I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee r ing   ( I J E CE )   Vo l.   9 ,   No .   2 ,  A p r il   201 9 ,   p p .   7 8 9 ~8 0 1   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v9 i 2 . pp 789 - 8 0 1          789       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e . co m/ jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JE C E   I m pro v ed  po w er quality  buc k   bo o st conv erte r f o r   S M PS       J .   J a y a cha nd ra n,  S.  M a la t hi   De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  a n d   El e c tro n ics   E n g in e e rin g ,   S A S T R A   De e m e d   Un iv e rsit y ,   T h a n jav u r  6 1 3 4 0 2 ,  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   1 0 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   J u n   2 2 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   J u l 1 1 ,   2 0 1 8       In   th is  p a p e r,   a   Ne u ra l  Ne t w o r k   (NN )   c o n tro ll e d   Bu c k - Bo o st  Co n v e rter  (BBC)  b a se d   S w it c h e d   M o d e   P o w e r   S u p p ly   (S M P S )  f o r  a   P C  a p p li c a ti o n   is   p ro p o se d .   T h e   p r o p o se d   BBC  i s  a n a l y z e d ,   m o d e led   a n d   d e sig n e d   f o r  th e   ra ted   lo a d .   G e n e ra ll y ,   th e   u ti l iza ti o n   o f   M u lt ip le  O u tp u t  S M P S   ( M OSM P S )   f o r  P C  a p p li c a ti o n   in tro d u c e s P o w e r  Qu a li ty   (P Q)  issu e s  in   th e   p o w e r  s y ste m   n e tw o rk .   Un li k e   c o n v e n ti o n a l  S M P S   t h e   p r o p o se d   NN   c o n tr o ll e d   BBC  c a n   a c c o m p li sh   im p ro v e m e n t  o f   p o w e r  q u a li ty .   T h e   NN   c o n tro l ler  re d u c e s  th e   T o tal  Ha r m o n ic  Disto rti o n   (T H D)  o f  so u rc e   c u rre n t  b e lo w   5 % ,   m a in tain s  in p u t  sid e   P o w e r  F a c to r  (P F )  t o   b e   n e a rl y   u n it y   a n d   im p ro v e s  t h e   o u t p u t   v o lt a g e   re g u l a ti o n .   In   t h e   p r o p o se d   sy ste m ,   NN   c o n tro ll e r  re p lac e s  th e   c o n v e n ti o n a l  P I  c o n tro ll e r  a n d   o v e rc o m e s  th e   d ra w b a c k s   o f   th e   c o n v e n ti o n a l  s y ste m .   T h e   p ro p o se d   BBC  is  v a li d a ted   a d o p ti n g   M A T LAB/S IM UL INK   so f t w a re .   T h e   si m u latio n   a n a ly sis  v a li d a te  th a t  th e   p r o p o se d   NN   c o n tro ll e d   BBC  p e rf o r m s   b e tt e r  th a n   c o n v e n ti o n a l  c o n v e rter  in   ter m s   o f  P Q  in d ice s  u n d e r  f lu c t u a ti n g   c o n d it i o n s .   K ey w o r d s :   B u ck - b o o s t c o n v er ter     Neu r al  n et w o r k     P o w er   f ac to r     T o tal  h ar m o n ic  d i s to r tio n   Co p y rig h t  ©   2 0 1 9   In stit u te o f  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 l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   J .   J ay ac h a n d r an ,     Dep ar te m en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g i n ee r in g ,   S A ST R A   Dee m ed   U n i v er s it y ,   T h ir u m alai s a m u d r a m ,   T h an j av u r ,   T am il Na d u   6 1 3 4 0 1 ,   I n d ia.   E m ail:  j j _ ch an d r u @ ee e. s a s tr a. ed u       1.   I NT RO D UCT I O N     A t  p r ese n t  E lectr o n ic  g ad g ets   lik e  P er s o n al  C o m p u ter   ( P C ) ,   L ap to p ,   m o b ile,   etc. ,   p la y   a  m aj o r   r o le   in   h u m a n   li f e.   B u t  t h ese  g ad g ets  i n tr o d u ce   h ar m o n ics  i n   t h e   d is tr ib u tio n   s y s te m   w h ich   p o l lu tes   an d   d e g r ad es   th e  P Q  o f   th e  elec tr ic  s u p p l y   s y s te m .   SMP S  s u p p li es  m u ltip l e  DC   o u tp u t  v o lta g es  to   v ar io u s   ac ce s s o r ies  li k e  m o u s e,   k e y b o ar d ,   to u ch   p ad   etc. ,   in   P C   ap p licatio n .   T h ese  SMP S  d r a w   h i g h l y   d i s to r ted   s in u s o id al  c u r r en t   f r o m   i n p u t  ac   m ai n s   a n d   th er eb y   i n cr ea s e  th e  T HD  o f   s o u r ce   cu r r en t,  r ed u ce   th e  P F  at  th e  s o u r ce   s id e  an d   d ec r ea s e  th e  o v er all   p er f o r m a n ce   o f   th e   s y s te m .   B ased   o n   t h e  liter at u r e  s u r v e y ,   t h e  co n v en tio n al   SMP S  h as   T HD  o f   th e  s o u r ce   cu r r en t  ab o u t  8 1 . 2 %  an d   P F  ar o u n d   0 . 4   [ 1 ] .   T h u s   th e  co n v en tio n al  S MP S  v io lates  th e  I E C   an d   I E E E - 5 1 9   s tan d ar d s   o f   P Q  [ 2 ] .   Sin g le  s ta g e  SMP S   is   p r ef er r ed   in   m a n y   P C   a p p licatio n s   f o r   P Q   i m p r o v e m en t  a n d   p o w er   co n v er s io n .   B u t  it  s u f f er s   f r o m   m aj o r   d r aw b ac k s   li k e  in cr ea s ed   s tr ess   ac r o s s   t h e   s w itc h   an d   d eg r ad atio n   o f   o u tp u t  v o ltag e.   T o   i m p r o v e  th e  p er f o r m a n ce   o f   t h e  s i n g le  s ta g e  S MP S,     P FC   co n v er ter s   ar e  i m p le m e n ted   in   th e  f r o n t   s ta g e  w h ic h   i m p r o v e  th e   P F  an d   P Q.   T h e  b u ck   an d   b o o s t   co n v er ter s   ar e  n o t  p r ef er r ed   f o r   P C   ap p licatio n   w h er e  t h e  i n p u t  ac   m ai n   v o ltag e   v ar ie s   f r o m   1 7 0   V  to   2 7 0 V.   Fo r   an   ac   v o ltag e  o f   2 3 0   V,   th e  o u tp u t  o f   th e   u n co n tr o lled   b r id g e  r ec tif ier   is   ab o u t  3 2 0   V  an d   th u s   t h e  b o o s t   an d   b u ck   co n v er ter   ca n n o t  co n tr o l  th e  o u tp u t  v o ltag e   b elo w   3 5 0 V.   T o   o v er co m e  th e   ab o v e  d ef icie n c y ,     B B C   is   p r ef er r ed   f o r   P C   ap p l icatio n   w h ich   ca n   o p er ate  w it h   a  n o m i n al  ac   v o ltag e  o f   2 2 0 V  an d   i m p r o v e  t h e   P Q  w it h   a  Dio d e  B r id g e  R ec tif ier   ( DB R )   at  f r o n t e n d   [ 3 ] ,   [ 4 ] .   T h e  P o w er   Facto r   C o r r ec tio n   ( P FC )   co n v er ter s   ar e  o p er ated   in   t w o   d i f f er e n t  m o d es  o f   o p e r atio n   i.e . ,   a )   Dis co n ti n u o u s   co n d u ctio n   m o d e  ( DC M)   an d   b )   C o n ti n u o u s   C o n d u c tio n   Mo d e  ( C C M) .   T h e  DC M  o f   o p er atio n   is   p r ef er r ed   in   P FC   co n v er ter s   s i n ce   it  r ed u ce s   t h e  s ize  o f   t h e  in d u cto r .   T h e  B B C   w it h   d if f er en t   co n f i g u r atio n s   a n d   t w o   s w itc h es  is   p r o p o s ed   b y   ch en   et  a l   [ 4 ] .   A .   A b r a m o v i tz  et  a l   [ 5 ]   d esig n ed   a  B B   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 1 9   :   7 8 9   -   8 0 1   790   co n v er ter   co n f i g u r atio n   w h ic h   m iti g ate s   th e  s u d d en   i n r u s h   c u r r en t s ,   p r o tects  ag ai n s t   s h o r t  cir c u it  a n d   i m p r o v es   P Q  f o r   a   w id e  v ar iat io n   o f   ac   m ai n   v o lta g es.  I n   [ 6 ] ,   v ar io u s   b r id g ele s s   B B   co n v e r t er   to p o lo g ies  ar e   an al y ze d   a n d   in   [ 7 ]   h ig h er   o r d er   lo w   p o w er   B B   co n v er ter   is   an al y ze d   f o r   co n ti n u o u s   cu r r en t  b u t  t h e  n u m b er   o f   co m p o n e n t  r eq u ir ed   is   h i g h   i n   b o th   a n al y s is   w h e n   co m p ar ed   to   co n v en tio n a l  o n e.   H en ce   t h e  s elec t io n   o f   co n v er ter   is   a  tr ad e - o f f   b et w ee n   t h e  s o u r ce   cu r r e n t  w a v ef o r m   an d   n u m b er   o f   co m p o n en ts .   I n   SMP S  ap p licatio n ,   to   h av e  m in i m u m   s w i tc h i n g   s tr ess ,   i m p r o v ed   u tili za tio n   o f   co r e  an d   less er   v o ltag e  r ip p le  at  th e  o u tp u t  a  h al f   b r id g e  Vo ltag e  So u r ce   I n v er ter   ( VSI )   is   p r ef er r ed   [ 8 ] - [ 1 2 ] .   T h is   p ap er   d e als  w it h   NN  b ased   SMP S  h a v in g   a n   ac - d c  co n v e r ter   at  th e  f r o n t  e n d   to   i m p r o v e  th e  P Q  i n   ter m s   o f   T HD  an d   P F  an d   w i th   tig h t   v o ltag e  r e g u la tio n   at  t h e  o u tp u t f o r   w id e  v ar iatio n   o f   s o u r ce   an d   lo ad   co n d itio n s .         2.   P RO P O SE D  NN  CO N T RO L L E D  CO NV E R T E R  F O R  SM P S   2 . 1 .     Desig n o f   bu ck   bo o s t   co nv er t er   Fig u r e  1   s h o w s   t h e  SMP S  with   P FC   b u c k - b o o s t  co n v er te r   at  th e  f r o n t   en d   a n d   an   is o lated   Half   B r id g e  ( HB )   co n v er ter   f o r   m u ltip le  is o lated   o u tp u t  v o l tag es.  T h e  i n p u t  AC   s u p p l y   is   r ec tif ied   i n to   u n co n tr o lled   DC   v o lta g e  w it h   th e  h elp   o f   DB R .   T h e  o u tp u t  o f   DB R   is   f e d   to   th e  L C   f il ter   an d   th e n   to     b u ck - b o o s t  co n v er ter   to   o b ta in   co n tr o lled   D C   v o lta g e.   T h e  co n tr o lled   DC   v o lta g e  is   ap p lied   to   HB VSI .     T h e  ca p ac ito r s   at  th e  f r o n t  en d   o f   th e  HB VSI   p er f o r m   th e  f u n ct io n   o f   f ilter   a n d   h elp   to   av o id   th e  n ee d   f o r   an   ad d itio n al  c ap ac ito r   in   th e  P FC   co n v er ter .             Fig u r e  1 .   C ir cu it c o n f i g u r atio n   o f   t w o - s ta g e  MO SMP S e m p l o y i n g   b u c k - b o o s t P FC   co n v er t er       T h e  an al y s is   o f   th e   p r o p o s ed   co n v er ter   i s   ca r r ied   o u t  to   m o d el  th e  co n v er ter   a n d   to   d et er m in e   t h e   r atin g   o f   d if f er en t  co m p o n e n t s   b y   d er iv in g   th e  d esi g n   E q u atio n s   [ 1 3 ] .   T h e  in p u t  s id e  P F  co r r ec tio n   ca n   b e   attain ed   b y   p r o p er   s elec tio n   o f   th e  in d u cto r   an d   o p er atin g   it  u n d er   DC M  [ 1 3 ] .     a)   Selectio n   o f   i n d u c to r   T h e  r ip p le  c o n ten t o f   i n d u cto r   cu r r en t is a s s u m ed   to   b e  t w o   tim es o f   th e  i n p u t  c u r r en t.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       I mp r o ve d   p o w er q u a lity b u ck   b o o s t c o n ve r ter fo r   S MPS   ( J.   Ja ya ch a n d r a n )   791                                          ( 1 )   T h e  v alu e  o f   t h e  in d u cto r   d u r in g   t h e  ON  s tate  o f   t h e  s w itc h   S 1   ca n   b e  ca lcu lated   as :                                             ( 2 )     w h er e,   Δ i Li   =  i n d u cto r   cu r r en t  r ip p le,   V d   =  u n r eg u lated   D C   o u tp u t  v o lta g e  o f   DB R ,   D   =  d u t y   c y cle  an d     T s   = s w i tch i n g   ti m e .   Su b s tit u ti n g   ( 2 )   in   ( 1 ) ,   th e  L i m i n   is   ca lc u l ated   as :                                                       ( 3 )     T o   o p er ate  th e  in d u cto r   u n d er   DC M  f o r   all  v ar y i n g   s o u r ce   an d   lo ad   co n d itio n s ,   t h e  v alu e  o f   i n d u c to r   is   ch o s en   less   th a n   0 . 1 *             .   C o n s id er in g   t h e  s w itc h in g   ti m e  a s   5 0   µs,  I d   as  0 . 8 8   A ,   d u t y   c y cle  a s   0 . 3   an d   th e  DB R   av er a g e  o u tp u t  v o lta g e  as  1 9 8   V,   th e  i n d u cto r   v al u e   i s   ca lc u lated   as  1 . 6 8 7   m H  u s in g   E q u at io n   ( 3 ) .     T h e  in d u cto r   v alu e  i s   s elec ted   as 1 6 0   µH .     b)   Selectio n   o f   r ip p le  f i lter   T h e  h i g h er   o r d er   h ar m o n ic s   p r esen t  in   t h e  i n p u t   cu r r e n t  ar e   f i lter ed   o u t   u s in g   a  s ec o n d   o r d er   lo w - p ass   f ilter   th a t  h elp s   i n   th e  r ed u ctio n   o f   t h e  T HD  o f   th e  s u p p l y   cu r r en t.  T h e  ca p ac itan ce   v a lu e  f o r   r ip p le  f ilter             is   ca lcu la ted   u s i n g   E q u atio n   ( 4 )   an d   is   s elec ted   as 2 0 0   n F.                                                           ( 4 )     w h er e,   V m   =  m ax i m u m   v alu e   o f   th e  s u p p l y   v o lta g e  =  3 1 1   V,   I m   =  m a x i m u m   v al u e  o f   i n p u t  cu r r en t  =  √         0 . 8 8   A   an d   f   =  s u p p l y   f r eq u en c y   =  5 0   Hz.   T h e  T HD  o f   th e  i n p u t  s u p p l y   c u r r en t c a n   b e  ef f ec tiv el y   r ed u ce d   b y   p r o p er   s elec tio n   o f   f ilter   in d u c to r   v alu e.   T h e  L r   v a lu e  i s   d esi g n ed   u s i n g   t h e  E q u atio n   ( 5 ) .                                                 ( 5 )     C o n s id er in g   t h e  c u t - of f   f r eq u e n c y   f c   as 5   k Hz,   t h e  i n d u cto r   v alu e  is   ca lc u lated   as 5 . 0 7   m H.     2 . 2 .     Desig n o f   ha l f   bridg e  c o nv er t er   ( H B C)   T h e  r eg u lated   o u tp u t  v o ltag e   o f   th e  f ir s t  s ta g e  f o r m s   t h e   s o u r ce   f o r   th e  HB C .   M u lti p le  o u tp u t   v o ltag e s   ar e  p r o v id ed   b y   a  Hig h   Fre q u e n c y   T r an s f o r m er   ( HFT )   w it h   ce n tr e  tap p ed   s ec o n d ar y   w in d i n g s .     T h e  in d u cto r s   ( L o1   -   L o4 )   a n d   ca p ac ito r s   ( C o1   -   C o4 )   co n n ec t ed   in   t h e  s ec o n d ar y   s id e  o f   H FT   ar e  u tili ze d   f o r   f ilter i n g   c u r r en t  an d   v o lta g e  r ip p les.  A NN  co n tr o ller - 2   is   i m p le m en ted   f o r   th e  o u tp u t  v o ltag e  r eg u latio n .     T h e  h ig h e s t  r ated   s ec o n d ar y   w i n d i n g   v o lta g e  is   s e n s ed   f o r   v o ltag e  co n tr o l  an d   th e  d u t y   cy cle  is   alter ed   to   co n tr o l a ll o th er   o u tp u t  v o ltag es.    a)   Selectio n   o f   c ap ac ito r   I n   HB C   t h e  v a lu e  o f   t h e  ca p ac ito r s   ar e  ch o s en   to   eli m in a te   th e  1 0 0   Hz  r ip p le  th at  is   r e f l ec ted   f r o m   th e  A C   in p u t  s id e.   T h e  P F  s h o u ld   b e  m ai n tai n ed   u n it y   at   th e  in p u t  s id e.   T h e  ca p ac ito r   v alu e  i s   ca lc u lated   u s i n g   E q u atio n   ( 6 )   [ 1 3 ]                                          ( 6 )     C o n s id er in g   ω   =  3 1 4   r ad /s ec ,                          an d                    ,   th e  v al u e  o f         =        =  0 . 3 1 0   m F.    T h e  p r o p o s ed   SM P S  is   m o d elled   f o r   P C   p o w er   s u p p l y   ap p li ca tio n ,   th e  ca p ac ito r   v alu e  i s   d esig n ed   s o   th at  t h e   SMP S c an   w it h s ta n d   p o w er   f a ilu r e  at  least  f o r   s o m e  ti m e.                                                                                               ( 7 )     C o n s id er in g                          =  w it h - s ta n d   ti m e  o f   ca p ac ito r   d u r in g   p o w e r   f ail u r e  as  1 2   m s ,            m i n i m u m   o u tp u t  DC   v o ltag e  o f   th e  P F C   co n v er ter   =  2 9 4   V,              =  m i n i m u m   v o ltag e  at  w h ich   t h e  o u tp u t  is   h eld   r eg u lated   =  2 6 0   V  an d   P o   =  o u tp u t  p o w er   =  1 7 5   W ,   th e  ca p a c ito r   v alu e  is   ca lc u lated   u s i n g   E q u a tio n   ( 7 )   as    C 12   =  0 . 2 2   m F.  T w o   s er ies co n n ec ted   ca p ac ito r s                                     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 1 9   :   7 8 9   -   8 0 1   792   b)   Selectio n   o f   i n d u c to r   T h e  in d u ctan ce   v al u e  at  th e  s e co n d ar y   s id e   o f   th e  HFT   is   esti m ated   u s in g   E q u atio n   ( 8 )   b y   ass u m in g   D  =  0 . 4 ,   f s   =  6 0   k Hz  an d   Δ i L 01  =  2 % o f   6 A .                                                                ( 8 )     T h e  in d u cto r   v alu e  ( L 01 )   is   ca lcu lated   as  0 . 1 2   m H.   T h e  v al u e  o f   in d u cto r s   L 02 ,   L 03   a n d   L 04   in   th e  s ec o n d ar y   w i n d i n g s   o f   t h e  HFT   ar e  ca lcu lated   u s i n g   E q u a tio n   ( 8 )   as L 02   =  0 . 0 2 3   m H ,   L 03   =  1 . 3   m H  a n d   L 04   =  1 . 2 5   m H.   c)   Selectio n   o f   t u r n s   r atio     I n   s tead y   s tate,   t h e  cu r r e n t  v a r iatio n   in   th e  o u tp u t  i n d u cto r   ( i L o1 )   d u r i n g   th e  s w itc h i n g   co n d itio n   i s   eq u ated   to   ze r o   [ 1 3 ]   as sh o w n   b elo w :                                                                                             ( 9 )     T h e  tu r n s   r atio s   ar e  ca lc u lated   b y   s u b s titu tin g   t h e  h ig h es t  r ated   o u tp u t  v o lta g e  V 01  =   +1 2   V,   s w itch i n g   ti m e  o f   HB C   T h   an d   d u t y   r atio   o f   HB C   D h   =  0 . 4 .   On   s o l v in g   E q u at io n   ( 9 )   th e   tu r n s   r atio   ar e  ca l cu lated   as   n 1 =  0 . 1 ,     n 2   =  0 . 0 4 2 ,   n 3  =  0 . 0 4 2   an d   n 4   =  0 . 1   f o r   th e  s ec o n d ar y   w i n d i n g s   w it h   v o lta g e  r ati n g s   V 01   =  1 2   V,   V 02   =  5   V,   V 03 =  - 5   V  an d   V 04   =  - 1 2   V  r es p ec tiv el y .     2 . 3 .     M o dellin g   o f   B B   c o nv er t er   DC   v o lta g e  g ai n   an d   AC   s m al l - s i g n al  T r an s f er   Fu n ctio n   ( T F)  o f   th e  B B C   ar e  d er iv ed .   T h e  Av er ag e   State - Sp ac e  E q u atio n s   ( A S SE )   o f   B B C   is   d er i v ed   u n d er   DC M  o p er atio n   [ 1 4 ] .   Un d er   DC M  o p er atio n ,   th e  B B   co n v er ter   h as  t h r ee   s w itc h i n g   s tag es  p er   c y cle.   T h e  DC   r esis ta n ce   o f   in d u cto r   ( r L )   an d   ca p ac ito r   ( r C )   a r e  in cl u d ed   in   th e  a n al y s i s .   Vec t o r       is   f o r m u lated   as  [             ]                 ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e  2 .   Mo d es o f   B B C   in   DC M       Fig u r e  2 ( a)   to   F ig u r e  2 ( c)   r ep r esen t  th e   m o d es   o f   t h e  B B C   in   D C M   o p er atio n .   I n   S w itc h i n g   s ta te  I   t h e   Stat e   s p ac e  eq u atio n s   ar e :          [           ]     [                               ] [                         ]     [       ]                  ( 1 0 )                    (                     )     *                 + [                         ]           ( 1 1 )     Fro m   th e  E q u at io n s   ( 1 0 )   an d   ( 1 1 )   th e  v alu es o f   A 1 , B 1   an d   C 1   ar e  d er iv ed   as :     A 1  =  [                               ]   ; B 1  =  [       ]   ; C 1   =  *                 +           ( 1 2 )           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       I mp r o ve d   p o w er q u a lity b u ck   b o o s t c o n ve r ter fo r   S MPS   ( J.   Ja ya ch a n d r a n )   793   I n   S w itc h i n g   s tate  I I   th e  State  s p ac e  eq u atio n s   ar e :          [           ]     [                                                                             ] [                         ]   *     +                    ( 1 3 )                *                             + [                         ]               ( 1 4 )     Fro m   E q u atio n s   ( 1 3 )   an d   ( 1 4 )   th e  v al u e s   o f   A 2 , B 2   an d   C 2   ar e  d er iv ed   as :     A 2  =  [                                                                             ] ; B 2   =  *     +   ; C 2   =  *                             +         ( 1 5 )     I n   s w itc h i n g   s tate  I I I   th e  State  s p ac e  eq u atio n s   ar e :          [           ]     [                         ] [                         ]     *     +                    ( 1 6 )                    (                     )     *                 + [                         ]           ( 1 7 )     Fro m   E q u atio n s   ( 1 6 )   an d   ( 1 7 )   th e  v al u e s   o f   A 3 , B 3   an d   C 3   ar e  d er iv ed   as [ 1 4 ] :     A 3   =  [                         ]     B 3   =   *     +   ; C 3   =  *                 +           ( 1 8 )     T h e  A SS E   o f   a  B B C   o p er atin g   u n d er   DC M  ca n   b e  w r itte n   a s   [ 1 4 ] :       ̇                                                ( 1 9 )                                                 ( 2 0 )     w h er e,                                                                                                                                                ( 2 1 )     T h e  d u r atio n   o f   th e  t h r ee   s w i t ch in g   s tates  o f   th e  co n v er ter   a r e  r ep r esen ted   as  d T s ,   d 2 T s   an d   d 3 T s   r esp ec tiv el y .   T h e  co n d itio n   to   b e  s atis f ied   d u r in g   s w i tch in g   o p er atio n   is   ( d   +d 2  +  d 3   =   1 ) .   T h e  an al y s i s   c an   b e  m ad e  s i m p le  b y   n e g lecti n g   t h e  DC   r e s is ta n ce   o f   t h e  s w itc h es  a n d   t h e   p ass iv e   ele m en t s . A s s u m i n g   r L   a n d   r C   as  ze r o ,     th e  m a tr ices  A 1 , B 1 , A 2 , B 2 ,   A 3   an d   B 3   ca n   b e  r e - w r itte n   as [ 1 4 ] :     A 1  =   [              ]   ; B 1  =  [       ]   ; A 2  =  [                    ] ; B 2   =  *     +   ; A 3  =  [              ] ; B 2   =  *     +     ( 2 2 )     Fro m   E q u atio n s   ( 2 8 )   to   ( 3 1 ) ,   th e  m atr ice s   A av   an d   B av   ar e  ca lcu lated   as :              [                        ]            [       ]               ( 2 3 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 1 9   :   7 8 9   -   8 0 1   794   T h e  A SS E   f o r   th e  B B   co n v er t er   ar e  w r it ten   as :                                                          ( 2 4 )                                                                  ( 2 5 )     T h e  av er ag e  o f   i L ( t)   is   d er iv ed   as :                                   ∫                                                             ( 2 6 )     T h e  o p en   lo o p   s m a ll - s i g n a l T F o f   a  B B C   in   DC M  ar e :                          ̂              ̂                                               ( 2 7 )                         ̂           ̂                         √                                 ( 2 8 )     T h e  E q u atio n s   ( 2 7 )   an d   ( 2 8 )   a r e  I   o r d er   T F w it h   a  p o le  o n   th e  lef t - h al f   o f   t h e  s - p la n e .       3.   DIS CU SS I O N  O N  SI M UL A T I O N  ANA L Y SI S    MA T L A B /SIM U L I NK   s o f t war e  is   ad o p ted   to   an al y s e  t h e  p er f o r m a n ce   o f   t h e  NN   co n tr o lled   B B C   b ased   MO SMP S.  I t  is   d esig n ed ,   m o d elled   an d   s i m u lated   a s   p er   th e  s p ec if icatio n s   lis ted   in   T ab le  1 .   A n   A C   s o u r ce   o f   1 7 0   V  to   2 5 0   V  R MS  an d   5 0   Hz  f r eq u en c y   is   u tili ze d   to   f ee d   th e  MO SMP S.  T w o   NN  co n tr o ller s   ar e  e m p lo y ed   i n d iv id u all y   f o r   i m p r o v i n g   th e  in p u t  p o w er   q u alit y   a n d   r eg u latio n   o f   t h e  o u tp u t  v o ltag e .     T h e  s i m u la tio n   o f   t h e  NN  b ased   MO SMP S  is   ca r r ied   o u t  t o   h ig h lig h t  it s   p er f o r m an ce   u n d er   i)   s tead y   s tate   co n d itio n   w it h   r ated   lo ad   an d   r ated   s u p p l y   v o lta g e  co n d itio n   ii)  v ar iab le  s u p p l y   v o lta g e  b y   v ar y i n g   t h e  s u p p l y   v o ltag e   b et w ee n   1 7 0   V  a n d   2 5 0   V  R M S a n d   ii i)   v ar y i n g   lo ad   co n d itio n s   w h er e  t h e   lo ad   at  t h e  o u tp u t   ter m i n a l   2   is   in cr ea s ed   f r o m   5 0 %  to   1 0 0 %  at  0 . 5   s   d u r in g   t h e   s i m u l atio n   p er io d .   T h e  MO SMP S  w it h   N N  co n tr o ller   an d   co n v e n tio n a l c o n tr o ller   ar e  co m p ar ed   b ased   o n   P Q  in d ices a n d   v o lta g e  r eg u latio n .       T ab le  1 .   P ar am eter s   o f   MO S MP S   P a r a m e t e r s   V a l u e s   S o u r c e   v o l t a g e   V in   170 - 2 5 0   V   R M S   R a t i n g   o f   o u t p u t   t e r m i n a l   1   V 01 /I o1   1 2   V / 6   A   R a t i n g   o f   o u t p u t   t e r m i n a l   2   V 02 /I o2   5   V / 1 8   A   R a t i n g   o f   o u t p u t   t e r m i n a l   3   V 03 /I o3   - 5   V / 0 . 3   A   R a t i n g   o f   o u t p u t   t e r m i n a l   4   V 04 /I o4   - 1 2   V / 0 . 8   A   R a t i n g   o f   o u t p u t   p o w e r   P 0   1 7 5   W       3 . 1 .     M O S M P S  w it h r a t ed  s up ply   v o lt a g e  Vin= 2 2 0   V  a nd   ra t ed  l oad   T h e  w a v e f o r m s   o f   r e g u lated   m u ltip le  o u tp u t  v o ltag e s ,   o u tp u t  cu r r en t s ,   s u p p l y   v o lta g e  an d   cu r r en t  at  V in  =   2 2 0   V   a r e  d e p i c t e d   in   F ig u r e   3 .   I t   is   c o n cl u d e d   f r o m   th e   w av ef o r m s   th a t  V o1   t o   V o4  ar e  r eg u la ted   w ell  b y   th e  NN   co n tr o ller .   V in   a n d   I in   w av ef o r m s   p r o v e   t h a t   s u p p ly   cu r r en t   d r a w n   is   m ain t a in e d   s i n u s o i d a l   a n d   in   p h ase  w ith   t h e   s o u r ce   v o l t ag e  t o   m a i n ta in   t h e   PF   n ea r ly   u n i ty .   T h e   v a lu e s   o f   DF ,   D PF   an d   P F   a c h ie v e d   w ith   NN   c o n t r o ll e r   a r e   0 . 9 9 6 ,   1   a n d   0 . 9 9 6   r e s p e c t iv e ly .   T h e   T H D   o f   I in   i s   2 . 3 5 %   a n d   a d h e r es   t o   t h e   l im i t   s u g g es t e d   b y   I E C   6 1 0 0 0 - 3 - 2   s tan d ar d .   B B C   b ased   SMP S  w h en   s i m u lat ed   w it h   co n v e n tio n al   co n tr o ll er ,   r ed u ce s   th e  T HD  o f   th e  s o u r ce   cu r r en t to   5 . 1 % a n d   th e  P F a t th e  s u p p l y   s id e  is   m ai n tai n ed   at  0 . 9 4 .                   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       I mp r o ve d   p o w er q u a lity b u ck   b o o s t c o n ve r ter fo r   S MPS   ( J.   Ja ya ch a n d r a n )   795       ( a)       ( b )       ( c)     Fig u r e  3 .   W av ef o r m s   o f   B B C   a t   r a t e d   s u p p ly   v o l ta g e .   ( a )   V 01 -   V 04   ( V ) ,   ( b )   I 01 -   I 04   ( A )   an d   ( c )   V in / 1 0 0   ( V )     a n d   I in  ( A )       3 . 2 .     M O S M P S  w it h  increa s ed  s up ply   v o lt a g e  Vin= 2 5 0   V  a nd   ra t ed  lo a d   T h e  w a v e f o r m s   o f   r e g u lated   m u ltip le  o u tp u t  v o ltag e s ,   o u tp u t  cu r r en t s ,   s u p p l y   v o lta g e  an d   cu r r en t  at  V in  =   2 5 0   V   a r e  d e p i c t e d   in   F ig u r e   4 .   I t   is   c o n cl u d e d   f r o m   th e   w av ef o r m s   th a t  V o1   t o   V o4  ar e  r eg u la ted   w ell  b y   th e  NN   co n tr o ller .   V in   a n d   I in   w av ef o r m s   p r o v e   t h a t   s u p p ly   cu r r en t   d r a w n   is   m ain t a in e d   s i n u s o i d a l   a n d   in   p h ase  w ith   t h e   s o u r ce   v o l t ag e  t o   m a i n ta in   t h e   PF   n ea r ly   u n i ty .   T h e   v a lu e s   o f   DF ,   D PF   an d   P F   a c h ie v e d   w ith   NN   c o n t r o ll e r   a r e   0 . 9 9 5 ,   1   a n d   0 . 9 9 5   r e s p e c t iv e ly .   T h e   T H D   o f   I in   i s   3 . 4 2 %   a n d   a d h e r es   t o   t h e   l im i t   s u g g es t e d   b y   I E C   6 1 0 0 0 - 3 - 2   s tan d ar d .   B B C   b ased   SMP S  w h en   s i m u lat ed   w it h   co n v e n tio n al   co n tr o ll er ,   r ed u ce s   th e  T HD  o f   th e  s o u r ce   cu r r en t to   5 . 4 % a n d   th e  P F a t th e  s u p p l y   s id e  is   m ai n tai n ed   at  0 . 9 .               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 1 9   :   7 8 9   -   8 0 1   796     ( a)       ( b )         ( c)     Fig u r e  4 .   W a v ef o r m s   o f   B B C   a t   s u p p ly   v o l t ag e   2 5 0   V .   ( a )   V 01 -   V 04   ( V ) ,   ( b )   I 01 -   I 04   ( A )   an d   ( c )   V in / 1 0 0   ( V )     a n d   I in  ( A )       3. 3 .    M O S M P S  w it h  decr ea s ed  s up ply   v o lt a g e  Vin= 1 7 0   V   a nd   ra t ed  lo a d   T h e  w a v e f o r m s   o f   r e g u lated   m u ltip le  o u tp u t  v o ltag e s ,   o u tp u t  cu r r en t s ,   s u p p l y   v o lta g e  an d   cu r r en t  at  V in  =   1 7 0   V   a r e  d e p i c t e d   in   F ig u r e   5 .   I t   is   c o n cl u d e d   f r o m   th e   w av ef o r m s   th a t  V o1   t o   V o4  ar e  r eg u la ted   w ell  b y   th e  NN   co n tr o ller .   V in   a n d   I in   w av ef o r m s   p r o v e   t h a t   s u p p ly   cu r r en t   d r a w n   is   m ain t a in e d   s i n u s o i d a l   a n d   in   p h ase  w ith   t h e   s o u r ce   v o l t ag e  t o   m a i n ta in   t h e   PF   n ea r ly   u n i ty .   T h e   v a lu e s   o f   DF ,   D PF   an d   P F   a c h ie v e d   w ith   NN   c o n t r o ll e r   a r e   0 . 9 9 8 ,   1   a n d   0 . 9 9 8   r e s p e c t iv e ly .   T h e   T H D   o f   I in   i s   2 . 2 %   a n d   a d h e r e s   t o   t h e   l im i t   s u g g es t e d   b y   I E C   6 1 0 0 0 - 3 - 2   s tan d ar d .   B B C   b ased   SMP S  w h en   s i m u lated   w it h   co n v e n tio n a l  co n tr o ller ,   r ed u ce s   th e  T HD  o f   th e  s o u r ce   cu r r en t to   4 . 6 % a n d   th e   P F a t th e  s u p p l y   s id e  is   m a in t ain ed   at  0 . 9 6 .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       I mp r o ve d   p o w er q u a lity b u ck   b o o s t c o n ve r ter fo r   S MPS   ( J.   Ja ya ch a n d r a n )   797       ( a)       ( b )       ( c)       Fig u r e  5 .   W a v ef o r m s   o f   B B C   a t   s u p p ly   v o l t ag e   1 7 0   V .   ( a )   V 01 -   V 04   ( V ) ,   ( b )   I 01 -   I 04   ( A )   an d   ( c )   V in / 1 0 0   ( V )     a n d   I in  ( A )       3 . 4 .     M O S M P S  w it h r a t ed  s up ply   v o lt a g e  a nd   lo a d v a ria t i o n   T h e  w a v e f o r m s   o f   r e g u lated   m u ltip le  o u tp u t  v o ltag e s ,   o u tp u t  cu r r en t s ,   s u p p l y   v o lta g e  an d   cu r r en t  at  V in  =   2 2 0   V   a r e  d e p i c t e d   in   F ig u r e   6 .   I t   is   c o n cl u d e d   f r o m   th e   w av ef o r m s   th a t  V o1   t o   V o4  ar e  r eg u la ted   w ell  b y   th e  NN  co n tr o ller   ev e n   u n d er   lo ad   v ar iatio n   a t  ter m i n al  2   f r o m   5 0 %  to   1 0 0 %  at  0 . 5   s .   T h e  I o2   w av e f o r m   s h o w s   th e   lo ad   v ar iatio n   at  te r m in a l  2   f r o m   5 0 %  to   1 0 0 %  at  0 . 5   s .   V in   an d   I in   w av ef o r m s   p r o v e   th at   s u p p ly   c u r r en t   d r aw n   is   m a in ta in e d   s in u s o i d al   an d   i n   p h as e   w ith   th e   s o u r ce   v o lt ag e   t o   m a in ta in   th e   P F   n e a r ly   u n i ty .     T h e   v a lu es   o f   D F ,   D PF   an d   PF   a c h ie v e d   w i th   NN   c o n t r o l l e r   ar e   0 . 9 8 1 ,   1   a n d   0 . 9 8 1   r e s p e c t i v e ly .   T h e   T H D   o f   I in   i s   3 . 4 %   an d   a d h e r es   t o   th e   l im it   s u g g es t e d   b y   I E C   6 1 0 0 0 - 3 - 2   s ta n d ar d .   B B C   b ased   SMP S  w h en   s i m u lated   w it h   co n v e n tio n al  co n tr o ller ,   r ed u ce s   th e   T HD  o f   th e   s o u r c e  cu r r en t  to   5 . 6 %  a n d   th e  P F  at  th e  s u p p l y   s id e  i s   m ai n tai n ed   at  0 . 9 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   2 ,  A p r il 2 0 1 9   :   7 8 9   -   8 0 1   798       ( a)       ( b )       (c)     Fig u r e  6 .   W a v ef o r m s   o f   B B C   a t   r a t e d   s u p p ly   v o l ta g e   an d   lo ad   v ar iatio n   at  V o2 .   ( a )   V 01 -   V 04   ( V ) ,   ( b )   I 01 -   I 04   ( A )   a n d   ( c )   V in / 1 0 0   ( V )   an d   I in  ( A )       T h e  s i m u la tio n   r es u lts   o f   B B C   w ith   NN  a n d   co n v e n tio n al   co n tr o ller   ar e  ta b u lated   in   T ab le  2   an d   T ab le  3 .   NN  co n tr o lled   B B C   b ased   SMP S  tak es  0 . 1 8   s   to   a ttain   s tead y   s tate  a n d   th e  %  o v er s h o o t  o f   V o1   is   1 . 9 0   d u r in g   tr an s ie n t  r esp o n s e.   I t  is   v er if ied   f r o m   t h e  tab u latio n   th at  t h e  MO SMP S  w it h   NN  co n tr o ller   h as   s u p er io r   p er f o r m an ce   w h e n   co m p ar ed   to   co n v e n tio n al   co n tr o ller   in   ter m s   o f   v o lta g e  r eg u lat io n   a n d   P Q   i m p r o v e m en t.  F ig u r e  7   s h o w s   th e  co m p ar is o n   o f   i n p u t  p o wer   f ac to r   o f   MO SMP S  w it h   N N  an d   co n v e n tio n al  co n tr o ller   f o r   v ar io u s   s o u r ce   v o ltag e  co n d itio n s .   Fi g u r e  8   d ep icts   th e  co m p ar is o n   o f   T HD  o f   s o u r ce   cu r r en t   d r a w n   b y   t h e  M OSMP S  at   d if f er en t   s u p p l y   v o ltag e s .   S i m u la tio n   r es u lt s   tab u la ted   in   T ab le   2   an d   T ab le  3   an d   C o m p ar is o n   c h ar t  s h o w n   i n   Fig u r e  7 ,   Fi g u r e  8   a n d   Fi g u r e   9   h i g h li g h t  t h e  p er f o r m an c e  o f   N N  co n tr o lled   MO SMP S  w h e n   co m p ar ed   to   co n v e n tio n a l  co n tr o ller .   NN  co n tr o ller   p er f o r m s   b etter   i n ,   m ai n tai n in g   t h e  P F  clo s e  to   u n it y ,   r ed u ci n g   th e  T HD  o f   s o u r ce   cu r r en t  an d   r eg u la tin g   t h e  o u tp u t  v o lta g e s .   Fig u r e  9   g i v es  th e   1 0 0 %   l o a d   c o n d i t i o n 5 0 %   l o a d   c o n d i t i o n L o a d   c h a n g e   f r o m 5 0 %   t o   1 0 0 % I o1 = 6 A I o2 = 1 8 A I o4 = 0 . 8 A I o3 = 0 . 3 A V in I in Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.