I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   6 ,   No .   6 Dec em b er   201 6 ,   p p .   284 6 ~ 2 8 5 4   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 6i 6 . 1 0 8 0 8          2846       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   Ev a lua tion o Va rio us Dig ital Co ntr o llers for Forw a r Co nv erte r w ith  A ctive Cla m p       Ra v ind ra   J a ng a , S us ha m a   M a la j i     De p a rt m e n o f   El e c tri c a a n d   El e c tro n ics   En g i n e e rin g ,   J NT   Un iv e rsity ,   H y d e r a b a d ,   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 1 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   J u n   3 0 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   J u l   1 4 ,   2 0 1 6     T h is  re se a r c h   p a p e p re se n ts  th e   d e sig n   issu e o f   d ig it a Co n tro ll e rs  f o F o rw a rd   Co n v e rter  w it h   A c ti v e   Clam p   c ircu it   (A CF C).   Brie f   re v ie w   o f   W o rk in g   P ri n c ip le   a n d   m a th e m a t ica m o d e li n g   o f   th e   c o n v e rter  is  f irst  g iv e n .   T h e   i m p o rtan c e   o f   Dig it a Co n tro ll e rs  f o f o rw a rd   c o n v e rter  a n d   d e sig n   p ro c e d u re   is  d e sc rib e d   in   d e tail.   A n d   th e   v a li d it y   o f   d e sig n e d   c o n tro ll e rs  a n d   a c h iev e m e n o f   d e sire d   c o m p e n sa ti o n   is  v e rif ied   b y   th e   re su lt o f   im p le m e n ted   d ig it a c o n tro ll e rs  t o   A c ti v e   c la m p   f o rwa rd   Co n v e rter  (A CF C).   F in a l ly   re su lt a re   a n a l y z e d   b y   a p p ly in g   d istu rb a n c e a b o th   S u p p ly   a n d   L o a d   e n d o f   th e   c o n v e rter.  A n d   t h e   c o n c lu si o n a re   m a d e   b a se d   o n   o b tain e d   re su lt o f   V o lt a g e   M o d e   Co n tr o ll e (V M C)  b y   c o m p a rin g   w it h   th e   re su lt o f   th e   Cu rre n t   M o d e   Co n tr o ll e (CM C) .   K ey w o r d :   A cti v cla m p   Dig ital c o n tr o ller   Dig ital r ed esi g n   Fo r w ar d   co n v er ter   Vo ltag m o d co n tr o l   Co p y rig h ©   2 0 1 6   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   R av i n d r J an g a,     R esear ch   Sch o lar ,   Dep ar t m e n t   o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics  E n g i n ee r i n g ,   J a w ah ar lal  T ec h n o lo g ical  U n i v er s it y ,     H y d er ab ad ,   T elan g an   S tate - 5 0 0 0 8 5 ,   I n d ia.   E m ail: r av in d r aj an g a @ g m a il. co m       1.   I NT RO D UCT I O N     W ith   th co n ti n u o u s   ad v a n ce m en o f   p o w er   elec tr o n ic  co m p o n en ts   s u ch   as  p o w er   MO SF E T s   an d   ML C C s ,   p r i m ar y   tr en d   i s   m o v in g   to w ar d s   h i g h   o p er ati n g   f r eq u en c ies,  w h ic h   h elp   in   r ed u cin g   t h s ize  an d   r atin g   o f   m a g n etic   co m p o n e n t s   s u c h   as   tr an s f o r m er   a n d   f ilte r   in d u cto r .   Als o   n e w   d es ig n   tr en d s   r eq u ir e   p o w er   s u p p lies   w i th   lo w   v o lta g es   an d   h ig h   c u r r en t s   f o r   T elec o m   P o w er   S u p p l y ;   Dis tr ib u ted   P o w er   s u p p l y   C ir c u its   etc.   Fo r w ar d   co n v er ter   is   p r o m is i n g   to p o lo g y   f o r   lo w   a n d   m ed iu m   p o w er   ap p licatio n s   w h er lo w   v o lta g es   at  h i g h   c u r r en t s   ar r eq u ir ed   w it h   h i g h er   e f f icien c y   [1 - 7] .   Fo r w ar d   co n v er ter   w it h   ac tiv cla m p   is   s h o w n   i n   Fig u r 1 .             Fig u r e   1 .   Fo r w ar d   C o n v er ter   w it h   A cti v C la m p       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   : 2 8 4 6     2 8 5 4   2847   A   C o n tr o ller   is   r eq u ir ed   to   g et  b etter   p er f o r m an ce   f r o m   th co n v er ter .   W ith   th ad v an ce   o f   m icr o co n tr o ller s /DSP ,   d ig ita l   co n tr o is   i n cr ea s i n g l y   u s ed   in   v ar io u s   ap p licatio n s   o f   s w itc h   m o d p o w er   co n v er ter   s y s te m s .   Di g ital  c o n tr o o f f er s   n u m b er   o f   a d v a n ta g es  o v er   an alo g   co n tr o i.e   h i g h   lev el   o f   ac cu r ac y it  i s   ea s ier   to   i m p le m en co m p u tatio n a f u n ctio n s ,   m o r f le x ib le  i n   m o d if y i n g   t h co d f o r   v ar io u s   ap p licatio n s ,   lo w   co s an d   le s s   s e n s it iv to   n o is e.   T h d is ad v an tag e s ,   h o w ev er ,   in c lu d s a m p li n g   d ela y ,   li m ited   co m p u tatio n al  p o w er   a n d   co n tr o lo o p   b an d w id th .   Nev er th e less ,   a s   t h p r ice/p er f o r m a n ce   r atio   o f   d ig ital  p r o ce s s o r s   co n tin u es  t o   d ec lin e,   d ig ital  co n tr o ller s   ar b ec o m in g   v iab le  an d   c o m p eti tiv o p tio n ,   esp ec iall y   i n   h ig h   en d   s w i tch i n g   co n v er ter   ap p licatio n s   [8 - 9] .   I n   [ 1 0 ] ,   [ 1 5 ]   s o m ef f o r ts   h av b ee n   m ad to   i m p r o v th p er f o r m a n ce   o f   t h co n v er ter   b y   d esi g n i n g   an a lo g   co n tr o ller s   b u n o   o n is   d is cu s s ed   r eg ar d in g   th d esi g n   o f   d i g ital c o n tr o ller   f o r   an   A C F C   e v en t h o u g h   it h as  m o r ad v an ta g e s .   T h Ma in   Ob j ec tiv o f   t h is   P ap er   is   to   p r esen t   d esi g n   is s u es  o f   d i g ital   co n tr o ller s   f o r   is o lated   DC - DC   C o n v er ter   a n d   to   v er i f y   th v alid it y   o f   t h d esi g n ed   co n t r o ller s   b y   ap p l y in g   d is tu r b an c es.  I n   Sectio n   2 ,   a n   o u tlin o f   th W o r k in g   P r in c ip le  o f   th C o n v er ter   is   p r esen ted .   Ma th e m atica Mo d elin g   o f   th AC F C   is   p r esen ted   in   Sectio n   3 .   Desig n   p r o ce d u r o f   th d ig ital  co n tr o ller s   f o r   co n s id er ed   co n v er ter   is   p r esen ted   in   Sectio n   4 .   I n   Sect io n   5   Si m u latio n   R es u lt s   a n d   d is c u s s io n s   ar p r esen ted   an d   f i n all y ,   t h co n cl u s io n s   ar e   m ad ab o u t th d esi g n ed   co n tr o ller s   an d   is   p r esen ted   i n   Secti o n   6.         2.   P RINCI P L E   O F   O P E R AT I O ACF C   T h B r ief   r ev ie w   ab o u th p r in cip le  o f   o p er atio n   [ 2 ]   o f   th co n s id er ed   co n v er ter   is   p r esen ted   b y   co n s id er in g   t w o   s tate s   o f   t h co n v er ter .     2 . 1 .   P o w er   T ra ns f er   Sta t e   Du r in g   t h i s   s tate  p o w er   is   tr a n s f er r ed   to   s ec o n d ar y   as  th M OSFET ,   Q 1   is   tu r n ed   o n   at  t 0 ,   t h cu r r e n t   r a m p s   u p   in   t h m ag n etizi n g   in d u c to r .   T h s ec o n d ar y   d io d D 1   co n d u ct s   a n d   D 2   i s   b l o ck ed   as  s h o w n   i n   Fig u r 2 .   T h lu m p   ca p ac ito r   C r   is   d is ch ar g ed   an d   V DS   o f   Q 1   is   al m o s ze r o .   T h leak ag in d u cto r   is   cr o s s ed   b y   t h r ef lec ted   o u tp u t i n d u cto r   cu r r en w h ic h   p ea k s   to   I m   p lu s   I s /N   as  s h o w n   i n   Fi g u r 2           Fig u r e   2 .   AC FC   D u r i n g   o n   S t ate  o f   Ma in   Mo s f et       2 . 2 .   Act iv e   Cla m p St a t e   T h is   is   th ac ti v cla m p   s tat w h er th tr an s f o r m er   p r i m ar y   i s   r eset.  Alth o u g h   t h s c h e m a tic  o f   Fig u r 3   s h o w s   a n   i m m ed iate  r ev er s al  o f   t h p r i m ar y   c u r r en t,  th tr an s itio n   f r o m   p o s it iv to   n eg ati v c u r r en t   f lo w   is   ac t u al l y   s m o o th   a n d   h ad   r ea ll y   b eg a n   d u r i n g   t h p r ev io u s   s tate  w h en   t h m a g n etizi n g   c u r r en h ad   r ea ch ed   its   m a x i m u m   p o s iti v e   p ea k   v alu e.   On   t h p r i m ar y   s id e,   Q 2   is   n o w   f u ll y   t u r n ed - o n   as   t h d if f er e n ce   b et w ee n   th in p u V in  a n d   th e   cla m p   ca p ac ito r   v o ltag is   n o w   ap p lied   ac r o s s   th tr an s f o r m er   p r im ar y .   Q 2   is   s u b j ec to   m i n i m al  co n d u ctio n   lo s s   as  o n l y   t h m a g n etizi n g   cu r r en i s   f lo w in g   t h r o u g h   th ch an n el  r es is ta n ce .   C o n v er s el y ,   o n   th s ec o n d ar y   s id e,   D is   ca r r y i n g   t h f u ll  l o ad   cu r r en th r o u g h   it s   ch a n n el  r esis tan ce   a n d   is   ex p er ien ci n g   h i g h   co n d u ctio n   lo s s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     E va lu a tio n   o f V a r io u s   Dig ita C o n tr o ller s   fo r   F o r w a r d   C o n ve r ter w ith   A ctive   C la mp   ( R a vi n d r a   Ja n g a )   2848       Fig u r e   3 .   AC FC   D u r i n g   o f f   St ate  o f   Ma in   Mo s f et       3.   M AT H E M AT I CAL M O DE L L I N G   O F   T H E   CO NV E R T E R     T o   o b s er v th b eh av io r   o f   t h co n v er ter   m at h e m atica m o d el  o f   th co n v er ter   is   r eq u i r ed .   State   s p ac a v er ag i n g   is   t h m o s co m m o n   tech n iq u to   r ep r esen p h y s ica p h en o m e n in to   m at h e m a tical  f o r m   an d   is   u s ed   h er to   m o d el  t h AC F C .   I n   d er iv i n g   t h s tate  s p ac m o d el,   th e   lea k ag e   i n d u cta n ce   o f   t h e   tr an s f o r m er   L r.   an d   th p ar asit ic  ca p ac itan ce   o f   th m ai n   s w i tch ,   C r   a r n eg lecte d   [ 8 - 12 ] .   I is   ass u m ed   t h at  th s m all   letter s   d en o tes  t h ti m v ar y i n g   q u an titi e s ,   ca p ital  letter s   d en o te  DC   q u an t ities   a n d   s m all  letter s   w i th   h at   d en o t es s m all  ac   p er tu r b atio n s .   A ls o ,   it i s   ass u m ed   th at  t h c o n v er ter   is   o p er atin g   in   co n tin u o u s   c u r r en m o d e.   I n   co n t in u o u s   c u r r en t   m o d ( C C M)   o n l y   t w o   m o d es   ex is t,   i.e .   w h en   t h p o w er   s w i tch es   Q 1   is   ON  &   Q 2   is   OFF  w h e n   s w i tch es   Q 1   is   OF &   Q 2   is   O an d   s a m h a s   b ee n   s h o w n   in   Fi g u r 2   a n d   in   Fig u r 3.   I n   o r d er   to   ex a m in e   t h e f f ec o f   lo ad   c h a n g e s   o n   t h r esp o n s o f   t h co n v er ter ,   a   cu r r e n g en er ato r   i i s   ad d ed   in   p ar allel  w it h   t h lo ad   r esis to r .   State  Sp ac Mo d el  o f   th co n v er t er   is   d esig n ed   b y   co n s id er in g   t h Ma g n etiz in g   C u r r en i m ,   cla m p   ca p ac ito r   v o ltag e   v c ,   i n d u cto r   cu r r e n i‟   a n d   t h o u tp u v o ltag v   ar th f o u r   ele m e n t s   o f   s ta te  v ec to r   x ,   w h ile  th e   i n p u v ec to r   u   h a s   v in    an d     i an d   b y   tak i n g   w ei g h ted   av er a g o f   t w o   s ta tes  o f   t h e   co n v er ter .   T h s tate  s p ac av e r ag ed   m o d el  o f   th co n v er ter   is       ̇                                 W h er A d   A ON   ( 1 -   d )   A OFF   B d   B ON   ( 1     d )   B OFF       ( 1 )     W n o w   p er tu r b   an d   lin ea r iz th co n v er ter   w av f o r m   t h is   q u ie s ce n o p er atin g   p o in t E ac h   v ar iab le  is   w r itte n   as a   s u m   o f   s tead y   s tat o r   DC   co m p o n e n t a n d   s m al l sig n al  o r   AC   co m p o n e n t a s               ̂             ̂               ̂       W h er e   ̂         ̂         ̂                   ( 2 )     Su b s ti tu t in g   E q u a tio n   2   in   E q u atio n   1   an d   n e g lecti n g   th e   h i g h er   o r d er   ter m s ,   t h E q u atio n   w h ic h   r elate s   s m al ch an g es i n   v ar iab les i .       ̂ ̇       ̂       ̂   (              )   ̂                        ̂       ̂ ̇       ̂       ̂       ̂                          (              )                              ( 3 )     Fro m   th ab o v E q u atio n   ( 3 ) ,   w o b tain   StateMa tr ices  f o th co n s id er ed   co n v er ter   ar e,         [                                                                                       ]                   [                                       ]               [                               ]                                       ( 4 )                                                                                                                                                                               4.   CO NT RO L L E DE SI G N   A   co n tr o ller   is   r eq u ir ed   to   g et   d esire d   p e r f o r m a n ce   o f   t h c o n v er ter .   T h er ar d if f er en ty p e s   o f   th e   co n tr o ller s   av ailab le  d ep en d s   u p   o n   t h s e n s i n g   s ig n als   an d ,   m o s co m m o n l y   u s ed   co n tr o l ler   is   P I   co n tr o ller   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   : 2 8 4 6     2 8 5 4   2849   b ec au s o f   it s   s i m p licit y .   B u th m a in   d r a w b ac k   o f   a n alo g   co n tr o ller   is   to tal  cir cu itr y   is   n ee d   to   b ch an g ed   to   r ep lace   c o m p en s ato r   an d   d u to   r ap id   d ev elo p m e n i n   t h Mic r o   co n tr o ller s   an d   DSP s ,   d ig ital  c o n tr o ller s   ar b ec o m i n g   a   v iab le  o n b ec au s o f   in   a   s i n g le  ch ip   w a r ab le  to   d ev elo p   d if f er en t y p es  o f   co n tr o ller   a s   p er   th r eq u ir e m e n t   [ 1 3 - 14] .   B ef o r d esig n in g   co n tr o ll er   P er f o r m a n ce   o f   t h co n v e r ter   is   n ee d   to   b o b s er v ed   b y   u s i n g   p ar a m eter s   o f   t h co n v er ter ,   P ar a m ete r s   o f   th co n v er ter   ar ca lcu lated   b y   a s s u m in g   r eq u ir ed   s p ec if icatio n s .   T h d esig n ed   p ar a m eter s   o f   t h co n v er ter   ar s h o w n   i n   tab le1 .       T ab le  1 P ar am eter s   o f   AC F C   P a r a me t e r   S y mb o l   Ty p i c a l   I n p u t   V o l t a g e   V i n   48V   O u t p u t   V o l t a g e   V 0   5V   D u t y   C y c l e   D   0 . 3 5 - 0 . 7   F u l l   L o a d   Ef f i c i e n c y   η   9 0 %   O u t p u t   L o a d   C u r r e n t   I 0   20A   S w i t c h i n g   F r e q u e n c y   F s   1 0 0 K H z   O u t p u t   F i l t e r   c o mp o n e n t s   L o   &   C o   8 µ H   &   5 9 0 µ F   M a g n e t i z i n g   I n d u c t a n c e   &   C l a mp   c a p a c i t o r   L m &   C c   1 0 0 µ H &   1 0 0 n F       Fro m   th f r eq u en c y   r esp o n s it  is   o b s er v ed   th at  th co n v er te r   h av i n g   lo w   p h a s m ar g i n 1 0 . 7 d eg r ee   at  1 1 . 1   KHz .   T o   im p r o v p h as m ar g in   to   6 0   d eg r ee s   an d   to   attain   a   cr o s s o v er   f r eq u e n c y   o f   f c =2 0   k Hz   co m p e n s ato r   is   r eq u ir ed .   Dif f e r en m et h o d s   ar av ailab le  t o   d esig n   co n tr o ller   f o r   S w itc h i n g   C o n v er ter .       4 . 1 .   Co ntinuo us - T i m Co ntr o ller   Fro m   th f r eq u e n c y   r e s p o n s o f   A C F C   w it h o u t c o m p en s ato r ,   it is   o b s er v ed   th at  u n co m p e n s ated   lo o p   g ain   h as  m a g n itu d at  2 0   KHz   o f   ap p r o x i m atel y   - 1 0 . 6   d B .   So   to   o b tain   u n it y   g a in   at  2 0   k Hz  t h e   co m p e n s ato r   s h o u ld   h a v g a in   o f   +1 0 . 6 d B .   T o   im p r o v th e   p h ase  m ar g in   P co m p en s a to r   is   n ee d ed .   T h d g ain   is   g i v e n   b y                   =4                                                                                                                         ( 5 )     T o   o b tain   co m p en s ato r   g ai n   o f   1 0 . 6   d B   th lo w   f r eq u e n c y   co m p e n s ato r   g ai n   m u s t b e                                                                    ( 6 )     T h tr an s f er   f u n ctio n   o f   P co m p e n s ato r   is :                                                                                                               ( 7 )                                                                                                          E v en   t h o u g h   t h tr an s ie n r es p o n s o f   th s y s te m   i m p r o v e s   th er is   s tead y   s tate  er r o r .   T h lo w   f r eq u e n c y   r eg u lat io n   ca n   b f u r t h er   i m p r o v ed   b y   ad d itio n   o f   a n   in v er te d   ze r o .   B y   in tr o d u cin g   th ze r o   at  2 0 0 0 Hz  w h ic h   is   o n ten t h   o f   cr o s s o v er   f r eq u en c y   t h s tead y   s tate  er r o r   ca n   b r ed u ce d .   T h tr an s f er   f u n ct io n   o f   P I   co m p e n s ato r   is               .   T h to tal  tr an s f er   f u n ctio n   o f   t h P I co m p en s ato r   is   g i v e n   ac co r d in g   to   th E q u atio n                                                                                                 ( 8 )        B y   s i m u lati n g   th co n s id er ed   co n v er ter   in   t h M A T L A B   So f t w ar e   it  is   o b s er v ed   th at  r eq u ir ed   p h ase  m ar g in   an d   ze r o   v o lt  s w itc h i n g   i s   ac h i ev ed   w ith   th h elp   o f   d esi g n e d   co n tr o ller .   Fig u r 4   S h o w s   o u tp u v o lta g w av e   f o r m   o f   t h co n v er ter   w ith   C o n ti n u o u s   ti m P I C o n tr o ller .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     E va lu a tio n   o f V a r io u s   Dig ita C o n tr o ller s   fo r   F o r w a r d   C o n ve r ter w ith   A ctive   C la mp   ( R a vi n d r a   Ja n g a )   2850       Fig u r e   4 .   Ou tp u t V o lta g W av ef o r m   o f   AC F C   w it h   P I C o m p e n s ato r       4 . 2 .   Dis cr et e - T i m Co ntr o lle r   T h er e   ar d if f er e n m et h o d s   av ailab le  to   d es ig n   d i g ital   co n tr o ller s   f o r   s w itc h in g   co n v er ter .   T h av ailab le  m et h o d s   to   d es ig n   d ig ital   co n tr o ller s   ar ( i)   Di g ita R ed esi g n   Me t h o d   a n d   ( ii)  Di r ec Dig i tal  d esi g n   Me th o d   [ 8 ] .       4 . 2 . 1 .   Dig it a l R edesig n M e t ho d   I n   th i s   m et h o d ,   f ir s co n tr o ller   is   d esig n ed   in   co n ti n u o u s   ti m w it h   th h elp   g e n er alize d   p r o ce d u r e   an d   th e n   d es ig n ed   co n tr o ller   i s   tr an s f o r m ed   in to   d ig ital   f o r m   to   ac h ie v to   g et  d esire d   p er f o r m an ce   f r o m   t h e   co n v er ter .   T o   tr an f o r m   th c o n tin u o u s - ti m co n tr o lle r   in t o   d ig ital  f o r m   d if f er en tec h n iq u es  ar av ailab le.   T ab le   2   s h o w s   th tr an s f o r m at io n   m et h o d s   an d   ass o ciate d   E q u atio n s   to   d is cr etize   co n tin u o u s   ti m m o d el  i n to   d ig ital  f o r m .       T ab le  2 .   Dis cr etiza tio n   Me th o d s   D i scre t i z a t i o n   M e t h o d   Z -   d o mai n   T u st i n   M e t h o d                               Z e r o   O r d e r   H o l d   M e t h o d   u ( t ) = u [ k ]           k T s≤ k ( k + 1 ) t s   F i r st   O r d e r   H o l d   me t h o d   u ( t ) =   u [ k ] +                                        M a t c h e d   P o l e   Z e r o   M e t h o d   Z = e sT       T u s tin   Me t h o d   tr an s f o r m s   th w h o le  lef h al f   p lan o f   th s - d o m ai n   i n to   th i n s id u n it  cir cle  o f     z - d o m ai n .   T h Z OH  d ev ice  g en er ate s   co n tin u o u s   in p u s ig n al  u   ( t)   b y   h o ld in g   ea ch   s a m p le  v al u u   [ k ]   co n s ta n o v er   o n e   s a m p le  p er io d .   First - o r d er   h o ld   ( FOH)   d if f er s   f r o m   Z OH  b y   t h u n d er l y in g   h o ld   m ec h a n i s m .   T o   tu r n   t h i n p u s a m p les   u   [ k ]   i n to   u   ( t)   co n tin u o u s   i n p u t ,   FOH   u s es  lin ea r   i n ter p o latio n   b et w ee n   s a m p le s .   T h is   m e t h o d   is   g e n er all y   m o r ac cu r ate  th a n   Z O f o r   s y s te m s   d r iv en   b y   s m o o th   in p u t s . Ma tch ed   p o le  ze r o   m e th o d   p r eser v es  t h p o le  ze r o   lo ca tio n   b u t   th er is   a n   alia s in g   e f f ec i n   t h i s   m et h o d .   An d   th i s   m eth o d   g i v es  al m o s s i m ilar   r es u lts   o f   T u s tin   ap p r o x i m a tio n . W it h   th h elp   o f   ab o v tr an s f o r m atio n   m et h o d s ,   th d esig n ed   co n tin u o u s   ti m co n tr o ller   ( 8 )   is   tr an s f o r m ed   in to   d ig ital  f o r m   b y   co n s id er in g   th s a m p l in g   f r eq u en c y   5 e - 6   Hz  an d   t h o b tain e d   d ig ital c o n tr o ller s   ar as f o ll o w s ,     T u s tin   Me t h o d =                                                                                ( 9 )     Z er o   o r d er   h o ld   Me th o d =                                                                                ( 1 0 )     First o r d er   Ho ld   Me th o d =                                                                                ( 1 1 )     Ma tch ed   P o le  Z er o   Me th o d                                                                               ( 1 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   : 2 8 4 6     2 8 5 4   2851   W ith   th h elp   o f   ab o v tr an s f er   f u n ct io n s   o f   d ig i t al  co n tr o ller s ,   co n s id er ed   co n v er ter   is   s i m u lated   in   MA T L A B   s o f t w ar e.   Fi g u r 5   s h o w s   th Si m u lin k   m o d el  o f   AC F C   w it h   Di s cr ete  ti m co n tr o ller   an d   Fig u r r ep r esen ts   v ar iatio n   o f   o u tp u w a v e f o r m   w it h   d if f er en t t y p e s   o f   d ig ital c o n tr o ller s .               Fig u r e   5 .   Si m u li n k   Mo d el  o f   AC F C   w it h   Dis cr ete - ti m P I C o m p en s ato r     Fig u r e   6 .   Var iatio n   o f   Ou tp u v o ltag w a v e f o r m   o f   AC F C   w it h   Dis cr ete - ti m P I C o m p en s ato r s       4 . 2 . 2 .   Dire ct   Dig it a l D esig M e t ho d   T o   d esig n   d i g ital  co n tr o ller   b y   d ir ec d i g ital  d esi g n   m e th o d ,   f ir s t,  it  n ee d s   to   tr an s f o r m   c o n tin u o u s - ti m e   m o d el  o f   AC F C   in to   Dis cr ete  ti m e   Mo d el  [ 1 4 ]   an d   t h e n   n ee d   to   d esi g n   a   d ig i tal  co n t r o ller   d ir ec tly   i n   t h e   d ig ital  d o m ai n   b y   u s in g   m atc h ed   p o le  ze r o   m et h o d .   W ith   t h h elp   o f   m atch ed   p o le - ze r o   m et h o d   co n tin u o u s   m o d el  o f   AC F C   is   tr an s f o r m e d   in   to   d ig ital  f o r m . T h Dis cr ete - ti m T r an s f er   f u n ctio n s   o f   A C FC   ar s h o w n     in   ( 1 3 - 18 ) .                                                                        ( 1 3 )                                                                        ( 1 4 )                                                              ( 1 5 )                                                                  ( 1 6 )                                                                         ( 1 7 )                                                             ( 1 8 )     T h d esig n ed   d i s cr ete - ti m m o d el  o f   A C F C   i s   v er y   s u itab l e   to   d esig n   t h d i g ital  co n tr o ller   d ir ec tl y   b y   u s i n g   R o o lo cu s   tec h n iq u e.   Fro m   t h r o o lo cu s   o f   co n v er ter ,   it  is   o b s er v ed   th at  t h p o les  ar lo ca ted   at   0 . 9 6 6 +/ - 0 . 0 8 9 6 i . w h ich   ar v e r y   n ea r er   to   th u n it  cir cle,   i in d icate s   t h at  t h s y s te m   is   v er y   n ea r er   to   th co n d itio n al  s tab il it y .   No w   b y   u s i n g   p o le  p lace m en tech n iq u d ig ital  P I co n tr o ller   is   d esig n ed   to   i m p r o v e   th s tab ilit y   li m it  a n d   P h ase  m ar g i n   o f   t h co n v er ter   b y   lo ca tin g   t h ze r o s   at  Z =0 . 9 9 , 0 . 9 7 1 7   an d   p o les  at   Z =1 , 0 . 7 2 1 4 Fig u r 7   r ep r esen ts   t h o u tp u v o lta g w a v e f o r m   o f   AC F C   w it h   d ig ital  co n tr o ller   d esig n ed   b y   d ir ec t d ig ital d esig n   m eth o d . T h d esig n ed   d ig ita l   co n tr o ller   is   r ep r esen ted   b y   ( 19 ) .                                                                                           ( 1 9 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     E va lu a tio n   o f V a r io u s   Dig ita C o n tr o ller s   fo r   F o r w a r d   C o n ve r ter w ith   A ctive   C la mp   ( R a vi n d r a   Ja n g a )   2852                         Fig u r e   7 .   Ou tp u t V o lta g W av ef o r m   o f   AC F C   w it h   Dir ec t D ig ital D e s i g n   C o m p en s ato r       4 . 3 .   T wo - L o o Co ntr o ller   Fro m   th ab o v r esu lt s ,   it  is   o b s er v ed   th at  w ar ab le  to   g et  ze r o   v o lt ag e   r eg u la tio n   b u ag ai n   to   i m p r o v p er f o r m an ce   o f   t h co n v er ter   t w o   lo o p   co n tr o ller s   ar e   r eq u ir ed   [ 1 5 - 17] .   A u t h o r s   ar p r esen ted   a   p ap er   [ 1 5 ]   t o   d esig n   t w o   lo o p   co n tr o ller   f o r   Fo r w ar d   C o n v er ter   w it h   th ac ti v cla m p   cir cu it.  W ith   t h h elp   o f   m at h e m a tical  an al y s i s   p r esen ted   in   [ 1 5 ]   an d   b y   u s in g   ab o v d is cr etizin g   m et h o d s   a   t wo   lo o p   co n tr o ller   is   d esig n ed .   An d   th co r r esp o n d in g   E q u a tio n s   ar as  f o llo w s :                                                                                   (2 0 )                                                                ( 2 1 )     An d   b y   co n s id er in g   t h s lo p e s   o f   s e n s ed   v o lta g an d   c u r r en s i g n al  d u t y   c y cle  E q u a tio n   is   d er iv ed   an d   i n   s h o w n   in   E q u a tio n   ( 2 2 ) :       ̂             ̂           ̂                  ̂   (                )          ̂           ( 2 2 )     w h er     (             )     An d   th d u t y   c y cle  E q u atio n   i s   s p lit in to   d if f er e n t p ar ts ,                                                               (                )        ( 2 3 )     No w   w i th   t h e   h elp   o f   co m p l ete  s m a ll  s i g n al  m o d el  b lo c k   d iag r a m   o f   A cti v C la m p   F o r w ar d   C o n v er ter   ( AC FC )   w it h   Av er ag C u r r en Mo d C o n tr o ( A C M C )   is   s h o w n   i n   F ig u r e   8 .   An d   is   s i m u lated   in   M A T L A B   s o f t w ar co r r esp o n d in g   r esu lt s   ar s h o w n   i n   Fig u r 9 .   I t   r ep r esen ts   o u tp u t   v o ltag e   w av e f o r m   o f   AC FC   w it h   Dis cr ete  ti m t w o - lo o p   co n tr o ller .             Fig u r e   8 .   B lo ck   Dig r a m   R ep r esen tat io n   o f   AC F C   w it h   T w o - L o o p   C o n tr o ller     Fig u r e   9 .   Ou tp u t V o lta g Wa v ef o r m   o f   AC F C   w it h   T w o - L o o p   C o n tr o ller   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   : 2 8 4 6     2 8 5 4   2853   5.   R E SU L T S AN D I SCU SS I O N   Fro m   th o b tain ed   r es u lts ,   it  i s   o b s er v ed   th at  th ze r o   v o lta g r eg u latio n   i s   ac h ie v ed   b y   t h d esig n ed   co n tr o ller s .   T h co m p ar ati v o u tp u w a v f o r m s   o f   d ig ita r ed esig n   m et h o d     r ep r esen th T u s tin   m et h o d   is   g iv in g   t h m o r ac cu r ate  ap p r o x i m at io n   f o r   th e   co n ti n u o u s - ti m co n tr o ller s   a n d   to   d esig n   d ig ital   co n tr o ller   b y   d ir ec d i g ital  d es ig n   m et h o d   m atch ed   p o le  ze r o   m et h o d   i s   p r ef er ab le.   T o   an aly ze   th p er f o r m an ce   o f   t h e   d esig n ed   co n tr o ller s   d is tu r b an ce   is   ap p lied   at  b o th   en d s   o f   th co n v er ter .   A   li n s tep   ch a n g o f   5 is   ap p lied   an d   5 0 o f   lo ad   s tep   ch a n g e   is   ap p lied .   B y   an al y zi n g   t h p er f o r m an ce   an d   i n   i m p le m e n t atio n   p o in o f   v ie w   as  co m p ar ed   to   c o n tin u o u s   t i m co n tr o ller s   d ig ital  co n tr o ller s   ar p r ef er ab le.   A s   co m p ar ed   to   th s in g le   lo o p   co n tr o ller ,   t w o   lo o p   co n t r o ller s   g i v i n g   b etter   p er f o r m a n ce .   An d   it   is   o b s er v ed   t h at   s i n g le   lo o p   co n tr o ller   h as  s o m d r a w b ac k s ,   i.e .   an y   c h a n g i n   li n o r   lo ad   m u s f ir s b s en s ed   as  an   o u tp u ch a n g an d   th e n   co r r ec ted   b y   th f ee d b ac k   lo o p .   T h is   u s u all y   m ea n s   s lo w er   r esp o n s e.   T h o u tp u f ilter   ad d s   t w o   p o les  to   th co n tr o lo o p   r eq u ir in g   eit h er   a   d o m i n a n t - p o le  lo w   f r eq u e n c y   r o ll - o f f   at  t h er r o r   a m p li f ier   o r   an   ad d ed   ze r o   in   th co m p e n s at io n .   C o m p en s a tio n   is   f u r t h er   co m p licated   b y   t h f ac t h at  t h lo o p   g ai n   v ar ies  w it h   i n p u t   v o ltag e.   An d   t h t w o   lo o p   co n tr o ller   h as  th ad v an ta g e s   o f   s i m p ler   d y n a m ics,  r o b u s w id b an d w id t h   o u tp u t   v o ltag co n tr o l ,   i n h er en p r o tectio n   ag ain s ex ce s s i v s w itc h   cu r r en ts   o n   c y cle  b y   c y cle  b asis   an d   t r an s f o r m er   s at u r atio n   p r o b lem   is   r ed u ce d /el i m i n ated       6 .     CO NCLU SI O N   T h is   p ap er   p r esen ts   t h s tep - by - s tep   d esi g n   p r o ce d u r to   d esig n   d ig ital  co n tr o ller s   f o r   an   A cti v e   C la m p   Fo r w ar d   C o n v er ter   ( AC F C ) .   B y   co m p ar in g   t h o b t ain ed   r esu lts   o f   t h d esi g n ed   co n tr o ller s   b ilin e a tr an s f o r m atio n   is   r ec o m m e n d e d   to   d esig n   d is cr ete - ti m co n tr o ller   b y   d ig ital  r ed esi g n   m et h o d   an d   th P o le   ze r o   m atc h i n g   m et h o d   is   p r ef er r ed   to   d esig n   d ig ital  co n tr o ller   b th d ir ec d ig ital  d esi g n   m et h o d .   T o   g et  b etter   p er f o r m an ce   f r o m   t h e   co n v er ter   t w o   lo o p   co n tr o ller   is   d esig n ed   a n d   r es u lt s   ar co n f ir m ed   t h at  a s   co m p ar ed   to   s in g le  lo o p   co n tr o ller   t w o - lo o p   co n tr o ller   g iv i n g   b etter   p er f o r m a n ce .   Fin al l y   Si m u latio n   r es u lts   ar p r esen ted   f o r   4 8 i n p u A C F C .   T h v alid it y   o f   th d esig n ed   d ig ital   co n tr o ller   is   co n f ir m ed   b y   th e   Si m u l atio n   r esu lts   b y   ap p l y in g   d is tu r b an ce s   at  lo ad   en d   as  well  as a t th e   s u p p l y   e n d .       RE F E R E NC E S   [1 ]   T h e   Histo ry   o f   th e   f o rwa rd   c o n v e rter b y   Ru d y   S e v e rn s.   T a n ,   F . D.,     [2 ]   T h e   f o rwa rd   c o n v e rter:  f ro m   th e   c las sic   to   th e   c o n tem p o ra r y ,   A P EC  2 0 0 2 ,   1 0 - 1 4   M a rc h   2 0 0 2 ,   P a g e s: 8 5 7     8 6 3 .     [3 ]   F o n ta n   A ,   Ollero   S,   d e   la   Cru z   E .   S e b a stian   J,  " Pea k   c u rr e n mo d e   c o n tro a p p li e d   to   th e   fo rwa r d   c o n v e rte wit h   a c ti v e   c la mp " ,   P o w e El e c tro n ics   S p e c ialists Co n f e re n c e .   1 9 9 8 ,   v o l .   I,   p p . 4 5 - 5 1 .   [4 ]   Ac ti v e   Cla m p   a n d   Re se t   Tec h n iq u e   En h a n c e F o rw a rd   Co n v e rte P e rf o rm a n c e ,   P o w e S u p p ly   De sig n   S e m in a S EM 1 0 0 0 ,   T o p ic  3 ,   b y   Bil   n d r e y c a k ,   T e x a s In stru m e n ts  L it e ra tu re   No .   S L UP1 0 8 . YES   [5 ]   De sig n in g   f o Hig h   e f f icie n c y   w it h   a c ti v e   c la m p   UCC2 8 9 1   P W M   c o n tr o ll e r” ,   a p p li c a ti o n   re p o rt,   T e x a s   In stru m e n ts.   [6 ]   Ch risto p h e   P .   Ba ss o .   S w it c h   m o d e   p o w e su p p li e s” ,   T h e   M c G ra w.Hil Co m p a n ies ,   P a g e s:7 3 9   -   7 9 5 .   [7 ]   Ac ti v e   Cla m p   T ra n s f o r m e r   Re se t:   Hig h   S id e   o L o w   S id e ? .   A p p li c a ti o n   n o te,  S L U A 3 2 2 - S e p tem b e r - 2 0 0 4 ,   T e x a In stru m e n ts.   [8 ]   Y.Du a n ,   H.Ji n   Dig it a Co n tro l ler De sig n   f o s w it c h m o d e   P o w e Co n v e rters ,   IEE E 1 9 9 9 .   [9 ]   S ma ll   si g n a d isc re te  ti me   mo d e li n g   o d i g it a ll y   c o n tro ll e d   DC - DC  Co n v e rte rs ”  Dra g a n   M a k si m o v a n d   Re g a n   Zan e   (2 0 0 6   IEE CO M P EL   W o rk sh o p ).     [1 0 ]   V ij a y a   S a n ja y   Ra jg u ru   Bh a lch a n d ra   Ne m i c h a n d   Ch a u d h a ri   M o d e ll in g   a n d   Co n tro o f   A c ti v e   C lam p   F o r w a rd   Co n v e rter w it h   Ce n tre T a p   T ra n s fo rm e r” ,   IET J o u rn a o Res e a rc h   V o l u m e   6 1 ,   Iss u e   5 ,   2 0 1 5 ,   p a g e 4 4 7 - 4 5 6 .   [1 1 ]   S a n jee v   Ku m a r   P a n d e y , S   P a ti l, V ij a y a   S   Ra jg u ru   Iso la ted   Fl y b a c k   Co n v e rte r   De sig n in g ,   M o d e li n g   a n d   S u it a b le   Co n tro S tr a teg ies F if th   I n tern a ti o n a Co n f e re n c e   o n   A d v a n c e in   P o w e El e c tro n ics   a n d   In stru m e n tatio n   En g in e e rin g ,   2 0 1 4 ,   p a g e s;   47    58   S e a rc h DL   ID : 0 2 . P EIE . 2 0 1 4 . 5 . 1 5 .   [1 2 ]   Ro b e rt  W .   Eri c k so n ,   Dra g a n   M a k sim o v i c   Fu n d a me n ta ls  o p o we e lec tro n ics ,   S p rin g e p u b li c a ti o n s,  2 nd   e d it io n ,   S p rize P u b li c a ti o n s.   [1 3 ]   Ra v in d ra   Ja n g a ,   S u sh a m a   M a la ji   Dig it a ll y   c o n tro ll e d   Active   Cla mp   Fo rw a rd   Co n v e rte wit h   S m a ll   S ig n a l   Disc re te - ti me   M o d e li n g ,   c o n f e re n c e   p ro c e e d in g IEE ICCCi  p a g e   1 - 6 ,   Ja n   2 0 1 4 ,   DO I:   1 0 . 1 1 0 9 /ICCCI . 2 0 1 4 . 6 9 2 1 8 4 6 .   [1 4 ]   L ip in g   G u o ,   Jo h n   Y.Hu m g   a n d   R. M . Ne lm Dig it a c o n tro l ler   d e sig n   o Bu c k   a n d   Bo o st  Co n v e rt e rs   Us in g   Ro o t   L o c u s T e c h n iq u e ,   I EE c o n f e re n c e   p ro c e e d in g s,   2 0 0 3   p p .   1 8 6 4 - 1 8 6 9 .   [1 5 ]   Ra v in d ra   Ja n g a ,   S u sh a m a   M a laji  Ave ra g e   C u rr e n mo d e   c o n tro l ler   a p p li e d   to   Active   Cla mp   Fo r wa rd   C o n v e rte r   wit h   C u rr e n Do u b ler   F u ll - w a v e   Rec ti fi e r” ,   Co n f e re n c e   p ro c e e d in g in   IEE E   ICA RET - 2 0 1 3 ,   S e a rc h DL   ID:   0 3 . A ET S . 2 0 1 3 . 2 . 2 3 ,   P u b li c a ti o n   Ye a r:  2 0 1 3 ,   P a g e (s):  1 1 8     1 2 2 .     [1 6 ]   W a k h y u   Dw io n o   F u z z y   P C o n tro ll e rs  P e rf o rm a n c e   o n   Bo o st   C o n v e rter  In tern a ti o n a l   Jo u r n a o f   El e c tri c a a n d   Co m p u ter E n g in e e rin g   ( IJ ECE )   V o l .   3 ,   No .   2 ,   A p ril   2 0 1 3 ,   p p .   2 1 5 ~ 2 2 0   IS S N:  2 0 8 8 - 8 7 0 8 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     E va lu a tio n   o f V a r io u s   Dig ita C o n tr o ller s   fo r   F o r w a r d   C o n ve r ter w ith   A ctive   C la mp   ( R a vi n d r a   Ja n g a )   2854   [1 7 ]   Ola d im e ji   Ib ra h i m ,   S u ly m a n   A .   Y.  Am u d a ,   Ol a tu n ji   O.  M o h a m m e d ,   G a n i y u   A .   Ka re e m   P e rf o r m a n c e   Ev a lu a ti o n   o f   T h re e   P ID  C o n tr o ll e T u n in g   A l g o rit h m   o n   a   P ro c e ss   P lan t”   ( IJ ECE V o l .   5 ,   N o .   5 ,   Oc t o b e 2 0 1 5 ,   p p .   1 0 7 5 ~ 1 0 8 2   IS S N:  2 0 8 8 - 8 7 0 8 .       B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS       M r . Ra v in d r a   J a n g a ,   b o r n   o n   1 4 th   A p 1 9 8 4 ,   in   G u n t u r,   A . P . ,   In d i a .   Ob tain e d   h is  B . T e c h   d e g re e   in   2 0 0 7   f ro m   CREC,   Ch il a k a l u rip e a n d   M . T e c h   d e g re e   in   2 0 1 0   w it h   a   sp e c ializa ti o n   i n   El e c tri c a Co n tr o S y ste m s   f ro m   G o v t. Co ll e g e   o f   En g in e e rin g   P u n e .   P re se n tl y   h e   is  w o rk in g   a s   A s st.   P r o f e ss o in   El e c tri c a &   El e c tro n ics   En g in e e rin g   De p a rtm e n t,   Ba p a tl a   Co ll e g e   o En g in e e rin g ,   Ba p a tl a .   A n d   p u rsu i n g   P h . D .   a t   JN T   Un iv e rsit y ,   H y d e ra b a d .   His  re se a rc h   in tere sts   in c lu d e   a c - d c   c o n v e rters   w it h   p o w e fa c to c o rre c ti o n   a n d   m o d e li n g ,   a n a ly sis  &   Co n tro o f   S w it c h i n g   Co n v e rters .         Dr .   M .   S u sh a m a ,   b o rn   o n   8 th   F e b   1 9 7 3 ,   i n   Na lg o n d a   ,   a   s m a ll   to w n   n e a r   Na g a rju n a   S a g a r,   A . P . ,   In d ia  . Ob tai n e d   h e B.   T e c h   d e g r e e   in     1 9 9 3   a n d   M . T e c h   d e g re e   i n   2 0 0 3   w it h   a   sp e c ializa ti o n   in   El e c tri c a P o w e S y ste m s   f ro m   Ja wa h a rlal   Ne h ru   T e c h n o lo g i c a Un iv e rsit y ,   IND I A .   S h e   o b tai n e d   h e P h . D.  f ro m   JN T UH ,   H y d e ra b a d ,   In d ia  i n   2 0 0 9   in   t h e   a re a   o f   P o w e Qu a li ty   u sin g   W a v e let  T ra n s f o r m s.   P re se n tl y   sh e   is  w o rk in g   a P ro f e ss o r   in   De p a rtme n t   o f   EE E,   JN T U Co ll e g e   o f   En g in e e rin g ,   Ku k a tp a ll y ,   a n d   Hy d e ra b a d .   He re se a rc h   in tere sts  in c l u d e   P o w e Qu a li ty ,   Wav e let  T r a n sf o r m s,  a n a ly sis  &   Co n tro o f   S w it c h i n g   Co n v e rters ,   Ne u ra &   F u z z y   e x p e rt  S y ste m s.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.