Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   9 , No .   6 Decem ber   201 9 , p p.   4540~ 4555   IS S N: 20 88 - 8708 DOI: 10 .11 591/ ijece . v9 i 6 . pp4540 - 45 55       4540       Journ al h om e page http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Extend ed   family  of  DC - DC  q u asi - Z - sou rce c onvert ers         Muhamm ad  Ado 1 Awang  Ju s oh 2 ,   T ole S ut ikn o 3   1, 2 School  of El ectrical   Engi n ee rin g ,   U nive rsi t i   Te k nologi   Ma lay sia ,   Malay si a   1 Depa rt m ent   of  Ph y sics,   Ba y ero   Univer ity ,   Nig er ia   3 Depa rtment of  El e ct ri ca l   Eng in e eri ng ,   Univ ersitas Ahm ad  Dahlan,  Indone si a         Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Feb  5 , 2 01 9   Re vised  Me 3 0 , 2 01 9   Accepte J un   1 3 , 201 9       The   famil y   of  DC - DC  q - ZSCs  is   ext end ed  from   t wo  to  three  class es  and  fou r   to  six  m embers.  All  the   m emb ers   were   an aly z ed  base on  eff ic i e nt  dut y   ra ti o   ran ge  (R De ff and  gene ral   du t y   rat io  ran g (R Dg e n ).   Findings  s howed  that   sim il ar  to  the   tr a dit ional  buck - bo ost  conve rte (B BC),   each  of  the  topol ogie s   is  the ore t ically   c apa bl of  inve r t ed  buck - boost  ( BB)  oper at ion  f or  the   R Dg e n   with  addition al   adva nt age but   diffe red   a cc ordi ng  to  cl ass  in   h ow  the   g ai ns   are   ac h ie ved .   T he  new  topol ogi es  have  adv ant a ges  of  BB  ca p a bil ity   a th e   R De ff ,   cont inuou and  ope rab l dut y   ra ti r ange  with  un ity   g ai n   at  D = 0 . 5   cont rar y   to  ex isti ng  topol ogi es  where   undef ined  or  ze ro  gai i produc ed.  Potent ial  appl i cations  of  ea ch  class   were   discuss ed  with  suita ble  topol ogies   for  appl icati ons  such  as  fue ce lls ,   photovol ta i c,   unint err up ti bl power  suppl y   (UP S),  h y brid   en erg y   storag e and   loa d   l eve l li ng  s y stems   id ent if ied .   Ke yw or d s :   Buck - bo os t   DC - DC   Im ped ance s ou rce   q - Z SC   Shoo t - thr ough   Copyright   ©   201 9   Instit ut o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e   Al l   rights re serv ed .   Corres pond in Aut h or :   Muh am m ad  A do   School  of El ec tr i ca l   Engi n ee r ing ,   U nive rsit i   Te kno logi   Ma lay sia ,     81310  Skudai, Johor,   Mal a y sia .   Em a il : ado ba ffa@gm ai l.co m       1.   INTROD U CTION     Power   co nvert ers  c onve rt  el ect ric  ene rg from   m agn it ud e   or  form   t a no t her  [ 1,  2] DC - DC   conve rters  c onver betwee DC  volt ages wh il ac - ac   co nv e rters  c onve rt  betwee ac - sign al s.  DC - a c   and  ac - DC  co nv e rters   cal le inv e rters  an recti fi ers  res pecti vel conver bet ween   DC  an ac  sign al s.  D C - DC   conve rt ers  a re  essenti al   in  ap plica ti on in vo lving  DC  si gnal of   var ia ble  m agn it ud e s.  T hey  ge ner al ly   involv e   us in switc he s   m os tl transistors  an are  cl assifi ed  as  li near   or   s witc he m od DC - DC  conve rters  de pe nd i ng   on ho the  tra ns ist ors a re  operated.   Linear  m od conve rters  in volve  op e rati ng   the  transist or  at   giv e op erati ng   point  in  the  li nea r   reg i on   a nd   re gula ti on   is  achi eved   by  var yi ng  the  transist or  base  curre nt  (I B he nce  f un c ti on li ke  va riable   resist or  [ 3] In  switc he m od e   co nv e rters tra ns ist ors  functi on  as  s witc hes   w her e   they   ar switc he O N /OFF   base on  their   du ty   rati os   ( D ).   Linea m od conver te r are   char act erise by  low  ef fici ency  wh il swit ched  mo de  conver te rs  c on ta in  ha r m on ic du t switc hing  a nd  re quire  filt ers  [4 - 8] S witc hed  m od co nverter wer furthe cl assifi ed  into  vo lt age  s ource   conver te rs  ( V SCs)  an cu rrent   source  c onver te r (CSCs )   un ti l   the in ven ti on of im ped ance s ource  con ver te rs  ( I SCs/ ZSCs)   [ 9] .   IS Cs  pe rm i ts  bo t the  shoot - thr ough  (S T )   lim it a ti on   of  VS Cs  withou causing   ove r current  f or  vo lt age  boost ing   a nd  ope ci rcu it   (O C )   lim it at ion   of  CSC without  causi ng   ov ervolt age  f or  current    boos ti ng  [9 - 13] .   ST  ph e nom e non  is  sim ultaneous  switc hi ng  of  b ot switc he of   c omm o le of  a H - bri dge   wh il OC  refe r to   tu rn i ng   t he m   bo th  OFF  [ 14] Dea d - tim and   overla p - ti m are  pro vid e in  VS Cs  a nd  CSC resp ect ively   to   cat er  fo S and   OC  res pecti vely   bu that  causes  wa ve form   distor ti on   and   ca us es  f re quenc y   restrict ion  bec ause  t he  c han c es  of  S or  O increases   with  f reque ncy  due  to   th e   possi ble  inter val  be com ing  sh ort er   [ 9,  15] .   Elim inati on   of  dead  an ove rlap - ti m in  ISC pe rm i ts  higher   f reque ncy  op e rati on  le a din to   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Ext end e f am il y o DC - DC  quas i - Z - s ou rc c on ve rte rs   ( Mu ham mad  A do )   4541   reduce siz e,   weig ht  an co st  [16] .   Ind uct or s   of  IS Cs  store   ene rg y   du rin ST   a nd  r el ease  them   du ri ng  diff e re nt m od es whil e r obus t ne ss of  IS Cs  is t hat they ca n be  contr olled  with  or w it ho ut S [ 17 - 19] .   der i vative  of  the   ZSCs  cal l ed  qu a si - ZSC  (q - ZSC s how in   Fig ure  ( a)  w as  p r opos e by  [ 20 ]   t address   pr oble m includin disco ntin uous   input  cu rrent  durin boos m od e,  re du ce s ource  stres a nd   si m plifie co ntr ol  strat egy.   Re fer e nce  [ 21 ]   e xten de the  a ppli cat i on s   of   ZSCs   an q - ZSCs   from     dc - ac  [9,  18,  22 - 35 ]   and   ac - ac   [36]   to  DC - DC  ap plica ti on   by  pro po si ng  f our  to polo gi es  each  f or   Z SC  an   q - Z SC  to po l ogie s The  e xten sion   t DC - D was  do ne  by   ta kin the  outp ut  acr os a   capaci tor  rath er  th a switc h S 2   f or both t he dc - ac  a nd ac - ac  con ve rters as  s how n i Fig ure  ( b).   Both  the  DC - DC  ZSC  and   q - ZSC  fam ilies  consi ste of   tw cl asses  each  with  each  cl ass   com pr isi ng   of   tw to polo gi es.  Der i vation  of   var ia nt  topolo gies  was  po ssible  due  to  th fact  that  the  ou t pu c ou l be   ta ke acro s any  ca pacit or   a nd  t he  po sit io ns   of   t he  in put  so urce  a nd  a   capaci tor   co uld   be  s wapp ed  [ 21] .   Othe va riant  DC - DC  co nve rter  to polo gies  took  their   outp uts  acr os S 2   in  w hat  is   cal le pulse   width  m od ulate (PWM DC - DC   IS Cs  [ 37 - 43]   fo highe volt age  gai al beit  with  ad di ti on al   com po nen ts .   Re fer e nce  [ 44]   took  the  DC  ou t pu par al le to  the  im ped ance  net w ork  input  po rt  rathe tha ca pacit or  or   switc in  orde to  achie ve  c omm on   gr ou nd  an hi gh  volt age  gain Det ai le ste ady - st at analy sis  of  P W DC - DC ISC was pres ente d by  [ 38] .   DC - DC  IS Cs   are  f ur th er   cl assifi ed  a ccordin g   to  galva nic  isol at ion   into  is olate an d   non - isolat ed   [ 12,  45] T opol og ie wit tr ansfo rm er  isolat ion   usual ly   h ave  sa fety   adv a ntage an higher  vo lt age   gain  but  co ns tr ai ne by  their   relat iv el hig c os a nd  com plexity m or switc hes   re qu irem ent  a nd  lo w     eff ic ie ncy  [ 45,   46] N on - isol at ed  DC - DC  I SCs  ha ve  ad va ntages  of   l ow  cost,  le ss  c omplexit ie an s witc hes   and h i gh e e ff i ci e ncy but are   const raine d by  safety  problem  and lo we r vo lt age  gain  [ 46 ] .   The  e xisti ng   f a m ily  of   DC - DC  q - ZSCs  [21]   with  tw cl asses  has  t he  adv a ntage   of  bid irect io nal  op e rati on  an bipolar  ou t pu t   op e rati on.  Howev e r,   eac of  the  cl asses  ha pro blem of   la cking  buc k - boost   (BB) ca pab il it y at  eff ic ie nt  duty  r at io  range   (R Deff )  and eit he r disco ntinuo us   or lo wer gai [47] .   In  this  pa per,  new   cl ass  of  DC - DC  q - ZS Cs  is  pr esente to  exten th fa m ily  of   DC - DC  q - ZSCs   from   two  to  th ree  cl asses.  M e m b ers  of  the  new   cl ass  ha ve   BB   capab il it at   the  R Def f con ti nu ous  or  higher   gain  c om par ed   to  existi ng  m em ber s.  gen e ral  analy sis  of  al the  cl asses  and  their  t opol og ie is  presen te in   detai ls  by  fi rst  der i ving  t he  ga in  of  eac t opology.  Op e rati on s   of  al the   cl asses  we re  ve rified  by  sim ulati on  and  the  res pons es  of  Cl ass  and  Cl ass  conf or m   to  their  the or et ic al   gains.  T he  respo ns es  of  Cl ass  C   m e m ber s d isa greed  w it h t heir   theo reti cal  g ai n du e  to  t he dis con ti nuit y i t he ir g ai n.       S 1 V S L 1 L 2 S 2   (a)   V S C 2 C 1 L 1 S 1 L 2 S 2 L o a d   (b)     Figure  1. (a ) G ener ic   q - ZSC  ( b) D C - DC  q - Z SC       2.   OVERVIEW   a)     Existi ng  to pol og ie s   The  co ncep q - ZSC  was  exten ded   by  [21]   fr om   inv erter  [20]   to  DC - DC  ap plica ti on s.  T his  pr od uce four   dif fer e nt  t opologies  s ho wn  in  Fi gure  2( a to   Fig ur e   2(d)  of  wh ic two  of  each   ha ve  a ide ntica gain   curve.  T his  le a to  ha ving  tw cl asses  of   D C - DC  q - Z SC  with  eac cl ass  co ns ist ing   of   two  m e m ber [21] Mem ber of  ea ch  cl ass  ha ve  a ide ntica l gai e qu at io n.   b)     A dd it io nal  to polo gies   Tw ne DC - D co nverte t opologies  with   the  s har e prop e rtie of  q - Z SCs  an tra diti on al   BB Cs   sh ow in  Fig ure  2( e an Fi gure  2(f we re   recently   propose [2,  14] An al ysi of  th ei op e rati on  s hows   com m on  p r ope rtie s su c as  g a in equati on a nd  ou t pu res pons e,  ther e f or e,   can  be gr oupe d as a cl ass   [ 47 ] .   c)     Exte nd e fam i ly   Com bin ing   th e   existi ng  f our  DC - DC  q - ZSC   topolo gies  a nd  the  t wo  ad di ti on al   to po l og i es  res ult  in  hav i ng  an   exte nd e fam ily  con sist ing  of  six   m e m ber as  show i Fig ure  2.   Of  these  si m e m ber s,  th re gain   curves  e xist,  of  w hich  ea ch  c on sist of  tw m e m ber s.  This   m eans  that  th exten de fa m ily  con sist of  thr e cl asses with  ea ch havi ng tw o t opologies  [ 21,   47] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  9 , N o.   6 Dece m ber  2 01 :   4540   -   45 55   4542   3.   CIRC UIT  ANALYS IS   In   this  sect ion,  the  op e rati on  of   each  cl ass  is  analy sed  based   o two  operati on  m od es  to  der i ve   the  gai e quat ion  of  eac t op ology  in   the  cl ass.  Althou gh  IS Cs  ca s upport  m or t han  two  ope rati on  m od es  du e  to  t he per m issi bili t y of  S T and  OC,  t wo operati on m odes w e re c onsid ered he re  beca us e   a.   Existi ng ana ly ses for  the e xisti ng to po l og ie s   [ 21 ]   a re  base d o tw s witc hi ng m od es.   b.   Use  of two  s witc hin m od es e nab le s f ai co m par ison  w it h othe DC - DC topolo gies that on ly  suppo rt two  m od es.       S 2 V S L 1 L 2 S 1   (a)   S 1 V S L 1 L 2 S 2   (b)     R 0 C 1 S 1 L 1 L 2 S 2   (c)     R 0 C 1 S 1 L 1 S 2 L 2   (d)     C 1 S 1 L 1 L 2 S 2 (e)     C 2 S 2 L 1 S 1 L 2   (f)     Figure  2. Exte nd e d fam ily of   DC - DC q - ZSC s       The  to polo gies   in  cl ass  a re  l abell ed  as  t opol og I   an to polo gy  I I.   T he  operati on  of   eac to polo gy   is  analy sed  ba sed  on  the  s witc hing  m od es  and   the  e qu ivale nt  ci rc ui t fo eac m od a re  al so   sh ow n.   The  pa ram et ers  us ed  for  th ci rcu it ana ly ses  are  V L1   (volta ge  acr os L 1 ) V L2   (volta ge  acr oss  L 2 ),   V C1   (volta ge  a cro ss  C 1 ) V C2   (volta ge  acr os s   C 2 ),   V O   (outp ut  vo lt a ge) V S   (input  volt age an ( duty   rati o) .   The  s witc hes  S 1   an S 2   we re a ssu m ed  to  be  i deal.     a)   Clas s  A   This  cl ass  c on s ist   of   the  t opol og ie of  Fig ur e   2( a a nd   (b)  la belle as  to pol og an to po log I a nd  sh ow in  Fi gur e 3  a nd Fi gure  4 resp ect ively .       C 1 C 2 V S L 1 L 2 V O I L 2 I O I C 2 I C 1 I L 1 I S   C 1 C 2 V S L 1 L 2 V O I L 1 I C 1 I C 2 I L 2 I O I S   (a)   (b)     Fi gure  3. Cl ass A  t opology  ( a) m od e I  (b)  m od e II   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Ext end e f am il y o DC - DC  quas i - Z - s ou rc c on ve rte rs   ( Mu ham mad  A do )   4543   C 2 V S L 1 L 2 C 1 V O I S I L 1 I O I C 1 I L 2 I C 2   (a)   C 2 V S L 1 L 2 C 1 V O I S I O I C 1 I L 2 I C 2 I L 1   (b)     Fig ure  4. Cl ass A  t opology  II ,   (a) m od e I  (b)  m od e II       1.   Clas s  A  t opology  I   Mod e  I In this  m od e, S 1   is  O N wh il e S 2   is  OF F  as s how n i Fig ure  3( a ),   the duty  r at io  is D .     V L1 = V S V C1   (1)     V L2 = V O   (2)     Mod e  II: I thi s m od e, S 1   is  OFF  wh il e S 2   is  ON as s how i Fi gure  3(b ),  t he du ty   rati is   D = 1 D .     V L1 = V S V O   ( 3 )     V L2 = V C1   ( 4 )     Applyi ng  V ol seco nd  bala nc (VSB)  t get  the  a ver a ge  in du ct or   volt age over  s witc hing  per i od   on the i nduct ors L 1   a nd L 2   yi el ds  (5 a nd (6).     V L1 = D V C1 + V S V O + D V O = 0   ( 5 )     V L2 = D V O + V C1 DV C1 = 0   ( 6 )     Fr om  ( 6),     V C1 = D V O 1 D   ( 7 )     Subst it uting ( 7) int ( 5) a nd s i m plifyi ng  yi el ds     A a1 = V O V S = 1 D 1 2D   ( 8 )     2.   Clas s  A  t opology  II   Mod e  I In this  m od e, S 1   is  O N wh il e S 2   is  OF F  as s how n i Fig ure  4( a ),   the duty  r at io  is D .     V L1 = V S V C2   ( 9 )     V L2 = V O   ( 10 )     Mod e  II: I thi s   m od e, S 1   is  OFF  wh il e S 2   is  ON as s how i Fi gure  4(b t he du ty   rati is     D = 1 D .     V L1 = V S V O   ( 11 )     V L2 = V C2   ( 12 )     Applyi ng VSB  on L 1   a nd L 2   y ie lds (13) a nd (14).     V L1 = V S V O + D V O D V C2 = 0   ( 13 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  9 , N o.   6 Dece m ber  2 01 :   4540   -   45 55   4544   V L2 = DV O + V C2 D V C2 = 0   ( 14 )     Fr om  ( 14 ),     V C2 = DV O D 1   ( 15 )     Substi tuti ng (1 5) into  (13) yi e lds     A a2 = V O V S = 1 D 1 2D   ( 16 )     The  (8)  And  ( 16)  s how   that  the  ideal   gains   of  to po l og and  I are   ide nt ic al   as  propos ed  by  [ 21 ]   t hus  they   form  a class w it gai n.     A a = A a1 = A a2 = 1 D 1 2D = D D D   ( 17 )     b)   Clas s  B   The  t opologie in  Fig ur e   2(c)  a nd  ( d)  a re   m e m ber la belle as  t opol og an II  a nd  s how in     Figure  a nd Fi gure  6 res pecti vely .       C 2 V S V O C 1 L 1 L 2 I L 1 I C 2 I O I C 1 I L 2 I S   (a)   C 2 V O C 1 L 1 L 2 I L 1 I L 1 I O I C 2 I S I C 1 V S   (b)     Figure  5. Cl ass B t opol og I ( a) m od e I  (b)  m od e II       I C 2 V O C 1 L 1 L 2 C 2 V S I L 1 I C 1 I O I S I L 2   (a)   V O C 1 L 1 L 2 C 2 V S I C 1 I C 2 I S I L 2 I L 1 I O   (b)     Figure  6. Cl as s B to po l og II  (a)  m od I (b)  m od e II       1.   Family B  top ol ogy  I   Mod e  I In this  m od e, S 1   is  O N wh il e S 2   is   OF F  as s how n i Fig ure  5( a ),   the duty  r at io  is D .     V L1 = V C2 V O   ( 18 )     V L2 = V S   ( 19 )     Mod e  II: I thi s m od e, S 1   is  OFF  wh il e S 2   is  ON as s how i Fi gure  5(b ),  t he du ty   rati is   D = 1 D .     V L1 = V S V O   ( 20 )     V L2 = V C2   ( 21 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Ext end e f am il y o DC - DC  quas i - Z - s ou rc c on ve rte rs   ( Mu ham mad  A do )   4545   Applyi ng VSB  on L 1   a nd L 2   y ie lds (22) a nd (23).     V L1 = D V C2 + V S V O D V S = 0   ( 22 )     V L2 = D V S + V C2 D V C2 = 0   ( 23 )     Fr om  ( 23 ),     V C2 = D 1 D V S   ( 24 )     Substi tuti ng (2 4) into  (22) a nd sim plifyi ng  yi el ds     A b1 = V O V S = 1 2D 1 D   ( 25 )     2.   Clas s  B top ology II   Mod e  I In this  m od e, S 1   is  O N wh il e S 2   is  OF F  as s h own i Fig ure  6( a ),   the duty  r at io  is D .     V L1 = V C2 V O   ( 26 )     V L2 = V S   ( 27 )     Mod e  II: I thi s m od e, S 1   is  OFF  wh il e S 2   is  ON as s how i Fi gure  6(b ) ,   t he du ty   rati o   is   D = 1 D .     V L1 = V S V O   ( 28 )     V L2 = V C2   ( 29 )     Applyi ng VSB  on L 1   an L 2   y ie lds (30) a nd (31).     V L1 = D V C2 + V S V O D V S = 0   ( 30 )     V L2 = D V S + V C2 D V C2 = 0   ( 31 )     Fr om  ( 31 ),     V C2 = D 1 D V S   ( 32 )     Substi tuti ng (3 2) into  (30) a nd sim plifyi ng  yi el ds     A b2 = V O V S = 1 2D 1 D   ( 33 )     The  ( 25)  A nd  (33 s how  that   the  ideal   gain of   to polo gy  A b1   and   to polog I A b2   are  identic al   as  propos e by  [ 21]   thus t he y form  a class with  gain .     A b = A b1 = A b2 = 1 2D 1 D = D D D   ( 34 )     c)   Clas s  C   This  cl ass  c onsist   of   t he  tw new ly   pr opos e to po l og ie of  Fig ure  2( e)  an (f).  T he are  al s la belle as t opology I  and t opology I as  sho wn in Fi gure  7  and Fig ure  re sp ect ively .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  9 , N o.   6 Dece m ber  2 01 :   4540   -   45 55   4546   V O C 1 L 1 L 2 C 2 V S I C 1 I L 1 I S I C 2 I L 2 I O   (a)   V O C 1 L 1 L 2 C 2 I L 1 I S I C 1 I L 2 I C 2 I O V S   (b)     Figure  7. Cl a ss C to po l og I ( a) m od e I  (b)  m od e I I       V O C 1 L 1 L 2 C 2 V S I L 1 I L 2 I O I C 2 I C 1 I S   (a)   V O C 1 L 1 L 2 C 2 V S I L 1 I O I C 2 I C 1 I L 2 I S   (b)     Fig ure  8. Cl ass C to po l og II  (a)  m od I (b)  m od e II       1.   Clas s  C  t opology  I   Mod e  I In this  m od e, S 1   is  O N wh il e S 2   is  OF F  as s how n i Fig ure  7( a ),   the duty  r at io  is D .     V L1 = V O V C1   ( 35 )     V L2 = V S   ( 36 )     Mod e  II: I thi s m od e, S 1   is  OFF  wh il e S 2   is  ON as s how i Fi gure  7(b ),  t he du ty   rati o   is   D = 1 D .     V L1 = V S V C1   ( 37 )     V L2 = V O   ( 38 )     Applyi ng VSB  on L 1   a nd L 2   y ie lds (39) a nd (40).     V ̅ L1 = D V O + V S V C 1 D V S = 0   ( 39 )     V ̅ L2 = D V S V O ( D 1 ) = 0   ( 40 )     Si m plifyi ng  (4 0) yi el ds     V O = D 1 D V S   ( 41 )     A c1 = V O V S = D 1 D   ( 42 )     2.   Clas s  C  t opology  Ii   Mod e  I In this  m od e, S 1   is  O N wh il e S 2   is  OF F  as s how n i Fig ure  7( a ),   the duty  r at io  is D .     V L1 = V O V C1   ( 43 )     V L2 = V S   ( 44 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Ext end e f am il y o DC - DC  quas i - Z - s ou rc c on ve rte rs   ( Mu ham mad  A do )   4547   Mod e  II: I thi s m od e, S 1   is  OFF  wh il e S 2   is  ON as s how i Fi gure  7(b ),  t he du ty   rati o   is   D = 1 D .     V L1 = V S V C1   ( 45 )     V L2 = V O   ( 46 )     Applyi ng VSB  on L 1   a nd L 2   y ie lds (47) a nd (48).     V ̅ L1 = D V O + V S V C1 D V S = 0   ( 47 )     V ̅ L2 = D V S + V O ( 1 D ) = 0   ( 48 )     Si m plifyi ng  (4 8) yi el ds     V O = D 1 D V S   ( 49 )     A c2 = V O V S = D 1 D   ( 50 )     The  (42)  A nd  ( 50)  s how  t hat  the  ideal   gains  of   t opology  I   A c1   an to polo gy  II  A c2   a re  i den ti cal   th us  they  f or m  a class  [ 47 ]   with  ga in .     A c = A c1 = A c2 = D 1 D =   ( 51 )     The gai n i n ( 51)  is t he  sam e as the  gain o tra diti on al  BB [2 14] .   The  ci rc uit  an al yse above  s how  that  the  s ix  topolo gies  f or m   three  cl asses  A,   an with  gains   giv e by  ( 17) ( 34)  a nd   ( 51)  res pecti vel fo r   each   cl ass.  Cl ass  A   and  cl ass  hav e   bee pr e viously    pr ese nted  [ 21 ] .   The  new   cl as (class  C),   sim il ar  to  the  ex ist ing   cl asses  al so   co ns ist   of   two  to polo gie with   identic al   gain   equ at io n,   a   qu asi - im ped ance  sou rce  ne twork  (q - IS N)   c om pr isi ng   of  tw in du ct or s ,   two  ca pacit ors  and tw s witc he s.   The  gains   of  t he  th ree  c la sse are  plo tt ed   a gainst  i Fi gure  9.  The   ca pacit or  C 1   an inducto L 1   form   a   series  LC  network  with  i m ped ance  Z 1   reg a rdl ess  of   operat ing   m od e,  co ntrar to  the  existi ng   topolo gies  w he re  the  series   LC  netwo r ks  are  fo rm ed  on ly   duri ng   gi ven   m od es.  This  i m plies  t hat  the  char act e risti cs o f  the t opologi es w il l be  alt er ed wh e n o per at ed  at  thei r reso nan fr e quenci es due t re son ance.       4.   OPER ATIO N S AN D APPL ICA BIL IT Y   This  sect io a naly ses  the  op erati on s   of  eac cl ass  as   D   is  var ie from   to  1.   T he  r ang e   (R D )   is   cl assifi ed  int t he  e ff ic ie nt  R D   ( 0.35  to  0.6 5)  [12,  38,   48]   a nd  gen e ral  R D   ( to   1)  t her e by   res ulti ng  in  e f fici en t   gain ra ng e  ( R A eff )  and  ge ner al  g ai n ra nge (R A ).  S uitable  a ppli cat ion f or  e ach class a re al so   discusse d.     a)   Effici ent  du ty  rat i r ange  (R D eff )   Op e r at io ns   of  com ple m entari ly   switc hed  co nv e rters   are   m or e   ef fici ent  at   R D   of  0.35  to  0.65   due  t le ss  rin ging,  re ver se   rec ov e ry   pro blem   and   cond uction  los [ 12,  38,   48,  49] This  is  be cause  wh e n   ei t her   of  the  switc hes  i op e rated  at   lowe D,   t he  oth e is  at   hig he (in verse  relat io nship thus  incr easi ng  cond uction  lo s s,  rin ging  an oth e non - ideal it ie [38] The  bounda ries  an m idp oin of  th eff ic ie nt  R D   (R Def f wer e ap plied to  the g ai eq ua ti on s of these th ree classes t analy se their gai ns  f or the R Deff . F ig ur 9(b)   sh ows   plo ts  of the  gai ns  a gainst  D f or  R Deff .     1.   Clas s  A   Applyi ng  the boun dar a nd  m idpoint Ds  of  R Def f   to  the   gai e qu at io of   c la ss  in (17),  the  res ulti ng   gains  are     A a0 . 35 = 1 0 . 35 1 2 ( 0 . 65 ) = 2 . 1667   ( 52 )     A a0 . 5 = 1 0 . 5 1 2 ( 0 . 5 ) = unde fine d   ( 53 )     A a0 . 65 = 1 0 . 65 1 2 ( 0 . 35 ) = 1 . 1667   ( 54 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om En g,   V ol.  9 , N o.   6 Dece m ber  2 01 :   4540   -   45 55   4548   T he  (53)  is  undef i ned  A a0 . 5 = 0 . 5 0   beca us div isi on  by   zero   is   un de fine d.   T he  c on cept  of  li m i i s   app li ed  to ha ve  m or e idea  on  wh at  act ually  occ urred as  D 0 . 5 .     li m D 0 . 5 A a = li m D 0 . 5 1 D 1 2D   ( 55 )     If   the  li m i of   the  functi on  ex ist at   0. 5,   th e it two  on e - s ided  li m it li m D 0 . 5 + A a   an d   li m D 0 . 5 A a   m us t   be  e qual   el se   the  li m i do e no t   exist.   li m D 0 . 5 + A a   is  t he  li m i from   the  rig ht  as   D 0 . 5   wh il li m D 0 . 5 A a   is   the lim it  to  the  le ft as  D 0 . 5 .   The   co nce pt  of   righ t - side li m it   (RSL)  and  le ft - sided  li m i (LSL)   ca be   descr i bed   us in increa sin and   decr easi ng  in  tun in g.   Wh e set   po i nt  is  app r oa ched   f r om   a   hig he su c as   bu c king  opera ti on   in  tradit ion al   BB C,  it   is  RS ( D 0 . 5   suc h   th a t   D   0 . 5 = 0 + 2D 1 ).   Wh e D   i ap proac he from     lowe su c as  boos ti ng  op e rati on  in  tr aditi on al   BB C,   it   is  an  LSL  l i m i ( D 0 . 5   such   th a t   D 0 . 5 = 0   2D 1 ).  E valuati ng the RSL  and  LS L yi el ds     li m D 0 . 5 + A a = +   ( 56 )     li m D 0 . 5 A a =   ( 57 )     li m D 0 . 5 + A a li m D 0 . 5 A a   ( 58 )     The  (58)  S hows  that  t he  one - si ded  lim its  are  no i de ntica therefo r the  li m it   do es  not  exist     at   D = 0 . 5 th us  the   co nverter   ca nnot  be   ope rated   at   D = 0 . 5 I show t hat  f or  t his  R D   (0.35   to  0.65),   the   ga in  is   disco ntinuo us   at   D = 0 . 5   beca us e   it ’s  lim it   li m D 0 . 5 A a   do e no e xist.  Th range  of   gain  f or   cl ass  ( R Aa corres pondin g t R Deff   with t he  RSL a nd LS L inc orporated  to  acc ount  for t he  disc onti nu i ty  is     R Aa e f f = [ 2 . 1667 , )   ( , 1 . 1667 ]   ( 59 )     This  disc onti nuit resu lt in   hav i ng   t wo   separ at gains   as   show by   the  two  dott ed  curves   of   Fi gure  9( b)   and   t he  two  ra ng e of  ( 59).   T hey  are  (i)  non - in ver ti ng  gai (upp e dott ed  curve  of  Fig ur 9(b))  with  range  (R Aeff = [ 2 . 1667 , )   an (ii)  t he  in ve rting  ga in  cu r ve  (l ower  do tt ed   cu rve  of  Fi gure  9(b))  wit range  (R Ae ff [ 1 . 1667 ,   )   descr i bed   a non - in ver ti ng  boos with  gai from   2 . 1667   to     and   in ver ti ng   boos with  gai n from     to   1 . 1667 .   The  the oret ic al   gain  f or  this   cl ass  is  bipol ar  with  m agn i tud > th rou g ho ut  the  R Deff   hen ce   it   functi ons  only   as  boos co nv e rter  but  la cks  buck  ca pab il it at   this  R D Sp eci al   pr ecauti on hav to  be  ta ken   to   avo i d op e rati on  within t he ne ighbou rho od of  D = 0 . 5   beca us of th e inf i nite gain .   App li ca bili ty Fo r   the   posit iv boost   ra nge  of  ( 59),  R Aa = [ 2 . 1667 , )   at   R D = [ 0 . 35 , 0 . 5 ) T his  high  boos t   on ly   capa bili ty  m akes  the  topolo gies  in  this  cl ass  su it able  fo a pp li cat ions   wh er volt age   boos ti ng  is  req ui red  li ke  f uel  cel ls.   If  the   m axi m u m   inp ut  vo lt ag m agn it ud e   is   le ss  t han  half  the  require ou tpu t   ( | V S | < 0 . 5 | V O | ),  the  c onve rter   c an  be   ope rated   withi [ 0.35,  0.5)  with  a id eal   gai ca pa bili ty   of   10V S   at   D = 0 . 4737 el se  it   sh oul be  ope rated  withi ( 0.5,  0.6 5]  duty   rati to  get  an  inv e rted  boos operati on.  By   e m plo yi ng   act ive  switc hes  (M O SFET an the ir  anti - pa rall el   dio des they   are  capa ble  of  pr ovidi ng   bidi recti on al   curr ent  and  bid irect io nal  volt age  [21] .   Su it able  a ppli cat ion base on  it the or et ic al   gain  i nclu de   hybri ene rgy   stora ge  syst e m   (H ES S)  wh e re  ene rg m ay   be  transf e rr e d   from   batter to  su pe r - c apacit or   ( SC)  and   vice  ver s a   [48] un i nterrup ti ble   powe sup ply  (U P S)   [49]   an f uel  cel ap pl ic at ion   [9]   where  hi gh   gain  i nee ded   et c.  Howe ver,  sim ulati on   resu lt ob ta ine f r om   the  veri ficat ion   sect io raises   do ub ov e the   hi gh   boos ca pab il it y.  See  the  disc us si on   sect ion   for  m ore detai ls.     2.   Clas s  B   Applyi ng  the boun dar a nd  m idpoint Ds  of  R Def f   to  the   gai e qu at io of   c la ss  in (17 ),  the  res ulti ng   gains  are     A b0 . 35 = 1 2 ( 0 . 5 ) 1 ( 0 . 5 ) = 0 . 4615   ( 60 )     A b0 . 5 = 1 2 ( 0 . 5 ) 1 ( 0 . 5 ) = 0   ( 61 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g     IS S N: 20 88 - 8708       Ext end e f am il y o DC - DC  quas i - Z - s ou rc c on ve rte rs   ( Mu ham mad  A do )   4549   A b0 . 65 = 1 2 ( 0 . 35 ) 1 0 . 65 = 0 . 8571   ( 62 )     The  gain   f or  t his  cl ass   is  c onti nuous,   it   ex ist at   D = 0 . 5   a nd  is  zero  as  sho wn  in  ( 61).  The   gain   range  is   R A beff = [ 0 . 4615 , 0 . 8571 ]   an is  bipolar   with   m agn it ud < he nce  it   funct ion s   only   as  bi po la r   bu c c onve rter  and lack  bo os t  capa bili ty  w it hin  t his R Deff   of  0.35 to  0.6 5.   Pr eca ution ha ve  to  be  ta ke to  ha nd le   the  change  in  pola rity   that  occu r at   the  neig hbour hood  of   D = 0 . 5   beca us of the  eff ect   on  pow er f l ow.   App li ca bili ty Po te ntial   ap plica ti on   co uld  b e   in  gr id - co nn ect ed  inv e rter  s yst e m   wh ere  th ESS  is  charg ed  by   higher  vo lt ag so urce  a nd   th ESS  la te po wer a in ver t er  (loa d)   at   l ow e volt age An oth e ap plic at ion   is   in  el ect ric  ve hicle   (EV)  w he r ESS  packs  ar desig ne in  hi gh e volt ages  e.g 48  tha aux il ia ry  loa ds  su c as li gh ti ng a nd  rad i syst em wh ic a re  op e r at ed  at  lo wer v oltages  of 12  or  24 V   [ 50 ] .     3.   C lass   C   Applyi ng   bo unda ry  a nd  m id po i nt  D   of  R D eff   to   the  gain   equ at io of  cl ass  in  ( 51),   the  res ulti ng  gains  are     A c0 . 35 = 0 . 35 1 0 . 35 = 0 . 5385   ( 63 )     A c0 . 5 = 0 . 5 1 0 . 5 = 1   ( 64 )     A c0 . 65 = 0 . 65 1 0 . 65 = 1 . 8571   ( 65 )     Fo r   m e m ber of   t his  cl ass,  t he  gai is  co nt inu ous  a nd  unit (=  1)  at   D = 0 . 5   as  show in  ( 64),  R Ae f f = [ 0 . 5385 , 1 . 8571 ] Their  gain  is un i po la an in ver ti ng  a nd   ca be  | 1 |   thu s h as BB   capab il it at   this  R D The  ga in  is  con ti nuous  an opera bl throu ghout  the  R D   hen ce  r equ i rin no  preca utionary   m easur e .   Con tra ry to  class A  and B,  the y are  no t ca pa bl e o f  b i directi onal  ope rati on by  v aryi ng  [21,   45] .   App li ca bili ty They  f unct ion  as  in ver te B BC by  sup plyi ng   a ideal   ou t pu volt age   that  is  53. 85   of   the  input  volt age  in  buc m od an up  to  185.7 of   the   input  vo lt a ge  in  bo os m od e.  m ajo ad va nt age  of   this cl ass is tha t t hey pose  no  con t ro l l im i ta tio n wit hi the  duty  r at io  range .   Applic at ion s   a re  sim i la to  BB app li cat ion s   with   ad de a dv a ntage of   dea a nd  overla p - ti m e   el i m inati on   tha per m it hig he f reque ncy  ap plica ti on   a nd  e nab le us a ge  of  sm al le reactiv c om po ne nts  t hus   reducin siz e,   weig ht and c ost   [16]     b)   Co m plete  du t r at i r ange  (R dgen )   Op e rati ons  of   the  three   cl asses  are  a naly sed  beyo nd   t he   R Def f   to  i de ntify  oth e ca pab il it ie of   the  co nverter at   al per m issib le   at   the  c os of  reduce eff ic ie ncy.   Fi gure  9( a s hows  plo of  the  gains   against  D for R Dgen .     1.   Clas s  A   Converte rs  in  this  cl ass  are  bette analy sed  by  con si der i ng  their  disco ntin uous   gai as   two  se par at e   curves as  sho w in  Fig ur e  9(a ).  T he first ( up per   dott ed) cu r ve  c ov e rs  R D   0 D < 0 . 5 , i t’s R A   is  1 A a < The  c onve rter  la cks  buc ca pa bili ty It  funct ion a non - inv e rtin boos t   co nv e rter  a nd   is  su it able  for   high  boos operati on.  For  t he  sec ond  c urve it   c ov e rs  t he  R D   0 . 5 < D 1   and  ha R A   as   < A a 0   w hic i m plies un ip ol ar inv erte BB   gain. I n ge ner a l, this cl ass  has  a b i po la r boos t and u nipolar   BB  capab il it y.   App li ca bili ty :   Re fer e nce  [21 ]   fo und  that  m e m ber of   cl ass  and   are  capab le   of   bi - directi onal   ener gy   trans fer   f ro m   s ource  to  load  a nd   vice  ver sa  t hu per m it t ing  fo ur  qua dr a nt  op e rati on  by  usi ng   act ive  swi tc hes  (MOSFETs a nd their a ntipara ll el  d iod e) as  S 1   and  S 2   by o nl y varying   wi thout using a ddit ion al  co m ponen ts .   Sp eci al   co ntr ol   pr eca utions  sh oul be  ta ke to  a void  operati on  in   th disco ntin uous  reg i ons.   P ot entia l   app li cat io ns   a r m ultim od ci rcu it in volvi ng  batte ry,   SC   or/ an HES S )   su c as   [50 - 53]   or  e ve in   si m pl e   batte ry - inv erte r,   un i nterru ptib le   power   sup ply  (U P S)   a nd  ot her   l oad   le velli ng   syst em wh ere  the  batte ry  m ay  be  c hargin g, di schargin g o r o sta ndby  [ 21, 54 - 56]   Anothe ap plica ti on   is  in  PV   distrib uted  ge ne rati on   ( D G)   s yst e m   [57]   or   in  sta nd al on PV   syst em   sh ow in  Fi gure  10  w he re  to po l og I s hown   i Fig ur 2(b )   is  m od ifie by  us in P ou t pu as  s uppl with  rev e r se  blo c king  diode, a  b at te ry as loa a nd  rep la ci ng  S 2   wi th an in ver te r b rid ge.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.