T E L K O M N I K T elec o m m un ica t io n,  Co m pu t ing ,   E lect ro nics   a nd   Co ntr o l   Vo l.   18 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 2 0 ,   p p .   32 47 ~3 2 57   I SS N:  1 6 9 3 - 6 9 3 0 ,   ac cr ed ited   First Gr ad b y   Kem en r is tek d i k ti,  Dec r ee   No : 2 1 /E/KPT /2 0 1 8   DOI : 1 0 . 1 2 9 2 8 /TE L KOM NI K A. v 1 8 i6 . 1 6 4 6 6     3247       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //jo u r n a l.u a d . a c. id /in d ex . p h p /TELK OM N I K A   A mo dified  Cuk   DC - D co nv ert er  f o DC   micro g ri d sy stems       Andria zis Da ho no Arw i nd r a   Rizqia wa n P ek ik Ar g o   Da ho no   S c h o o o f   El e c tri c a En g in e e ri n g   a n d   In f o rm a ti c s,  In sti tu te  o Tec h n o l o g y   Ba n d u n g ,   In d o n e sia       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ap r   2 2 ,   2 0 2 0   R ev is ed   J u n   1 5 ,   2 0 2 0   Acc ep ted   J u n   2 5 ,   2 0 2 0       n e e fficie n ste p - u p   d irec t   c u rre n t -   d irec c u rre n t   ( DC - DC )   p o we r   c o n v e rter  t h a is  su it a b le  fo DC   m icro g rid   s y ste m is  p ro p o se d   i n   th is  p a p e r.   Th e   p r o p o se d   ste p - u p   DC - DC  c o n v e rter  is  d e ri v e d   fr o m   th e   c o n v e n ti o n a Cu k   DC - DC  p o we r   c o n v e rter.  O u tp u t   v o lt a g e   a n a l y sis  t h a is   u se fu t o   p re d ict  th e   c o n d u c ti o n   l o ss e is  p re se n ted .   It  is  sh o wn   th a t   th e   p ro p o s e d   ste p - u p   DC - DC   c o n v e rter  is  m o re   e fficie n t   th a n   th e   c o n v e n ti o n a DC - DC  b o o st  p o we c o n v e rter.  C u rre n ri p p le  a n a ly si th a is  u se fu l   to   d e term in e   th e   re q u ired   in d u c to rs  a n d   c a p a c it o rs  is   a lso   p re se n ted .   Ex p e rime n tal  re su lt a r e   in c lu d e d   to   sh o w t h e   v a li d it y   o t h e   p r o p o s e d   ste p - u p   DC - DC  p o we c o n v e rt e r.   K ey w o r d s :   C u k   co n v er te r   DC - DC   co n v er ter   Mic r o g r id   Step - u p   co n v er ter   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e 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 :   Pek ik   Ar g o   Dah o n o ,     Sch o o l o f   E lectr ical  E n g in ee r in g   an d   I n f o r m atics,   I n s titu te  o f   T ec h n o lo g y   B an d u n g ,   Gan esa  St.  No .   1 0 ,   B an d u n g   4 0 1 3 2 ,   I n d o n esia.   E m ail:  p ad ah o n o @ ieee . o r g       1.   I NT RO D UCT I O N   I n d o n esia  is   an   ar ch ip elag o   co u n tr y   with   m o r th a n   1 7 , 0 0 0   is lan d s .   At  p r esen t,  th elec tr if icatio n   r atio   o f   th co u n tr y   is   ju s ab o u 9 7   with   m an y   is lan d s   ar s til l   n o   ac ce s s   to   elec tr icity .   Var i o u s   p r o g r a m s   h av e   b ee n   estab lis h ed   b y   th e   g o v er n m en t o   in c r ea s th e   elec tr icity   ac ce s s   esp ec ially   in   th e   r em o te  ar ea s   o r   is lan d s .   As  th lo ca tio n s   ar u s u ally   is o lated ,   a   m icr o g r id   s y s tem   is   s u itab le  f o r   th ese  ap p licatio n s .   I f   p o s s ib le,     th en er g y   s o u r ce s   m u s t b th lo ca lly   av ailab le  en e r g y   s o u r ce s   s u ch   as so la r ,   win d ,   m icr o h y d r o ,   o r   b io m ass .     T h o u g h   th m icr o g r id   s y s tem   ca n   b im p lem en ted   eith er   a s   an   a lter n atin g   cu r r en ( AC )   o r   d ir ec cu r r en t   ( DC )   m icr o g r id ,   th e   DC   s y s tem   is   d esira b le  as  th er is   n o   s y n c h r o n izatio n   p r o b lem   an d   ea s y   lo ad   s h ar in g .   An   ex am p le  o f   DC   m icr o g r id   s y s tem   th at  h as  b ee n   d ev elo p ed   is   s h o wn   in   Fig u r 1 .   T h p o wer   s o u r ce s   ca n   b p h o to v o ltaic  ( PV)   m o d u les,  win d   p o wer ,   m icr o h y d r o ,   o r   s m all  in ter n al   c o m b u s tio n   en g in es.  b atter y   en er g y   s to r a g is   u s ed   to   s to r e   th en er g y   f r o m   th e   s o u r ce s .   T h DC   g r id   v o ltag is   3 8 0 - 4 0 0   V dc .   M o s o f   th e   lo ad   ar e   lig h tin g s   an d   elec tr o n ic  ap p lian ce s .   All  DC - DC   co n v er ter s   an d   in v er ter s   ar e   co n s tr u cted   in   o n b o x   an d   it  i s   n am ed   as  p o wer   u n it  as  s h o wn   in   Fig u r e   2 .   T h p o wer   u n it,  b atter y ,   an d   PV  m o d u les  ar lo ca ted   o n   th p o wer   p o le.   I n s tead   o f   u s in g   p o we r   lim iter ,   an   e n er g y   lim iter   is   in s talled   f o r   ea ch   c u s to m er .     Fig u r 2   s h o ws  th at  DC - DC   co n v er ter   is   u s ed   as  an   in ter f ac b etwe en   th DC   g r id   an d   DC   en er g y   s o u r ce s   an d   b etwe en   th e   DC   g r id   a n d   b atter y   e n er g y   s to r ag e.   Var io u s   DC - DC   p o wer   co n v er ter s   f o r   t h ese  p u r p o s es  h av e   b ee n   p r o p o s e d   in   th liter atu r [ 1 - 2 0 ] .   T h o u g h   th e   DC - DC   co n v e r ter   ca n   b is o lated   o r   n o n is o lated ,   t h n o n is o lated   DC - DC   co n v er ter   is   p r ef er r e d   b ec au s o f   p o wer   lo s s   co n s id er atio n .   I n   ad d itio n   to   p o wer   lo s s   co n s id er atio n ,   th e   DC - DC   p o wer   co n v er ter s   f o r   th is   ap p licatio n   h a v to   p r o d u ce   lo w   in p u t   an d   o u tp u c u r r en r ip p les.  lo in p u cu r r en r ip p le  is   d esir ab l in   PV  an d   b atter y   ap p licatio n s   to   en s u r lo n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  18 ,   No .   6 Dec em b e r   2 0 2 0 :   3 2 4 7   -   3 2 5 7   3248   life   o p er atio n .   At  p r esen t,  th m o s co m m o n ly   u s ed   DC - DC   co n v er ter   f o r   PV  p o wer   g en er atio n   is     th co n v e n tio n al  n o n is o lated   b o o s DC - DC   p o wer   co n v er t er   [ 1 ,   5 ] .   T h is   b o o s co n v er t er   h as  m in im u m   n u m b er   o f   p ass iv an d   ac tiv d ev ices.  T h c o n v e n tio n al  b o o s DC - DC   co n v er ter   h as  co n ti n u o u s   in p u cu r r en t   an d   d is co n tin u o u s   o u tp u t c u r r en t.    T h is   p ap er   p r esen ts   s im p le  a n d   ef f icien s tep - up  DC - DC   p o wer   co n v er ter   b ased   o n   th m o d if icatio n   o f   C u k   DC - DC   p o wer   co n v e r ter .   As  it  i s   d er iv ed   f r o m   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter ,   th in p u an d   o u tp u t   cu r r en r ip p les  ar s m all.   C o n d u ctio n   lo s s es  an d   cu r r en r ip p l ex p r ess io n s   ar d er iv ed   in   th i s   p ap er .   I t   is   s h o wn   th at  th c o n d u ctio n   lo s s es  o f   t h p r o p o s ed   co n v er ter   ar e   s m aller   th an   th at  o f   c o n v e n tio n al  DC - DC   b o o s p o we r   co n v er ter .   Sev er al  e x p er im e n tal  r esu lts   ar in clu d e d   to   s h o th v alid ity   o f   th p r o p o s ed   s tep - u p   DC - DC     p o wer   co n v er ter .           Fig u r 1 .   DC   m icr o g r id   s y s tem       P V   m o d u l e B a t t er y 380 - 4 0 0   V d c A C   l o a d s 2 2 0   V D C   g r i d C h a r g e r / d i s c h a r g e r S t e p - u p   c o n v er t er In v e r t e r P o w er   u n i t     Fig u r 2 .   Po wer   u n it       2.   M O DIFI E CUK   DC - D P O WE CO NV E R T E R   T h p r o p o s ed   DC - DC   p o wer   c o n v er ter   is   m o d if icatio n   r esu lt o f   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter   [ 2 1 ] .   T h b asic  s ch em e   o f   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter   is   s h o wn   in   Fig u r e   3 .   T h o u g h   th a ctiv s witch in g   d ev ice   is   s h o wn   u s in g   m etal   o x id e   s e m ico n d u ct o r   f ield   ef f ec tr a n s is to r   ( MO SF E T ) ,   o th er   ty p s witch in g   d ev ice   ca n   also   b u s ed .   Un d e r   co n tin u o u s   co n d u ctio n   m o d e ,   it c an   b e   s h o wn   th at  th e   v o ltag r atio   is ;     ̄ = 1                     ( 1 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A   mo d ified   C u DC - DC   co n ve r ter fo r   d micro g r id   s ys tems   ( A n d r ia z is   Da h o n o )   3249   wh er α =T ON /T is   th d u ty   c y cle  o f   tr an s is to r   Q ,   T ON   is   ON - p er io d   o f   tr a n s is to r   Q ,   an d   T s     is   th s witch in g   p er io d .   T h co n v er ter   h as  ca p ab ilit y   to   p r o d u ce   an   o u tp u t   v o ltag th at  is   lo wer   o r   h ig h er   th an   th DC   in p u v o ltag e.   T h p o wer   co n v er ter   h as c o n tin u o u s   in p u t a n d   o u tp u t c u r r en ts   with   th ass o ciate d   lo r ip p le  co n ten t.   Un f o r tu n atel y ,   th p o lar ity   o f   th DC   o u tp u t v o ltag is   r ev er s ed .   As   it  is   s h o wn   in   Fig u r 3 ,   th e r is   th ir d   ter m i n al  th at  lo a d   ca n   b e   co n n ec ted .   T h v o ltag r atio   o f   th th ir d   ter m i n al  is ;   ̄ = 1 1                   ( 2 )     I f   th lo ad   is   co n n ec ted   to   th th ir d   ter m in al,   th lo ad   v o ltag is   alwa y s   h ig h er   th an   th in p u v o ltag e.     T h v o ltag p o lar ity   o f   th is   th i r d   ter m in al  is   n o r ev er s ed .   Fo r   th s am d u ty   c y cles,  th v o lta g o f   th ir d   ter m in al   is   h ig h er   th a n   th e   co n v en tio n al  lo ad   ter m i n al.   Fo r tu n ately ,   in   o u r   ap p licatio n s ,   th d esire d   o u t p u v o ltag is   alwa y s   h ig h er   th a n   th in p u t v o ltag e.   If   t h e   l o a d   i s   c o n n e c t e d   t o   t h e   t h i r d   t e r m i n a l ,   t h e n   a   n e w   p o w e r   c o n v e r t e r   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   4   ( a )   c a n   b o b t a i n e d .   T h e   l o a d   v o l t a g e   i s   a l w a y s   h i g h e r   t h a n   t h e   i n p u t   v o l t a g e   a s   i n   t h e   c a s e   o f   c o n v e n t i o n a l   b o o s t   DC - DC   p o w e r   c o n v e r t e r .   Dif f er en to   th co n v en tio n al  o n e,   h o wev er ,   th p o wer   co n v e r ter   in   Fig u r 4   h as  co n tin u o u s   o u t p u cu r r en with   th ass o ci ated   lo r ip p le  c o n ten t.   I f   b id ir e ctio n al  p o wer   f lo is   d esire d ,   th en   b i d ir ec tio n al   s witch es  a s   s h o wn   in   Fig u r 4   ( b )   m u s b u s ed .   Dep en d i n g   o n   th p o wer   f lo w,   th n ew  p o wer   co n v er te r   ca n   b o p e r ated   as  b o o s o r   b u ck   DC - DC   co n v er ter .   T h e   co n v er ter   to p o lo g y   d er iv a tio n   m eth o d   th at  is   u s ed   in   th is   p ap er   h as a ls o   b ee n   d is cu s s ed   in   [ 2 2 ] .         d E = 1 d E o v d L Q D C L o a d = 1 d L E v o C o L     Fig u r 3 .   Mo d if icatio n   o f   C u k   p o wer   co n v er ter           ( a)   ( b )     Fig u r 4 .   ( a )   Step - u p   an d   ( b )   b id ir ec tio n al  m o d i f ied   C u k   DC - DC   co n v er ter       3.   O UT P UT   VO L T AG E   ANA L YS I S   I n   th e   p r ev io u s   s ec tio n ,   th e   o u tp u v o ltag e   ex p r ess io n s   h av b ee n   d er i v ed   b y   n eg lectin g   th v o ltag e   d r o p s   ac r o s s   in d u cto r s   an d   s witch in g   p o wer   d e v ices.  I n   th is   s ec tio n ,   o u tp u v o ltag an a ly s is   th at  tak es  in to   ac co u n th v o ltag d r o p s   ac r o s s   th in d u cto r s   an d   s witch in g   d ev ices  is   p r esen ted .   T r an s is to r   Q   an d   d io d D   i n   Fig u r 4   ( a)   wo r k   c o m p lem e n tar y .   I f   tr a n s is to r   Q   r ec eiv es  an   ON  ( OFF)  s ig n al  th en   d io d D   is   tu r n ed   OFF  ( ON) .   I n   o r d er   to   m ak it  m o r g en er al,   it  is   as s u m ed   th at  th v o ltag d r o p s   ac r o s s   th tr an s is to r   an d   d io d e   d u r in g   co n d u ctio n   a r e ;     = +                   ( 3 )     = +                   ( 4 )     wh er V Q   an d   V D   ar e   th c o n s t an co m p o n en ts ,   a n d   R Q   ar e   R D   ar th e   r esis tiv co m p o n en ts   o f   v o ltag e   d r o p s   an d   i Q   an d   i D   ar cu r r en ts   o f   tr an s is to r   an d   d io d e,   r esp ec tiv ely .   T h r esis tan ce s   o f   th in d u cto r s   L d   an d   L o   ar R d   an d   R o ,   r esp ec tiv ely .   C ap ac ito r s   an d   C o   ar ass u m ed   as  id ea ca p ac ito r s   with   n o   in d u cta n ce   n o r   r esis tan ce .   T h ca p ac ito r   eq u i v alen s er ies  r esis tan ce s   ca n   b n eg lecte d   in   th i s   an aly s is   as  th av er ag v alu o f   ca p ac ito r   c u r r e n is   ze r o   d u r in g   s tead y - s tate.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  18 ,   No .   6 Dec em b e r   2 0 2 0 :   3 2 4 7   -   3 2 5 7   3250   Fig u r 5   ( a)   s h o ws  th co n v er ter   co n d it io n   wh en   tr a n s is t o r   Q   r ec eiv es  an   ON  s ig n al.   Un d er   th is   co n d itio n ,   tr an s is to r   is   co n d u ctin g   th cu r r en ts   an d   d i o d D   is   tu r n ed   OFF.  B ase d   o n   th cir cu it  in     Fig u r 5   ( a ) ,   th f o llo win g   s tat s p ac eq u atio n   is   o b tain ed ;     [              0   0  ]             =   [             0 ( + ) + 0 + ( 0 + ) ( + ) ( 0 + ) + 0 1 0 0 0 1 0 0 0 ]             [ 0 0 ]       +                                   [           0 ( ) + ( ) 0 0 ]                              ( 5 )     wh er Δ =L d L o - M 2   an d   M   i s   th e   m u tu al  in d u ctan ce   b etwe en   i n d u cto r s   L d   an d   L o F i g u r e   5   ( b )   s h o w s   t h e   c o n v e r t e r   s t a t e   w h e n   t r a n s i s t o r   r e c e i v e s   a n   O F F   s i g n a l .   U n d e r   t h i s   c o n d i t i o n ,   t h e   t r a n s i s t o r   Q   i s   t u r n e d   O F F   a n d   c u r r e n t s   a r e   f l o w i n g   t h r o u g h   t h e   d i o d D .   B a s e d   o n   t h e   c i r c u i t   i n   F i g u r e   5   ( b ) ,   t h e   f o l l o w i n g   i s   o b t a i n e d ;     [                  0   0  ]                 =   [                 0 ( + ) + 0 + ( 0 + ) 0 + ( + ) ( 0 + ) + 1 0 0 0 0 1 0 0 0 ]                   [ 0 0 ] + [             0 ( ) + ( ) 0 0 ]               ( 6 )     T r a n s i s t o r   r ec eiv es a n   ON  s ig n al  d u r in g   ON  p er io d   an d   r ec eiv es a n   OFF s ig n al  d u r i n g   O FF   p er io d .   B y   tak in g   th av er ag o f   ( 5 )   an d   ( 6 )   o v er   o n s witch in g   p er io d   th e n   th s tate - s p ac av er ag eq u atio n   o f     th co n v er ter   ca n   b o b tain ed   [ 2 3 ] .   I f   it   is   ass u m ed   th at   L d   L 0 R d   R 0 ,   an d   M   =   0 ,   t h en   th e   f o llo win g     s tead y - s tate  eq u atio n   is   o b tain ed ;           ( a)   ( b )     Fig u r 5 .   C o n v er ter   c o n d itio n   wh en   tr an s is to r   Q   r ec eiv es a n   ( a)   ON - s ig n al  an d   ( b )   OFF - s ig n al       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A   mo d ified   C u DC - DC   co n ve r ter fo r   d micro g r id   s ys tems   ( A n d r ia z is   Da h o n o )   3251   0 = [             [ + + ( 1 ) ] [ + ( 1 ) ] ( 1 ) 0 [ + ( 1 ) ] [ + + ( 1 ) ] 1 0 0 0 1 0 0 0 ]             [ ̄ ̄ 0 ̄ ̄ 0 ] + [           [ ( 1 ) ] [ + ( 1 ) ] 0 0 ]             ( 7 )       Ba se d   o n   ( 7 )   we  ca n   o b tain   th e   f o llo win g ;     ̄ = 1                   ( 8 )     ̄ =                     ( 9 )     ̄ = 1 + ( 1 ) 1 ( 1 2 + 2 2 ) + + ( 1 ) ( 1 ) 2         ( 1 0 )     Th e   lo ad   v o ltag is ;     ̄ = + ̄ = ( 1 ) 1 ( 1 2 + 2 2 ) + + ( 1 ) ( 1 ) 2       ( 1 1 )     In   ( 1 0 )   is   th o u tp u v o ltag e x p r ess io n   o f   co n v en tio n al   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter   an d   ( 1 1 )   is   th m o d if ied   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er te r .   Fo r   th s am o u tp u v o ltag e,   two   tim es  o f   th in p u v o ltag f o r   e x am p le ,     th co n v e n tio n al  C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter   n ee d s   d u t y   cy cle  o f   2 /3   a n d   th m o d if ie d   C u k   p o wer   c o n v e r ter   n ee d s   d u ty   c y cle  o f   h alf .   B y   u s in g   th s am m eth o d ,   th o u tp u v o ltag ex p r ess io n   o f   co n v en tio n al  b o o s t     DC - DC   p o wer   co n v er ter   with   th s ch em as sh o wn   in   Fig u r 6   ca n   b o b tain e d   as ;     ̄ = ( 1 ) 1 + + ( 1 ) ( 1 ) 2             ( 1 2 )     Fig u r 7   s h o ws  th p lo ts   o f   v o ltag d r o p   ac r o s s   th in d u cto r   r esis tan ce   o f   c o n v e n tio n al  b o o s an d   p r o p o s ed   DC - DC   p o wer   co n v er ter s ,   as  f u n ctio n   o f   d u ty   c y cle.   T h is   f ig u r e   r e p r esen ts   th co n d u ctio n   lo s s es   wh en   th v o ltag d r o p s   ac r o s s   th s witch in g   d ev ices  ar e   n eg lecte d .   T h o u g h   th n u m b er   o f   in d u ct o r   is     d o u b le,   th in d u cto r   lo s s es  ar lo wer   co m p ar ed   t o   th co n v en tio n al  b o o s DC - DC   co n v er ter .   I ca n   b s ee n     th at   th v o ltag d r o p   i n   th e   p r o p o s ed   s tep - up  DC - DC   co n v er ter   is   lo wer   th a n   th c o n v en tio n al  b o o s   DC - DC   co n v er ter .   I f   th e   s witch in g   lo s s es c an   b n e g lecte d ,   t h co n d u ctio n   l o s s es c an   b ca lcu lated   as ;      = ̄                 ( 1 3 )     T h in p u t c u r r e n t is     = ̄ +                   ( 1 4 )     Su b s titu tin g   ( 8 )   in t o   ( 1 4 )   th f o llo win g   is   o b tain ed     = 1                     ( 1 5 )     B ased   o n   ( 1 0 - 1 3 )   an d   ( 1 5 ) ,   th e   lo s s es o f   co n v er ter   is      = + ( 1 ) 1 + ( 1 2 + 2 2 ) + + ( 1 ) ( 1 ) 2 2         ( 1 6 )     f o r   co n v en tio n al  an d   m o d if ie d   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er te r ,   an d      = + ( 1 ) 1 + + + ( 1 ) ( 1 ) 2 2             ( 1 7 )     f o r   co n v en tio n al  b o o s DC - DC   p o wer   co n v e r ter .     As  it  h as  b ee n   m en tio n e d   b e f o r e,   f o r   th s am e   o u t p u v o l tag es,  t h d u ty   c y cle  o f   m o d if ied   C u k     DC - DC   p o wer   co n v er ter   is   lo wer   th an   th co n v en tio n al  o n e .   T h u s ,   th lo s s es  in   m o d if ied   C u k   DC - D C   p o wer   co n v er ter   is   lo wer   th an   th c o n v en tio n al  o n es.  In   ( 1 6 1 7 )   s h o th at  f o r   th s am o u tp u v o ltag es,  th p o wer   lo s s   in   m o d if ied   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter   is   lo wer   th an   th co n v en tio n al   b o o s DC - DC   p o wer   co n v er ter .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  18 ,   No .   6 Dec em b e r   2 0 2 0 :   3 2 4 7   -   3 2 5 7   3252   T h r ea s o n   wh y   th in d u cto r   lo s s es  in   m o d if ied   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter   ar lo wer   th a n   th in d u cto r   lo s s es  in   co n v e n tio n al  b o o s DC - DC   p o wer   co n v er ter   ca n   b e x p lai n ed   as f o llo ws:     All so u r ce   cu r r e n t is f lo win g   t h r o u g h   th i n d u cto r   o f   b o o s DC - DC   co n v er ter .     C u r r en ts   th r o u g h   i n d u cto r s   L d   an d   L o   o f   m o d if ied   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter   ar lo wer   th an   th in d u cto r   cu r r en t in   co n v en tio n al  b o o s DC - DC   p o wer   co n v er ter .       L oad d E d L Q D o C d i L v L I     Fig u r 6 .   C o n v en tio n al  b o o s DC - DC   p o wer   co n v er ter       0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 Ch a r t   T i t l e S er i es1 S er i es2 ) (   cyc le Dut y   ( ) 2 1 1   Bo os = ( ) 2 2 1 2 2 - 1     Pr op os e d + = L d I R dro p   vol tage     Fig u r 7 .   Vo ltag e   d r o p   co m p a r is o n       4.   CURR E NT   R I P P L E   ANA L YSI S   I n   th f o llo win g   an aly s is ,   it  is   ass u m ed   th at  th in d u cto r   c u r r en ts   ar c o n tin u o u s .   Mo r e o v er ,   it  is   ass u m ed   th at  th e   v o ltag ac r o s s   th ca p ac ito r   C   is   n o t   ch a n g in g   s o   m u c h   i n   o n s witch in g   p e r io d .   B ased   o n   Fig u r 4   ( a ) ,   th f o llo win g   ca n   b o b tain e d ;     [ ] [   ] = [ ]               ( 18)     wh er v Q   an d   v D   ar v o ltag es  ac r o s s   tr an s is to r   Q   d an   d io d D ,   r esp ec tiv ely ,   a n d   M   is   th m u tu al  in d u ctan ce   b etwe en   L d   an d   L o .   T h cu r r en ts   an d   v o ltag es  ca n   b d iv id ed   in to   th av e r ag an d   r ip p le  co m p o n en ts   as    th f o llo win g s :     d d d i I i ~ + =                   ( 19 )     o o o i I i ~ + =                   ( 20 )     Q Q Q v V v ~ + =                   ( 21 )     D D D v V v ~ + =                   ( 22 )     o o o v V v ~ + =                   ( 23 )     wh er b ar   an d   tild in d icate   a v er ag an d   r ip p le  co m p o n e n ts ,   r esp ec tiv ely .   I f   ( 19 - 23 ar s u b s titu ted   in to   ( 18 th en   th cu r r en t r i p p le  co m p o n en ts   ca n   b o b tain ed     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A   mo d ified   C u DC - DC   co n ve r ter fo r   d micro g r id   s ys tems   ( A n d r ia z is   Da h o n o )   3253   [ ] [ ̃  ̃  ] = [ ̃ ̃ ̃ ]               ( 24 )     B ased   o n   ( 2 4 )   th f o llo win g s   ar o b tain ed :     ̃ = ( ̃ )  ( ̃ ̃ )  + 1             ( 25 )     ̃ = ( ̃ ̃ )  ( ̃ )  + 2             ( 26 )     wh er C 1   an d   C 2   co n s tan ts   o f   i n teg r atio n .   I f   it is   as s u m ed   th at  th r ip p le  co m p o n en t o f   s witch   v o ltag is   m u ch   h ig h er   th a n   th ca p ac ito r   v o ltag r ip p le,       o D v v ~ ~                    ( 27 )     T h en   ( 25 )   a n d   ( 26 ca n   b a p p r o x im ated   as ;     ̃ = ( ̃ )  ̃  + 1               ( 28 )     ̃ = ̃ 2  ( ̃ 1 )  + 2             ( 29 )     B ased   o n   ( 21 - 22 ) ,   th r ip p le  v o ltag es o f   tr an s is to r   ar e ;     ̃ 1 = 1 1                   ( 30 )     ̃ =                   ( 31 )     wh er e ,     =                     ( 32     = = 1                   ( 33 )     wh en   tr an s is to r   Q   r ec eiv es a n   ON  s ig n al ;     = 0                     ( 34 )     = ̄ = 1                   ( 35 )     T hus ,   th cu r r en t r i p p le  ex p r ess io n s   wh en   tr an s is to r   Q   r ec eiv es a n   ON  s ig n al  ar e ,     ̃ =  + 1                 ( 36 )     ̃ =  + 2                 ( 37 )     W h en   tr an s is to r   Q   r ec eiv es a n   OFF s ig n al,   th tr an s is to r   v o ltag es a r e ,       = ̄ = 1                   ( 38 )     = 0                     ( 39 )     th u s ,   th cu r r en t r ip p le  ex p r ess io n s   wh en   tr an s is to r   Q   r ec eiv es a n   OFF s ig n al  ar e ,     ̃ = 1  + 3                 ( 40 )     ̃ = 1  + 4                 ( 41 )     wh er C 3   an d   C 4   a r co n s tan ts   o f   in teg r atio n .   T h ese  co n s tan t s   ca n   b d eter m i n ed   b ased   o n   t h f ac ts   th at:    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  18 ,   No .   6 Dec em b e r   2 0 2 0 :   3 2 4 7   -   3 2 5 7   3254     Av er ag v alu e   o f   c u r r e n t r ip p l o v er   o n s witch in g   p er io d   is   ze r o     I n itial  v alu e   o f   cu r r e n r i p p le  d u r in g   ON  p e r io d   is   th f in al  v alu o f   th e   cu r r en r ip p le  d u r in g   OFF  p er io d .   Similar ly ,   th in itial  v alu o f   cu r r en t   r ip p le   d u r in g   OFF  p er io d   is   th e   f in al  v alu o f   c u r r e n r ip p le   d u r in g     ON  p er io d .     B ased   o n   th ab o v an aly s is ,   t h cu r r e n t r ip p le  e x p r ess io n   in   o n s witch in g   p e r io d   ca n   b wr itten   as ;     ̃ = ( ) {  2 + ( ) f o r 2 1 2 1 ( 2 ) f o r 2 4           ( 42 )     ̃ = ( ) {  2 + ( ) f o r 2 1  2 1 ( 2 ) f o r 2 4         ( 43 )     Fig u r 8   s h o ws  th cu r r en r ip p les  o v er   o n s witch in g   p er i o d .   T h r m s   v alu es  o f   cu r r en r ip p le  ca n   b e   d eter m in ed   as ;     ̃ = [ 1 ̃ 2  + ] 1 / 2                 ( 44 )     ̃ = [ 1 ̃ 2  + ] 1 / 2                 ( 45 )     B ased   o n   ( 4 4 ,   4 5 )   th f o llo win g s   ar o b tain e d ;     ̃ = 2 3                   ( 46 )     ̃ = 2 3                   ( 4 7     In   ( 4 6 ,   4 7 )   s h o th at  th m u t u al  in d u ctan ce   b etwe en   th t wo   in d u cto r s   ca n   b u s ed   to   r ed u ce   th in d u ct o r   cu r r en r i p p les.   B ased   o n   th c ir cu it in   Fig u r 4 ,   we  ca n   o b ta in   th ca p ac ito r   cu r r e n t a s ;     = { f o r +  f o r +  +             ( 4 8 )       t t o t 1 t 2 t 3 t 4 t s T 0 0 d i ~ C i     Fig u r 8 C o n v er ter   c u r r en r ip p les o v er   o n ca r r ier   p e r io d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l         A   mo d ified   C u DC - DC   co n ve r ter fo r   d micro g r id   s ys tems   ( A n d r ia z is   Da h o n o )   3255   Fig u r 8   s h o ws  th e   ca p ac ito r   c u r r en t   wav ef o r m .   B y   n e g lectin g   th e   r ip p le  co m p o n en ts   o f   i o   a n d   i d ,   th e   r m s   v alu e   o f   ca p ac ito r   cu r r e n t is ;     = ( 1 ) 1 / 2                   ( 4 9 )     I n   th p r o p o s ed   c o n v e r ter ,   th e r ef o r e,   ca p ac ito r   with   la r g cu r r e n r ip p le   r atin g   is   r eq u i r ed .   I t   ca n   b s ee n   th at  th ca p ac ito r   c u r r e n t r ip p l ca n n o b r ed u ce d   b y   in cr ea s in g   th s witch in g   f r e q u en c y .       5.   CO M P ARA T I V E   E VALU A T I O N   I n   o r d er   to   k n o th ad v an tag es  an d   d is ad v an tag es  o f   th p r o p o s ed   DC - DC   co n v er ter ,     th p er f o r m a n ce   o f   th e   p r o p o s ed   co n v er ter   is   co m p ar ed   to   th co n v en tio n al  b o o s DC - DC   p o wer   c o n v e r ter .   T h co m p ar is o n   is   s u m m a r ized   in   T a b le  1 .   I n   th is   co m p a r is o n ,   th two   i n d u cto r s   o f   m o d if ied   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter   a r ass u m ed   eq u al  with   n o   m u tu al  c o u p lin g .     C o m p a r e d   t o   t h e   c o n v e n t i o n a b o o s t   DC - D C   p o w e r   c o n v e r te r ,   t h e   p r o p o s e d   c o n v e r t e r   h a s   t h e   l o w e s c o n d u c t i o n   l o s s es   a n d   l o w es t   o u t p u t   c a p a c i t o r   c u r r e n t   r i p p l e .   T h e   r e a s o n   w h y   t h e   i n d u c t o r   l o s s es   o f   m o f i d i e d   C u k   DC - DC   p o we r   c o n v e r t e r   a r l o w e r   t h a n   t h e   c o n v e n t i o n a b o o s t   DC - DC   p o w e r   c o n v e r t er   c a n   b e   s e e n   f r o m     t h e   i n d u c t o r   c u r r e n t   e x p r e s s i o n s   i n   T a b l e   1 .   T h e   i n d u c t o r   c u r r e n t s   o f   m o d i f i e d   C u k   DC - DC   p o w e r   c o n v e r t e r   a r e   lo w e r   t h a n   t h e   i n d u c t o r   c u r r e n t   i n   c o n v e n t i o n a l   b o o s t   DC - DC   c o n v e r t e r .   T h u s ,   t h e   e f f i c ien c y   o f   t h e   p r o p o s e d   c o n v e r t e r   i s   t h e   h i g h e s t   as   t h e   s w i t c h i n g   l o s s e s   a r e   a l m o s t   t h e   s a m e .   T h e   d is a d v a n t a g o f   t h e   p r o p o s e d   c o n v e r t e r   i s   t h e   n e e d   o f   a   c a p a c i t o r   w i t h   a   h i g h   c u r r e n t   r i p p l e   r a t i n g .   T h e   u s e   o f   f i l m   c a p a c i t o r   i s   p r e f e r r ed   i n   t h i s   a p p l i c a t i o n .   T h e   t w o   i n d u c t o r s   c a n   b e   i n t e g r a t e d   i n   o n e   c o r e   s o   t h a t   t h e   v o l u m e   c a n   b e   m i n i m i z e d .   I t   s h o u l d   b e   n o t e d   t h a t     t h e   p r o p o s e d   DC - DC   p o w e r   c o n v e r t e r   i s   a   f o u r t h - o r d e r   c o n v e r t e r   a n d ,   t h e r e f o r e ,   t h e   c o n t r o l   i s   m o r e   d i f f i c u l t   t h a n   t h e   c o n v e n t i o n a l   b o o s DC - D C   p o w e r   c o n v e r t e r .   V a r i o u s   c o n t r o l   m et h o d s   f o r   h i g h - o r d e r   DC - DC   p o w e r   c o n v e r t e r s   w e r e   r e p o r t e d   i n   [ 2 4 - 2 8 ] .       T ab le  1 .   Per f o r m an ce   co m p a r is o n     M o d i f i e d   C u k   C o n v e n t i o n a l   B o o st   C i r c u i t   o L d E d L L oa d C Q D o C c i o i d i L I L v   L oad d E d L Q D o C d i L v L I   P a ssi v e   c o mp o n e n t s   Tw o   i n d u c t o r a n d   t w o   c a p a c i t o r s   O n e   i n d u c t o r   a n d   o n e   c a p a c i t o r   A c t i v e   c o mp o n e n t s   O n e   t r a n si s t o r ,   o n e   d i o d e   O n e   t r a n si s t o r ,   o n e   d i o d e   O u t p u t   v o l t a g e   ̄ = ( 1 ) 1               ( 1 2 + 2 2 ) + + ( 1 ) ( 1 ) 2   ̄ = ( 1 ) 1               + + ( 1 ) ( 1 ) 2   S o u r c e   c u r r e n t   r i p p l e   ̃ = 1 2 3   ̃ = 1 2 3   O u t p u t   c a p a c i t o r   c u r r e n t   r i p p l e   ̃ = 1 2 3   ̃ = ( 1 ) 1 / 2   Tr a n sf e r   c a p a c i t o r   c u r r e n t   = ( 1 ) 1 / 2   NA   A v e r a g e   i n p u t   i n d u c t o r   c u r r e n t   = 1   = 1   A v e r a g e   o u t p u t   i n d u c t o r   c u r r e n t   =   NA       6.   E XP E R I M E N T A L   RE SUL T S   s m all  ex p er im en tal  s y s tem   as  th o n s h o wn   in   Fig u r 4   ( b )   was  co n s tr u cted .   I n   th is   ex p er im en t,   two   p o wer   MO SF E T s   wer u s ed   as  s witch in g   d ev ices.  Un co u p led   two   eq u al  in d u cto r s   o f   2 . 2   m wer u s ed   as  L d   an d   L o .   T h s witch in g   f r eq u en cy   ca n   b v a r ied   f r o m   1   k Hz  u p   to   2 0   k Hz.   T h ca p ac it an ce   C   is   2 2 0   u an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    I SS N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L KOM NI KA   T elec o m m u n   C o m p u t E l Co n tr o l Vo l.  18 ,   No .   6 Dec em b e r   2 0 2 0 :   3 2 4 7   -   3 2 5 7   3256   th ca p ac itan ce   C o   is   3 3 0   u F.  T h DC   s o u r ce   is   o b tain ed   f r o m   DC   p o wer   s u p p ly   th at  is   m ain tain ed   co n s tan at  3 6   Vd c.   T h lo ad   is   co n s tan t r esis tan ce   o f   1 0 0   Oh m .     Fig u r 9   s h o ws  th o u tp u v o ltag as  th f u n ctio n   o f   d u ty   c y cle.   I d ea cu r v is   th ca lcu l ated   r esu lts   wh en   th v o ltag d r o p s   ac r o s s   th s witch in g   d ev ices  an d   in d u cto r s   ar n e g lecte d .   T h n o n id ea l   cu r v is   ca lcu lated   r esu lts   wh en   th v o ltag d r o p s   ar tak en   in to   ac co u n as  g iv en   b y   ( 9 ) .   Me asu r em e n ts   wer co n d u cted   u n d er   two   s witch in g   f r eq u en ci es.  Me asu r em en t r esu lts   ar in d icate d   b y   s m all  s q u ar an d   ci r cle.   I t c an   b s ee n   th at  th d er iv e d   ex p r ess io n   is   ac cu r ate  in   p r ed ictin g   th e   o u tp u t v o ltag e.     Fig u r 1 0   s h o ws  th ex p er im en t al  an d   ca lcu lated   r esu lts   o f   cu r r e n r ip p le  th r o u g h   in d u cto r   L o   o f   m o d if ied   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter .   Ver y   g o o d   ag r ee m en b etwe en   ca lcu lated   an d   ex p er im en tal  r esu lts   ca n   b ap p r ec iated .   Similar   r esu lt s   ar o b tain ed   f o r   cu r r en r ip p le  th r o u g h   in d u cto r   L d Simi lar   to   o th er   DC - D C   p o wer   co n v er ter s ,   th e   cu r r e n r ip p le  ca n   b r ed u ce d   f u r th er   b y   m u ltip h asin g   tech n iq u e.   Fig u r 1 1   s h o ws  th ef f icien cy   o f   m o d if ied   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter   wh e n   th d u ty   cy cle  is   ch an g ed .   T h e   lo ad   r esis tan ce   d u r in g   th is   ex p er im en t   wa s   co n s tan t.  As  it  is   p r ed icte d ,   th e   ef f icien cy   is   h ig h er   wh en   th d u ty   cy cle  is   s m all.   T h ef f icien cy   ca n   b e   in cr ea s ed   b y   r ed u cin g   th e   r esis tan ce s   o f   th i n d u cto r s .     I t sh o u ld   b e   n o te d   th at  th is   ef f i cien cy   is   h ig h er   th an   th e   co n v en tio n al  b o o s DC - DC   p o wer   co n v er ter .             Fig u r 9 .   Ou t p u t v o ltag as a   f u n ctio n   o f   d u ty   cy cle  o f   m o d if ied   C u k   DC - DC   p o wer   co n v e r ter     Fig u r 1 0 .   I n d u cto r   c u r r e n t r ip p le  o f   m o d if ied   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter           Fig u r 1 1 .   E f f icien c y   o f   m o d if ied   C u k   DC - DC   p o wer   co n v e r ter       7.   CO NCLU SI O N   An   ef f icien s tep - u p   DC - DC   p o wer   co n v er te r   b ased   o n   t h m o d if icatio n   o f   C u k   DC - DC   p o wer   co n v er ter   th at  is   s u itab le  f o r   DC   m icr o g r id   s y s tem s   h as b ee n   p r o p o s ed .   T h e   co n d u ctio n   lo s s es o f   th p r o p o s ed   co n v er ter   ar l o wer   th a n   th co n v en tio n al  b o o s DC - DC   p o wer   co n v er ter .   An aly s is   o f   o u tp u v o ltag a n d   in d u cto r   cu r r en r ip p le  th at  u s ef u in   co n v er ter   d esig n   i s   p r esen ted .   E x p er im e n tal  r e s u lts   h av v er if ied     th an aly s is   g iv en   in   th is   p ap e r .   Pra ctica in d u s tr ial  p r o to ty p o f   th p r o p o s ed   co n v er ter   is   in   p r o g r ess   an d   will  b r ep o r ted   in   t h f u tu r o cc as io n .       ACK NO WL E DG E M E NT S   T h au th o r s   wis h   to   th an k   PT.   L E ( Per s er o )   an d   L PDP   f o r   p r o v id i n g   r esear ch   f u n d s   o f   th is   wo r k .   T h is   p ap er   is   d ed icate d   to   th an n iv er s ar y   o f   1 0 0 - y ea r   e n g in ee r in g   ed u ca tio n   in   I n d o n esia.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.