p o w er   s o u r ce   a n d   s w itc h i n g   cir cu it  f o r   th p u r p o s o f   in c r ea s th D C   o u tp u t   v o ltag o f   th co n v er ter   b y   ad j u s tin g   th s h o o t h r o u g h   ( ST )   d u ty   r atio   as  il lu s tr ated   i n   Fi g u r 8   [ 2 5 ] .   Du r in g   th t r ad itio n al  o p er atio n   s tate,   o n l y   DC   c u r r en g o es  t h r o u g h   t h in d u cto r s .   Du r i n g   s h o o th r o u g h   ( ST )   m o d an d   n o n - s h o o th r o u g h   m o d e,   i n d u cto r   c u r r en i n cr ea s es  a n d   d ec r ea s es  r esp ec ti v el y .   T h o th er   m o d i f ied   v er s io n s   o f   q u a s Z - s o u r ce   DC - DC   co n v er ter   to p o lo g ies a r ex p o s ed   in   Fig u r e s   9   an d   1 0 .           Fig u r 8 .   Qu asi  Z - s o u r ce   D C - DC   co n v er ter   ( to p o lo g y   1 )           Fig u r e   9 .   Qu asi  Z - s o u r ce   D C - DC   co n v er ter   ( to p o lo g y   2 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       S in g le  s w itch   Z - s o u r ce /q u a s i Z - s o u r ce   DC - DC   co n ve r te r s   ( V .   S a r a va n a n )   73       Fig u r 1 0 .   Qu asi  Z - s o u r ce   DC - D C   co n v er ter   ( to p o lo g y   3 )       B y   th e   s y m m e tr y   o f   Z   n et w o r k ,   i n d u cto r   L 1   an d   L 2   r a n g es  ar s elec ted   eq u al   to   L ca p ac i to r   C 1   an d   C2   r an g e s   ar s elec ted   eq u al  t o   C .   T h en   th v alu o f   i L an d   i L ar e   eq u al  to   i L ,   V L an d   V L ar e   eq u al  to V L,   V C1   an d   V C2  ar e   eq u al  to   V C T h s y s te m   s ta te  eq u atio n   i s   g iv e n   b y     2 ( 1 )   1       2       2 ( 1 2 )   1         ( 1 2 ) 1 2                                                                                                ( 1 3 ) ( 1 2 ) ( 1 )       ( 1 2 )   1         ( 1 2 )                                 D I L I L V in D R L D V C V in D D V C V in D D I L V in D R L V d c V in D                       (1 3 )       I n d u cto r   cu r r en t ( I L )   is         P                                                                     ( 1 4 )   V i n   IL   (1 4 )     w h e n   th e   co n v er ter   is   o p er atin g   a s h o o th r o u g h   s ta te  m o d e,   th m ax i m u m   c u r r en r ip p l o cc u r s   d u to   t h e   n atu r o f   t h i n d u cto r .   T h r an g o f   cu r r e n t r ip p le  ( δ)   is   ca lcu lated   ac co r d in g   to   ( 1 5 ) :     I 2   δ %   I                                                                                 ( 1 5 ) LL    (1 5 )       T h v alu o f   t h in d u cto r   is   ca lcu lated   ac co r d in g   to   ( 1 6 ) :         L                                                                                          ( 1 6 ) V L D T S IL   (1 6 )     w h er an d   T s   ar th d u t y   c y cle  at  s h o o t th r o u g h   s tate  an d   to tal  s w itch in g   ti m d u r atio n   r esp ec tiv el y .   I n   s h o o th r o u g h   s tate  o p er atio n   m o d e,   th r ip p le  cu r r en o f   th co n v er ter   is   r ed u ce s   b ec au s t h e   in d u cto r   c u r r en ( I L )   an d   ca p a cito r   cu r r en ( I C )   b ec o m eq u al.   T h v o ltag r ip p le  o f   th e   c o n v e r ter   is   d ep en d s   o n   VcδV %,  t h e   r an g o f   t h e   ca p ac ito r   is   ca lcu la ted   ac co r d in g   to   ( 1 7 ) Qu as Z - s o u r ce   DC - D C   co n v er ter   to p o lo g ies  w it h   s w itc h ed   ca p ac ito r   n et w o r k   ar s h o w n   i n   Fig u r e   1 1   an d   Fig u r e   1 2 .   T h q u asi   Z - s o u r ce   n et w o r k   i s   i n cl u d ed   L 1 D 1,   L 2,   C 1   an d   C 2 ”  a n d   th e   s w i tch ed   ca p ac ito r   n et w o r k   i s   i n cl u d ed   C 3 D 4 C 4 D 5 C 5   an d   D [ 2 6 ,   2 7 ] .   So m o f   th v er y   in ter e s ti n g   Z - s o u r ce   DC - D C   co n v er ter   to p o lo g ies  o f   d if f er en t   co n f i g u r atio n s ,   b etter   f ea tu r es  w it h   s ca led   d o w n   v er if icatio n s   ar also   p r esen ted   in   [ 2 8 - 3 0 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 2 1   6 8     79   74                                                      ( 1 7 )  % I L D T S C V C V   (1 7 )           Fig u r e   1 1 .   Qu asi  Z - s o u r ce   DC - D C   co n v er ter   ( to p o l o g y   4 )           Fig u r e. 1 2 .   Qu asi  Z - s o u r ce   DC - D C   co n v er ter   ( to p o lo g y   5 )       T h b o o s t c o n v er s io n   f ac to r ,   is   g i v e n   b y :         2         f o r  D  <  0 .5                                              ( 1 8 ) 12 M D   ( 1 8 )       Vo ltag s tr es s   o n   ca p ac ito r s ,   Vc   of   C 1   to   C 5   ca n   b ex p r ess ed   as:         1 1         2 2                                                                                                                    ( 1 9 ) 2 3 4 5                                                                                                       2 D V c V o u t D V c V o u t V o u t V c V c V c   ( 1 9 )     T h in d u cto r   v alu o f   th Z - s o u r ce   n et w o r k   is   ca lc u lated   b y   u s i n g   ( 2 0 ) ,   I L   is   m a x i m u m   v alu o f   t h e   cu r r en t r ip p le.     ( 1 ) 1 2                                                           ( 2 0 ) ( 1 2 )     D D V i n LL D I L f     ( 20 )     T h ca p ac ito r   v alu o f   th Z - s o u r ce   n et w o r k   i s   ca lcu lated   b y   u s i n g   ( 2 1 ) ,   I C   is   m a x i m u m   v al u o f   t h e   v o ltag r ip p le.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       S in g le  s w itch   Z - s o u r ce /q u a s i Z - s o u r ce   DC - DC   co n ve r te r s   ( V .   S a r a va n a n )   75   2     1             ( 1 2 )     2 2     2     ( 1 2 )     3                                                                                                               ( 2 1 )   4 2 ( 1 2 )     ( 1   +   D )   5                             D I o u t C D V C f D I o u t C D V C f Iout C V C f D I o u t C D V C f Iout C V C f                                                             ( 2 1 )       5.   RE SU L T S A ND  D I SCU SS I O N   T h an al y s is   o f   th e s d is c u s s ed   co n v er ter   to p o lo g ies  ar e   b ased   o n   t h f o llo w i n g   as s u m p tio n s .     1 )   Dio d an d   s w i tch i n g   d ev ic es  ar o p er atin g   at  id ea co n d itio n s ,   2 )   T h r esis to r ,   ca p ac it o r   an d   in d u cto r   ar e   ass u m ed   as  f r eq u en c y   d ep en d en t,  t i m i n v ar ian li n ea r   elem en ts .   3 )   T h v alu o f   t h ca p ac ito r   is   ass u m ed   lar g w it h   co n s ta n v o ltag e   in   o n e   s w itc h i n g   ti m d u r ati o n .   4 )   T h co n v er ter s   o p er atin g   i n   co n ti n u o u s   co n d u ctio n   m o d e.     T h e   ch o s en   s i m u latio n   v al u es  f o r   all  t h d is c u s s ed   to p o lo g ies  ar e:  V in   1 2   V,   s o u r ce   s id in d u cto r s   L 1   an d   L 2   v a lu e s   ar 3 3 0   μ an d   ca p ac ito r s   C 1   a n d   C 2   v alu e s   ar 4 7 0   μ F,  f ilter   v al u es  L a n d   C f   v al u es   ar 3 3 0   μ an d   4 7 0   μ r esp ec tiv el y ,   f s 4 0   k Hz,   d u t y   c y cle  0 . 1   to   0 . 9 9   f o r   s w itc h ed   ca p ac ito r   DC - DC   co n v er ter   to p o lo g ies  an d   d u t y   c y cle  0 . 1   to   0 . 6   f o r   Z - s o u r ce /q u a s Z - s o u r ce   DC - D C   co n v er ter   to p o lo g ies.  R esis ti v e   lo ad   R L   o f   v alu 5 0 Ω   is   c h o s e n   f o r   all  t h ese  co n v er ter   to p o lo g ies.   Si m u latio n s   ar ca r r ied   f o r   th ese  to p o lo g ies   f o r   th co r r esp o n d in g   d u t y   r at io   f o r   th s elec ted   r an g i n   s t ep s   o f   0 . 0 5   an d   th o b tai n ed   o u tp u D C   v o ltag e s   ar n o ted .   T h m a x i m u m   o u t p u D C   v o ltag e   f o r   th e   co r r esp o n d in g   d u t y   r atio   i s   p r ese n t ed   in   t h f o llo w i n tab les an d   th v al u es  f o r   th ese  r an g e s   ar s h o w n   in   r esp ec ti v e   f ig u r es.     It   ca n   b o b s er v ed   th at  s w i tch ed   ca p ac ito r   co n v er ter   to p o l o g ies  e x h ib it  v er y   h i g h er   v o lta g g ai n   f o r   th d u t y   r atio   ab o v 0 . 9   an d   Z - s o u r ce /q u asi  Z - s o u r ce   to p o lo g ies  d o es  th s a m at   d u t y   r atio   v alu r an g in g   f r o m   0 . 4 4   to   0 . 4 8 .   T ab le   1   g iv es  t h p er f o r m a n ce   o f   s w i tch ed   ca p ac ito r   DC - DC   co n v er te r   to p o lo g ies,  w h er e   th m a x i m u m   o u tp u DC   v o lt ag o b tain ed   is   tab u lated   w it h   its   co r r esp o n d in g   d u t y   r atio   an d   Fig u r 1 3   p lo ts   th o u tp u t D C   v o l tag o f   th e s e   co n v er ter   to p o lo g ies as a   r o le  o f   D.       T ab le  1 .   P er f o r m a n ce   o f   s w i tc h ed   ca p ac ito r   DC - D C   co n v er t er   to p o lo g ies   S w i t c h e d   c a p a c i t o r   DC - D C   c o n v e r t e r   t o p o l o g i e s   M a x i m u m   o u t p u t   D C   v o l t a g e ( V o l t s)   C o r r e sp o n d i n g   d u t y   r a t i o   T h i r d   o r d e r   b o o st   D C - D C   c o n v e r t e r   1 3 5 . 4   0 . 9 5   S w i t c h e d   c a p a c i t o r   DC - D C   c o n v e r t e r   ( t o p o l o g y   1 )   1 3 2 . 1   0 . 9 2   S w i t c h e d   c a p a c i t o r   DC - D C   c o n v e r t e r   ( to p o l o g y   2 )   2 1 3 . 2   0 . 9 3           Fig u r 1 3 .   Ou tp u t D C   v o lta g o f   s w itc h ed   ca p ac ito r   DC - D C   co n v er ter   to p o lo g ies as a   f u n ct io n   o f   D   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N :   2252 - 8792   I n t J   A p p l P o w er   E n g ,   Vo l.   10 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 2 1   6 8     79   76   T ab le  2   g iv es t h p er f o r m a n ce   o f   Z - s o u r ce   DC - D C   co n v er ter   to p o lo g ies,  w h er th m a x i m u m   o u tp u t   DC   v o lta g o b tain ed   is   tab u lat ed   w it h   its   co r r esp o n d in g   d u t y   r atio   an d   Fig u r 1 4   p lo ts   th o u tp u D C   v o lta g e   o f   t h ese  Z - s o u r ce   DC - D C   co n v er ter   to p o lo g ie s   as   r o le  o f   D.   T ab le  3   g i v es   th e   p er f o r m an ce   o f   q u asi   Z - s o u r ce   DC - DC   co n v er ter   to p o lo g ies,  w h er t h m ax i m u m   o u tp u DC   v o lta g o b tain ed   i s   tab u la ted   w it h   it s   co r r esp o n d in g   d u t y   r atio   a n d   Fig u r 1 5   p lo ts   th o u tp u t   DC   v o ltag o f   t h ese  q u asi  Z - s o u r c DC - DC   co n v er ter   to p o lo g ies  as  f u n c tio n   o f   D.   I is   o b s er v ed   t h at  o u tp u t   DC   v o lta g o f   s w itc h ed   ca p ac ito r   DC - D C   co n v er ter   to p o lo g ies  ar h ig h   at   h ig h e r   d u t y   r atio ,   w h er ea s   Z - s o u r ce /q u asi  Z - s o u r ce   DC - DC   c o n v er ter   to p o lo g ies   ex h ib it b etter   D C   v o lta g b o o s tin g   at  v al u o f   0 . 4   w h ic h   r esu lt s   i n   m i n i m u m   s tr ess   to   t h s w itc h .       T ab le  2 .   P er f o r m a n ce   o f   Z - s o u r ce   DC - D C   co n v er ter   to p o lo g ies   Z   so u r c e   DC - D C   c o n v e r t e r   t o p o l o g i e s   M a x i m u m    o u t p u t   D C   v o l t a g e   ( V o l t s)   C o r r e sp o n d i n g   d u t y   r a t i o   T o p o l o g y   1   8 7 . 3 9   0 . 4 8   T o p o l o g y   2   8 8 . 2 3   0 . 4 7   T o p o l o g y   3   8 7 . 5 6   0 . 4 7   T o p o l o g y   4   8 5 . 5 6   0 . 4 4           Fi g u r 1 4 .   Ou tp u t D C   v o lta g o f   Z - s o u r ce   DC - D C   co n v er ter   to p o lo g ies as a   f u n ct io n   o f   D       T ab le  3 .   P er f o r m a n ce   o f   q u as i   Z - s o u r ce   DC - DC   co n v er ter   to p o lo g ies   Q u a si   Z   so u r c e   DC - D C   c o n v e r t e r   t o p o l o g i e s   M a x i m u m   o u t p u t   D C   v o l t a g e   ( V o l t s)   C o r r e sp o n d i n g   d u t y   r a t i o   T o p o l o g y   1   8 7 . 3 9   0 . 4 8   T o p o l o g y   2   1 3 4 . 3   0 . 4 8   T o p o l o g y   3   8 8 . 2 3   0 . 4 7   T o p o l o g y   4   7 9 . 2 7   0 . 4 4   T o p o l o g y   5   8 5 . 5 6   0 . 4 4           Fig u r 1 5 .   Ou tp u t D C   v o lta g o f   q u asi  Z - s o u r ce   DC - DC   co n v er ter   to p o lo g ies as a   f u n c tio n   o f   D   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   A p p l P o w er   E n g   I SS N:  2252 - 8792       S in g le  s w itch   Z - s o u r ce /q u a s i Z - s o u r ce   DC - DC   co n ve r te r s   ( V .   S a r a va n a n )   77   6.   CO NCLU SI O N   A   f a m il y   o f   s w itch ed   ca p ac ito r   an d   Z - s o u r ce /q u asi  Z - s o u r ce   DC - D C   co n v er ter   to p o l o g ies   f o r   p h o to v o ltaic  p o w er   ap p licatio n s   h as   b ee n   w o r k ed   i n   t h i s   p ap er .   Stead y   s tate  a n al y s i s   o f   t h ese  to p o lo g ie s   h a s   b ee n   d is cu s s ed   w it h   d etailed   s i m u latio n   r e s u l ts   to   v er if y   it s   ef f ec tiv e n e s s .   O u tp u DC   v o lt ag o b tain ed   f o r   all   th co n v er ter   to p o lo g ies   is   p r esen ted   i n   co m p r e h en s i v m a n n er   to   m ee t h r eq u i r e m en t   o f   v ar io u s   ap p licatio n s .   T h co n v er ter s   d is cu s s ed   i n   t h i s   p ap er   h a v t h ad v a n ta g es   s u c h   as   co n t in u o u s   i n p u t   cu r r e n t,  r ed u ce d   ca p ac ito r   v o ltag s tr e s s ,   lo w   v o ltag s tr es s   ac r o s s   t h o u tp u d io d an d   p o w er   s w itc h e s .   A ls o ,   t h es e   co n v er ter s   ar s u itab le  f o r   p h o to v o ltaic  ap p licatio n s   w h er v ar y i n g   lo w   DC   i n p u v o lta g is   co n v er ted   to   a   h ig h   s tab ilized   DC   o u tp u t v o lt ag e.       ACK NO WL E D G E M E NT S   T h is   w o r k   s u p p o r ted   b y   I n d o - Sri  L a n k J o in R e s ea r ch   P r o g r am ,   Dep ar t m e n o f   Sci en ce   an d   T ec h n o lo g y ,   Mi n is tr y   o f   Scie n ce   & T ec h n o lo g y ,   Go v er n m e n t   o f   I n d ia  ( I C - 3 4 2 5 . 6 0 . 7 9 8 . 1 4 . 0 0 . 3 1 & 3 5 ) .       RE F E R E NC E S     [1 ]   W .   L a n d   X .   He ,   " Re v iew   o f   No n iso late d   Hig h - S tep - U p   DC/ DC  Co n v e rters   in   P h o t o v o lt a ic  G rid - Co n n e c ted   A p p li c a ti o n s,"   in   IEE T ra n sa c t io n o n   In d u stria El e c tro n ics ,   v o l.   5 8 ,   n o .   4 ,   p p .   1 2 3 9 - 1 2 5 0 ,   Ap ril   2 0 1 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 /T IE. 2 0 1 0 . 2 0 4 9 7 1 5 .   [2 ]   B.   G u ,   J.  Do m in ic,  J.  L a i,   Z.   Z h a o   a n d   C.   L iu ,   " Hig h   Bo o st  Ra ti o   H y b rid   T ra n sf o r m e DC - D Co n v e rter  f o P h o t o v o lt a ic  M o d u le  A p p l ica ti o n s,"   in   IEE E   T ra n sa c ti o n o n   P o we El e c tro n ics ,   v o l.   2 8 ,   n o .   4 ,   p p .   2 0 4 8 - 2 0 5 8 ,   A p ril   2 0 1 3 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /T P EL . 2 0 1 2 . 2 1 9 8 8 3 4 .   [3 ]   Y.  Hs ieh ,   J.  Ch e n ,   T .   L ian g   a n d   L .   Ya n g ,   " No v e Hig h   S tep - Up   DC - DC  Co n v e rter  f o Distrib u ted   G e n e ra ti o n   S y st e m , "   in   IEE T ra n sa c ti o n s   o n   In d u stri a El e c tro n ics ,   v o l.   6 0 ,   n o .   4 ,   p p .   1 4 7 3 - 1 4 8 2 ,   A p r il   2 0 1 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 /T IE. 2 0 1 1 . 2 1 0 7 7 2 1 .   [4 ]   K.  P a rk   a n d   Z.   Ch e n ,   " Do u b l e   Un e v e n   P o w e Co n v e rter - B a se d   DC - DC  Co n v e rter  f o Hig h - P o w e DC  G rid   S y st e m s,"   in   IEE T ra n s a c ti o n o n   I n d u stria El e c tro n ics ,   v o l .   6 2 ,   n o .   1 2 ,   p p .   7 5 9 9 - 7 6 0 8 ,   De c .   2 0 1 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 /T IE . 2 0 1 5 . 2 4 5 8 3 0 1 .   [5 ]   W .   Ch e n ,   X .   W u ,   L .   Ya o ,   W .   Ji a n g   a n d   R.   Hu ,   " A   S tep - u p   Re s o n a n t   Co n v e rter  f o G rid - Co n n e c ted   Re n e w a b le   En e rg y   S o u rc e s,"   in   IEE T ra n sa c ti o n o n   Po we El e c tro n ics ,   v o l.   3 0 ,   n o .   6 ,   p p .   3 0 1 7 - 3 0 2 9 ,   J u n e   2 0 1 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 /T P EL . 2 0 1 4 . 2 3 3 6 8 9 3 .   [6 ]   A .   Ch u b ,   D.  V in n ik o v ,   E.   L ii v ik   a n d   T .   Ja lak a s ,   " M u lt ip h a se   Qu a si - Z - S o u rc e   DC - DC  Co n v e rters   f o Re sid e n ti a Distrib u te d   G e n e ra ti o n   S y ste m s,"   in   IEE T r a n sa c ti o n o n   I n d u st ria El e c tro n ics ,   v o l .   6 5 ,   n o .   1 0 ,   p p .   8 3 6 1 - 8 3 7 1 ,   Oc t.   2 0 1 8 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /T IE. 2 0 1 8 . 2 8 0 1 8 6 0 .   [7 ]   G .   R.   W a lk e a n d   P .   C.   S e rn ia,   " Ca sc a d e d   DC - DC  Co n v e rter  Co n n e c ti o n   o f   P h o t o v o lt a ic  M o d u les , "   in   IEE T ra n sa c ti o n o n   Po we r E lec tro n i c s ,   v o l.   1 9 ,   n o .   4 ,   p p .   1 1 3 0 - 1 1 3 9 ,   Ju ly   2 0 0 4 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /T P EL . 2 0 0 4 . 8 3 0 0 9 0 .   [8 ]   E.   H.  Is m a il ,   M .   A .   A l - S a ff a r,   A .   J.  S a b z a li   a n d   A .   A .   F a rd o u n ,   " F a m il y   o f   S in g le - S w it c h   P W M   Co n v e rters   w it h   Hig h   S tep - Up   Co n v e rsio n   Ra ti o , "   in   IEE E   T ra n sa c ti o n o n   Circ u it a n d   S y ste ms   I:  Reg u la r   Pa p e rs ,   v o l.   5 5 ,   n o .   4 ,   p p .   1 1 5 9 - 1 1 7 1 ,   M a y   2 0 0 8 ,   d o i 1 0 . 1 1 0 9 /T CS I. 2 0 0 8 . 9 1 6 4 2 7 .   [9 ]   L .   Ya n g ,   T .   L ian g   a n d   J.  Ch e n ,   " T r a n sf o r m e rl e ss   DC - DC  Co n v e r ters   w it h   Hig h   S tep - Up   V o lt a g e   G a in , "   in   IEE E   T ra n sa c ti o n o n   In d u stri a El e c tr o n ics ,   v o l .   5 6 ,   n o .   8 ,   p p .   3 1 4 4 - 3 1 5 2 ,   A u g .   2 0 0 9 ,   d o i 1 0 . 1 1 0 9 /T IE. 2 0 0 9 . 2 0 2 2 5 1 2 .   [1 0 ]   A .   S h a h in ,   M .   Hin a je,   J.  M a rti n ,   S .   P ierf e d e rici,   S .   Ra e a n d   B .   Da v a t,   " Hig h   V o lt a g e   Ra ti o   DC - D Co n v e rter  f o r   F u e l - Ce ll   A p p li c a ti o n s,"   in   IEE T ra n sa c ti o n o n   In d u stria El e c tro n ics ,   v o l.   5 7 ,   n o .   1 2 ,   p p .   3 9 4 4 - 3 9 5 5 ,   De c .   2 0 1 0 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /T IE. 2 0 1 0 . 2 0 4 5 9 9 6 .   [1 1 ]   C.   P a n   a n d   C.   L a i,   " Hig h - Eff icie n c y   Hig h   S tep - Up   Co n v e rter  w it h   L o S w it c h   V o lt a g e   S tres f o F u e l - Ce ll   S y st e m   A p p li c a ti o n s,"   i n   IEE T ra n sa c ti o n o n   In d u stri a El e c tro n ics ,   v o l.   5 7 ,   n o .   6 ,   p p .   1 9 9 8 - 2 0 0 6 ,   Ju n e   2 0 1 0 ,   d o i:   1 0 . 1 1 0 9 /T IE. 2 0 0 9 . 2 0 2 4 1 0 0 .   [1 2 ]   Y.  T a n g ,   D.  F u ,   T .   W a n g   a n d   Z.   X u ,   " Hy b rid   S w it c h e d - In d u c to r   Co n v e rters   f o Hig h   S tep - Up   Co n v e rsio n , "   i n   IEE T ra n sa c ti o n o n   I n d u stria El e c tro n ics ,   v o l.   6 2 ,   n o .   3 ,   p p .   1 4 8 0 - 1 4 9 0 ,   M a rc h   2 0 1 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 /T IE. 2 0 1 4 . 2 3 6 4 7 9 7 .   [1 3 ]   B.   P o o ra li ,   A .   T o rk a n   a n d   E.   A d ib ,   " Hig h   S tep - Up   Z - S o u rc e   DC - DC  C o n v e rter  w it h   Co u p led   In d u c to rs  a n d   S w it c h e d   Ca p a c it o Ce ll , "   in   IE T   Po we El e c tro n ics ,   v o l.   8 ,   n o .   8 ,   p p .   1 3 9 4 - 1 4 0 2 ,   8   2 0 1 5 ,   d o i:   1 0 . 1 0 4 9 /i e t - p e l. 2 0 1 4 . 0 2 0 0 .   [1 4 ]   K.  V ij a y a la k sh m i   a n d   C.   R.   Ba la m u ru g a n ,   " Z - S o u rc e   M u lt il e v e In v e rter  b a s e d   o Em b e d d e d   Co n tr o ll e r , "   In d o n e sia n   J o u rn a o El e c trica En g i n e e rin g   a n d   C o mp u ter   S c ien c e v o l.   6 ,   n o .   1 ,   p p .   1 - 8 ,   A p ril   20 1 7 .   [1 5 ]   De e p a   S a n k a a n d   C .   A .   B a b u ,   " De si g n   a n d   A n a l y sis  o a   No v e Qu a si  S o u rc e   b a se d   As y m m e tri c   M u lt il e v e l   In v e rter  f o P V   a p p li c a ti o n s , "   In ter n a ti o n a J o u r n a o P o we El e c tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste m v o l.   1 1 ,   n o .   3 ,   p p .   1 3 6 8 - 1 3 7 8 ,   2 0 2 0 .   [1 6 ]   S.   Ba la  Ku m a r,   S a m u e Ke fa le,   a n d   A z a th   M . ,   " Co m p a riso n   o f   Z - S o u rc e   EZ - S o u rc e   a n d   T Z - S o u rc e   In v e rter   S y st e m s f o W in d   En e rg y   Co n v e r sio n , "   In ter n a ti o n a J o u rn a o P o we El e c tro n ics   a n d   Dr ive   S y ste m v o l.   9 ,   n o .   4 ,   p p .   1 6 9 3 - 1 7 0 1 ,   D ec 2 0 1 8 .   [1 7 ]   M .   V e e ra c h a r y ,   " T h ird - o rd e b o o st  c o n v e rter,"   in   IE T   P o we El e c tro n ics ,   v o l .   1 1 ,   n o .   3 ,   p p .   5 6 6 - 5 7 5 ,   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 0 4 9 / iet - p e l. 2 0 1 7 . 0 1 8 6 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.