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 ring   ( I J E CE )   Vo l.   9 ,   No .   6 ,  Dec em b er   201 9 ,   p p .   4 4 9 3 ~4 5 0 6   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v9 i 6 . p p 4 4 9 3 - 4506          4493       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   Va ria ble struc tur e control  for a n is o la ted  bo o st conv erte r  used  in f uel  cell  a pp lic a tions       S.  Vij a y a   M a dh a v i,  G .   T ula s i R a m   Da s   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 ,   Ja w a h a rlal  N e h ru   T e c h n o l o g ica l  Un iv e rsity ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Oct  2 4 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   J u n   2 4 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   J u l 4 ,   2 0 1 9       In   re c e n t  y e a rs  f u e l  c e ll s  h a v e   b e c o m e   p ro m in e n t  a s  a n   a lt e rn a ti v e   so u rc e   o f   e n e rg y   to   m e e t  th e   so c iet y ’s  e n e r g y   re q u ire m e n ts.  A   c o n tro l  stra teg y   d e riv e d   f ro m   v a riab le  str u c tu re   th e o ry   k n o w n   a s  S li d in g   M o d e   Co n tr o l  ( S M C)  w a s   p ro p o se d   f o r  a n   Iso late d   B o o st   t o p o lo g y   w h ich   w a s  m o stl y   u se d   in   f u e l  c e ll   s y ste m s.  Co n v e rter  o p e ra ti o n   a n d   it s   d e tailed   m a th e m a ti c a l  m o d e ll in g   a re   a lso   p re se n ted .   T h e n   th e   c o n v e rter  w it h   th e   c o n tr o l  st ra teg y   su g g e st e d   is  sim u late d   in   M ATLA B/S IM UL I NK   a n d   c o m p a re d   w it h   o th e r  c o n tr o ll e rs.  T h e   re su lt s  sh o w   th a t   tran sie n t   re sp o n se   o f   t h e   c o n v e rter  is  v e r y   f a st  a n d   ste a d y   sta te erro r  is r e d u c e d   th r o u g h o u t  t h e   lo a d   c h a n g e   p e rio d   w it h   p ro p o se d   c o n tro l  to p o lo g y .   K ey w o r d s :   Fu el  ce ll s   I s o lated   f u ll b r id g e  b o o s t  co n v er ter   S lid in g   m o d e  co n tr o l   V ar iab le  s tr u ct u r e  th eo r y   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 :   S.  Vij ay a  Ma d h a v i,   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 ,   J a w ah ar lal  Ne h r u   T ec h n o lo g ic al  Un i v er s it y ,   H y d er ab ad ,   T elan g an a,   I n d ia .   E m ail:  v ij a y a. m ad h av i8 3 @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N     As  f o s s i l  f u e l  r eser v es  ar e   ex h au s ti n g ,   en v ir o n m e n t  i s   p o ll u ted   d u e   to   g as  e m i s s io n s   an d   as  e n er g y   d em a n d s   ar e  in cr ea s in g   a n   e m er g e n c y   s it u atio n   ar is e s   t o   s ea r ch   f o r   a n   alter n ati v e  s o u r ce   o f   e n er g y .   As  a  r esu lt  v ar io u s   r en e w ab le   en er g y   s o u r ce s   h a v e  b ee n   ex p lo r ed   an d   Fu el  ce lls   ar is e  as  th e  m o s t  e f f icien t   alter n ati v e  e n er g y   s o u r ce s   b ec au s e  o f   i ts   ad v an ta g e s   li k e  r ef u el  ab ilit y ,   p r o d u cin g   v er y   lo w   e m i s s io n s ,   p o r tab le  in   s ize,   litt le  m a in t en an ce   etc.   I n   s p ite  o f   t h es e  b en ef it s   th e  p r ice  o f   f u e l   ce ll  is   its   m ai n     co n s tr ain t  [ 1 ,   2 ] .   Fu el  ce ll  i s   an   elec tr o   ch e m ical  d e v ice  wh ich   g i v es   elec tr icit y   b y   co m b i n in g   h y d r o g e n   a n d   o x y g en   w i th o u t  an y   co m b u s t io n   p r o d u cin g   w ater   a n d   h ea t.  T h e  o u tp u t  v o ltag e  o f   th e s e  f u el  ce l ls   lar g e l y   v ar ies  u n d er   v ar iab le  lo ad   co n d itio n s   an d   i s   also   v er y   lo w   in   m ag n it u d e.   T h is   lo w   v o ltag e  m u s t  b e  r aised   to   p ea k   o f   th e  u ti lit y   to   in te r co n n ec t  f u el  ce l ls   to   g r id .   T h er ef o r e  DC - D C   co n v er ter s   w h ich   b o o s t  th e  v o lta g e  to   th e  r eq u ir ed   lev el  ar e  n ec e s s ar y   to   co n n ec t  f u el  ce lls   to   u tili t y   lo ad s .   Ma n y   m o d els  o f   D C - D C   c o n v er ter s   ar e  m en tio n ed   i n   th e  p r ev io u s   s u r v e y   p ap er s   w h ic h   ar e  ac ce p tab le  f o r   f u el  ce ll  ap p lic atio n s .   Fro m   th e  s u g g e s ted   to p o lo g ies  in   th e  liter at u r e  [ 3 - 5 ]   I s o lated   F u ll B r id g e   to p o lo g y   w a s   m o s t  e f f icien t  an d   ac ce p tab le  f o r   u s e  i n   f u el  ce lls .   T h e  m ai n   ad v a n tag e s   o f   is o lated   f u ll  b r id g e   to p o lo g y   ar e  p o s s ib ilit y   o f   ap p ly in g   s o f t  s w it c h i n g   t ec h n iq u es,  r ea s o n ab le  d ev ic e  v o lta g e  r atin g s ,   less   tr an s is to r   v o lta g e  an d   cu r r en t  s tr es s ,   p o s s ib ilit y   o f   co n n ec ti n g   d ev ices  i n   p ar allel  to   ac h iev e  d esire d   p o w er   lev els a n d   h i g h   ef f icie n c y   an d   g al v a n ic  is o latio n .     Un d er   v ar y i n g   lo ad   an d   v ar y in g   in p u t   v o lta g e  co n d itio n s   DC - D C   co n v er ter s   s h o u l d   p r o v id e  r eg u lated   D C   o u tp u t  v o lta g e.   C h a n g es  i n   ti m e,   te m p er at u r e,   p r ess u r e  etc  ch a n g es  t h e  v al u es  o f   th e  co n v er ter   co m p o n e n t s .   A p p l y i n g   o f   n e g ativ e  f ee d b ac k   in   t h e  f o r m   o f   a  clo s ed   lo o p ,   r eg u latio n   o f   DC   v o lta g e   ca n   b e  ac h iev ed .   So   t h e  n ex t   tas k   i n   d esig n in g   a  p o w er   co n d itio n i n g   s y s te m   i s   d ev elo p in g   a  b es t  co n tr o ller   m ee ti n g   th e  r eq u ir e m e n t s   s u itab le  f o r   f u el  ce ll a p p licatio n 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 .   6 ,  Dec em b er   2 0 1 9   :   4 4 9 3   -   4 5 0 6   4494   B asicall y   th er e  ar e  t w o   t y p e s   o f   co n tr o ller s ,   Vo ltag e  co n tr o l  an d   cu r r en t  co n tr o l.  Vas t  m aj o r it y     o f   DC - D C   co n v er ter s   ar e  i m p le m e n ted   u s i n g   cu r r e n t  m o d e  co n tr o ller s   b ec au s e  o f   it s   ad v a n tag e s   [ 6 - 9 ] .     T h e  b asic p er f o r m a n ce   o f   cu r r en t c o n tr o l is as i n d icate d   in   F ig u r e  1 .           Fig u r e  1 .   I m p le m e n tatio n   o f   c u r r en t  m o d e  co n tr o l       Her e  th e  o u tp u t  s ta g e  is   f ed   b y   t h e  i n d u cto r   cu r r e n t    an d   th e  er r o r   v o ltag e  o u tp u t  f r o m   th e  er r o r   a m p li f ier   ( k n o w n   as  co n tr o l  v o ltag e)     co n tr o ls   it.  T h is   h as  an   ex tr e m e  e f f ec t  o n   a  d y n a m ic  b eh av io u r   o f   th e  n eg a tiv e   f ee d b ac k   co n tr o l   lo o p .   Usi n g   t h i s   ap p r o ac h   m an y   tech n iq u es  ar e  i m p le m e n t ed   lik e  l in ea r   p ea k   cu r r en t c o n tr o l   ( L P C M) ,   n o n - l in ea r   ca r r ier   co n tr o l   ( NL C ) ,   p r ed ictiv e  s w i tch i n g   m o d u lato r   ( P SM)   co n tr o l e tc.     I n   th e  li n ea r   p ea k   cu r r en t  c o n tr o l  ( L P C M)   [ 1 0 ]   p ea k   s w itc h i n g   cu r r en t   h as  to   b e  s en s ed   an d   th er e f o r e   th e  s e n s i n g   d ev ices  n ee d ed   ar e  m o r e .   I n   n o n - li n ea r   ca r r ier   cu r r en t  co n tr o l  ( NL C )   [ 1 1 ,   1 2 ]   th r ee   r eset  in te g r ato r s   ar e  n ee d ed   to   g en er ate  th e  ca r r ier   w a v e f o r m .   T h e  N L C   co n tr o lled   co n v er ter   r esu lt s   in   d i s to r ted   in p u t c u r r en t  w a v e f o r m   in   d i s co n tin u o u s   co n d u ct io n   m o d e  o f   o p er atio n .   T o   o v er co m e  t h e  p r o b le m s   i n   L P C M  a n d   N L C   co n tr o lle r s   an o t h er   co n tr o l  k n o w n   as   P r ed ictiv e  s w itc h in g   m o d u lato r   co n tr o l  ( P SM)   [ 1 3 - 1 5 ]   is   p r o p o s ed   w h er e  o n l y   t w o   r eset  i n te g r ato r s   ar e  u s ed   w h e n   c o m p ar ed   to   N L C .   Als o   P SM  [ 1 6 ,   1 7 ]   co n tr o l e x ten d s   t h e  r a n g e  o f   co n tin u o u s   co n d u ctio n   m o d e  a s   p r ed ictio n   o f   o f f   s tate  r ip p le  cu r r e n t  is   p o s s ib le  w h ich   i s   ad d ed   to   o n   s tate  ac tu al  c u r r en t  at  t h e  e n d   o f   s w i tch i n g   p er io d .   T h e  tr an s ien t r ep o n s e  i s   also   v er y   s lo w   w it h   th e s e  co n tr o ller s   [ 1 8 ] .   B u t  th e  ab o v e  m et h o d s   o f   co n tr o l  r eq u ir e  s m a ll   s i g n al   r ep r esen tatio n   o f   th e  s y s te m   f o r   an   ap p r o p r iate  co n tr o l  to   b e   d ev elo p ed   an d   also   th e  lin ea r   tim e   in v ar ia n t  n at u r e  p r o d u ce s   u n p r ed icted   ac tio n   in   th e  co n v er ter   w h en   r u n n in g   o u t  o f   th e  n o r m al  o p er atin g   p o i n t  as  s m all  s i g n al  p ar a m eter s   s tr o n g l y   d ep en d   o n   it.  T h er ef o r e  to   im p r o v e  t h e  t r an s ie n t  r ep o n s e  b y   co n s id er i n g   t h e  s tab ilit y   o f   t h e  s y s te m   in   an y   ca s e  a n d   its   s tatic  a n d   d y n a m ic   p er f o r m a n ce s   a  co n tr o l  m eth o d   s h o u ld   b e  d ev elo p ed .   T h e  co n tr o l  s h o u ld   also   en s u r e  n o t   to   ac ce p t  d is tu r b an ce s   i n   in p u t  v o lta g e  an d   ef f ec ts   o f   lo a d   v ar iatio n s .   Gen er all y   th e  n o n - li n ea r   t y p es  o f   co n tr o ller s   ar e  m o s tl y   u s ed   n o w   d a y s   a s   th e y   ca n   m e et  th e  r eq u ir e m en t s   o f   t h e  co n tr o l  co n s id er in g   th e  u n ce r tai n tie s   an d   n o n - li n e ar   s tate  o f   t h e  co n v er ter .   T h is   co n ce p t  is   o b tain ed   f r o m   t h e  n o n - m i n i m u m   p h ase   ch ar ac ter   an d   v ar iab ilit y   i n   t h e  s tr u ct u r e  o f   co n v er ter s   w i th   u n f o r eseea b le  n o n - li n ea r   c h an g e  i n   th e   lo ad s .     As  a  r esu lt  a  r o b u s t  co n tr o l  m et h o d   w as  p r o p o s ed   b ased   o n   v ar iab le  s tr u c t u r e  th eo r y   t ak in g   i n to   ac co u n t   th e  n o n - lin ea r   n atu r e  o f   t h e  co n v er ter s .     T h e  in tr o d u ctio n   o f   v ar iab le  s tr u ctu r e  s y s te m   co n tr o l  p o p u l ar l y   k n o w n   as  Sl id in g   Mo d e  c o n tr o l  an d   its   d ev elo p m en t   w as   s tar ted   i n   t h e  ea r l y   o f   1 9 5 0 ’ s   in   So v i et  Un io n   b y   E m el y a n o v   a n d   m an y   co - r esear ch er s   lik e  Ut k i n s   an d   I t k is   [ 1 9 ] .   T h is   m e th o d   o f   co n tr o l  h a s   m an y   ad v an ta g es  a s :  e x ce lle n t  s tab il it y   a n d   R o b u s tn e s s   f o r   lar g e  in p u t  an d   o u tp u t  v ar iatio n s   w h e n   co m p ar ed   to   an y   o th er   h y s ter esi s   co n tr o l;  a s   al l  th e  co n tr o l  lo o p s   ar e  s i m u ltan eo u s ,   d y n a m ic  r esp o n s e  o f   th e  s y s te m   is   v er y   f a s t ;  e x ec u tio n   o f   t h is   co n tr o l  i s   v er y   ea s y   a n d   n o t   co m p lica ted ;  i f   N  i s   t h e  s y s te m   s tate  a n d   N - 1   is   t h e  s tate  o f   s y s te m ’ s   r esp o n s e,   t h e n   ac tu all y   s lid in g   m o d e  h av e  j u s t  N - 1   i n d ep en d en t  s ta te  v ar iab les  w h er e  ℎ   v ar iab le  is   r estricte d   b y   s lid in g   s u r f ac e.   T h e  p r o p o s ed   co n tr o l  w a s   ap p lied   to   I FB C   an d   s i m u lated   in   M A T L A B / S I MU L I NK.   T h e  o b tain ed   r esu lts   w er e  co m p ar ed   w it h   L P C M,   N L C   a n d   P SM  co n tr o ller s   in   ter m s   o f   tr a n s ie n t   r esp o n s e  p ar a m eter s .       2.   I SO L A T E D  F UL L   B RID G E   B O O ST   CO NVER T E R  T O P O L O G Y  ( I F B C)   2 . 1 .     B a s ic  co nv er t er   op er a t io n   I n   th i s   s ec tio n   co m p le te  w o r k in g   o f   th e  co n v er ter   is   p r esen t ed .   T h e  co n v e r ter   cir cu it  is   r e p r esen ted   b y   Fig u r e  2   an d   its   p er f o r m a n ce   ac co r d in g   to   m o d es o f   o p er a tio n   is   d escr ib ed   b y   Fig u r e  3 .   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       V a r ia b le  s tr u ctu r e  co n tr o l fo r   a n   is o la ted   b o o s t   co n ve r ter u s ed   in   fu el  ce ll a p p lica tio n s   ( S .   V ija ya   Ma d h a vi )   4495       Fig u r e   2 .   I s o lated   f u ll b r id g e  b o o s t c o n v er ter       S w i tc h es  M1 - M4   ar e  r u n   in   p air s   ( i)   M1 - M2   a n d   ( ii)  M3 - M 4   r esp ec tiv el y .   S w i tch in g   p u ls es  ar e  1 8 0   d eg r ee s   p h ase  s h if ted .   S w itc h   MO SF E T   d u ty   c y cle  i s   ch o s en   b et w ee n   0 . 5   an d   1   to   en s u r e  o v er lap p in g   o f   s w itc h es  [ 2 0 ] .   -   Mo d e1 :  Du r in g   t h is   p er io d   en er g y   s tar ts   to   d is t r ib u te.   S w i tc h es  M1 - M4   ar e  i n   co n d u ctio n .   I n p u t  in d u cto r   L   i s   c h ar g ed   b y   in p u t  p o w er   an d   tr an s f o r m er   s ec o n d ar y   v o ltag e  is   ze r o .   Seco n d ar y   d io d es  ar e  all  in   o f f   s tate.   -   Mo d e2 :  I n   th is   in ter v al  M1 - M2   ar e  in   co n d u ctio n   an d   M 3 - M4   ar e  in   o f f   s tate.   I n p u t  p o w er   i s   allo w ed   th r o u g h   M1 - M2   an d   s to r ed   in d u cto r   en er g y   is   tr a n s f er r ed   to   s ec o n d ar y   s id e  o f   tr a n s f o r m er .   L o ad   p o w er   i s   ac h iev ed   b y   co n d u ctio n   o f   d io d es D1 - D2 .   -   Mo d e3 :  T h is   m o d e  is   s a m e   as  m o d e1 .   A ll  s w itc h es  ar e   in   co n d u ctio n   a n d   s o u r ce   i n d u cto r   cu r r en t     r is es g r ad u al l y .   -   Mo d e4 :  R ev er s e  c y cle  p er io d   s tar ts   h er e.   S w i tch e s   M3 - M4   ar e  in   co n d u ctio n   an d   M1 - M2   ar e  in   o f f   s tate.   Dis ch ar g i n g   o f   s o u r ce   i n d u ct o r   en er g y   an d   p r i m ar y   c u r r en t  tr a n s f er   ta k es  p lace   th r o u g h   M3 - M4   a n d   tr an s f o r m er   T 1 .   Seco n d ar y   cu r r en t f lo w   i s   ac h ie v ed   b y   co n d u ctio n   o f   d io d es D3   an d   D4 .           Fig u r e  3 .   B asic o p er atin g   w a v ef o r m s   o f   I FB C       3.   SL I DIN G   M O DE   CO NT RO L   T H E O R Y   T h is   co n tr o l  is   d e v elo p ed   b y   u tili zi n g   co n ce p t  o f   v ar iab le  s tr u ct u r e  s y s te m s   [ 2 1 ] .   I n   th e s e  t y p e  o f   s y s te m s   u s i n g   a  p r eset  p r i n cip le  o f   co n tr o l,  s y s te m ’ s   ac tu al  co m p o s itio n   is   m o d if ied   d el ib er atel y .   T h e  m o m en t s   o f   m o d i f y i n g   th e  s tr u ct u r e  ca n   b e  r eso lv ed   u s i n g   c u r r en t  s tate  o f   t h e  s y s te m .   T h is   m a k es   th e  S w i tch in g   m o d e  p o w er   s u p p lies   to   f all  i n to   a  s p ec i f i c  ca teg o r y   o f   VS S  as  i ts   s tr u ctu r e  is   m o d if ied   r eg u lar l y   co n tr o lli n g   o p er atio n   o f   s w i tch e s   an d   d io d es.  I n   th is   p r o ce s s   th e  s tr u ct u r e  o f   co n t r o l  s y s te m   ch a n g es   w h ic h   in d icate s   Var iab le  s tr u c tu r e  co n tr o l ( VSC ) .   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 .   6 ,  Dec em b er   2 0 1 9   :   4 4 9 3   -   4 5 0 6   4496     A s   V SC   i s   a  h i g h   s p ee d   s w itc h i n g   f ee d b ac k   co n tr o l  it   r esu lts   i n   a  Sli d in g   m o d e.   B ase d   o n   a   p r in cip le  ea ch   f ee d b ac k   p ath   g ain s   s h i f t  b et w ee n   t w o   v a lu es  d ep en d in g   o n   t h e  s tate  v al u e  at  ea ch   in s ta n t.   T h e  b asis   o f   th e  p r in cip le  u s ed   w h ic h   i s   also   ca lled   as  s w itc h i n g   co n tr o l  la w   is   to   b r in g   t h e  n o n - li n ea r   s y s te m ’ s   tr aj ec to r y   o n   th e  s u r f ac e  i n   s u cc e s s i v e  ti m es.  T h is   s u r f ac e   i s   k n o w n   as  S w itc h i n g   Su r f ac e.   T h e  f ee d b ac k   p ath   h as  a  g ai n   v alu e  i f   th e  p lan t’ s   tr aj ec to r y   s tate  is   “ ab o v e”   t h is   s u r f ac e  an d   it  h as  a  u n iq u e   g ain   v al u e  w h e n   tr aj ec to r y   f alls   “ b elo w ”  th e  s u r f ac e.   A ct u al  s w i tch in g   r eg u latio n s   ar e  d escr ib e d   b y   th e  s u r f ac e.   P er f ec tl y   s p ea k in g ,   co n tr o l  r etai n s   th e   tr aj ec to r y   s tate  o f   t h e  p lan t   o n   t h e  s u r f ac e  i n   s u cc es s i v e   ti m e s   o n ce   o b s tr u cted .   T h e  p lan t  d y n a m ics   co n f in ed   to   t h e   s u r f ac e  i n d icate   t h e  p er f o r m an ce   o f   th e  s y s te m   u n d er   co n tr o l.  T h e  co n f i g u r ati o n   o f   VS C   ca n   b e  s p lit i n to   t wo   m o d u le s .   -   I n   th e  f ir s t  p ar t  a  s w itc h i n g   s u r f ac e  i s   ch o s en   w h ic h   m a k e s   th e  tr aj ec to r y   s tate  o f   t h e  p lan t  co n f i n e  to   th e  s u r f ac e  a n d   h as r eq u ir ed   d y n a m ic s .   -   I n   t h e  s ec o n d   p ar t  a  s w i tch i n g   co n tr o l  la w   i s   m o d elled   w h ic h   m o v e s   t h e  p lan t’ s   s tate  to   s w itc h i n g   s u r f ac e  an d   r estricts to   th e  s u r f ac e  o n   o b s tr u ctio n .   T o   s p ec if y   th e  s ec o n d   p ar t  d esig n ,   a  l y ap u n o v   ap p r o ac h   is   u s ed .   I n   th i s   ap p r o ac h   a  g en er alis ed   l y ap u n o v   f u n c tio n   w h ic h   d ef i n es  t h e  tr aj ec to r y   s tate  m o v e m en t  to w ar d s   t h e   s u r f ac e  is   f o r m ed   i n   ter m s   o f   s u r f ac e.   T h e  “ g a in s ”  o f   ea ch   s w itc h ed   co n tr o l  s tr u ct u r e  is   ch o s en   s u c h   t h at  t h e  d er iv ati v e  o f   t h e  l y ap u n o v   f u n ctio n   is   n eg a tiv e  d e f in ite  e n s u r in g   t h e  m o v e m en t  o f   th e  t r aj ec to r y   s tate  to   th e  s u r f ac e.   T h is   co n tr o l  is   also   k n o w n   a s   S lid in g   Mo d e  co n tr o l  h i g h lig h ti n g   t h e  p ar t  o f   s li d in g   m o d e.   T h e  v ar iab le  s tr u c tu r e  co n tr o l  s y s te m   m a y   b e  f o r m u lated   w ith o u t a   s lid in g   m o d e,   b u t s u ch   a  s y s te m   d o es n o t h a v e  r elate d   ad v an tag es.     3 . 1 .     M o dellin g   o f   s lid ing   m o de  s y s t e m   No w   co n s id er   a  g r o u p   o f   s y s te m s   co m p r is in g   s tate  m o d e l  w it h   n o n - li n ea r   s tate  v ec to r   ( t)   an d   lin ea r   co n tr o l v ec to r   ( t)   in   th e  f o r m   as   [ 2 2 ]     ̇ ( ) = Φ ( , , ) = ( , ) + ( , ) ( , t)     (1 )     W h er e   t  ϵ     an d   ( , )   ϵ      an d   f u r t h e r m o r e  ev er y   en tr y   in   ( , )   an d   ( , )   is   s u p p o s ed   to   b e   co n tin u o u s   w it h   a  b o u n d ed   co n ti n u o u s   d er iv ati v e  w it h   r esp e ct  to   .   A   s w itc h i n g   s u r f ac e  i s   ch o s e n   i n   th e  f ir s t  m o d u le  w h ich   m ak e s   tr aj ec to r y   s tate  o f   p lan t  co n f i n e  to   th e  s u r f ac e  a n d   h a s   r eq u ir ed   d y n a m ic s .   T h er ef o r e  b y   f o llo w i n g   th e   s l id in g   m o d e  co n tr o l  t h eo r y   [ 1 4 ] ,   th e   s tate   v ar iab les  o f   all   ar ea s   ar e  s e n s ed   an d   b y   u s i n g   ap p r o p r iate  g ain s   t h e  s tates   ar e  m u l tip lied   an d   ad d ed   to g et h er   f o r   th e  co n s tr u cti o n   o f   s lid i n g   f u n ct io n   ψ   ( , ) .   T h e  h y s ter esi s   b lo ck   s u s tai n s   th is   f u n ct io n   to   ze r o   th er eb y   th e  s li d i n g   s u r f ac e  ca n   b e  o u tl i n ed   as       ψ ( , ) = ∑ 1 = 0     ( 2 )     W h er e  N  is   th e  o r d er   o f   th e  s y s te m   ( i.e .   co u n t o f   s ta te  v ar iab les)   C o n s id er in g   s ec o n d   o r d er   s y s t e m     ψ =   1 +  2     ( 3 )     T h is   is   a  lin ea r   co m b in at io n   o f   t w o   s tate  v ar iab les.  T h e  r ela tio n   ψ  =  0   i n d icate s   a  li n e  i n   p h ase  p lan e   w h ich   p ass es  f r o m   o r ig i n   ( f i n al  eq u il ib r iu m   p o in t o f   th e  s y s te m )   a n d   is   ca lled   as sl id in g   li n e .   L et  u s   n o w   s p ec if y   t h e  f o llo w i n g   co n tr o l stra teg y     If   > + ⇒   = 0   > − ⇒   = 1 }     ( 4 )     W h er e    r ep r esen ts   an   ap p r o p r iate  h y s ter esi s   b an d .   L i k e w i s e  t h e  p h a s e  p la n e  is   s p l it  to   t w o   r eg io n s   p ar titi o n ed   w it h   s lid i n g   li n e  a n d   in d iv id u al  r eg io n   i s   r elate d   to   o n e  o f   th e  t w o   s u b   to p o lo g ies  r ep r esen ted   b y   s w itc h   p o s itio n   .   -   P o s itio n   o f   th e  s y s te m   co n ti n u e s   to   f o llo w   t h e  p h ase  tr aj ec to r y   as  lo n g   as  = 0   w h e n   th e  s y s te m   p o s itio n s   cr o s s e s   th e  li n e  = −   i.e .     = 1   b ased   o n   eq u atio n .   -   T h e  s y s te m   p o s it io n   co n ti n u es   to   f o llo w   th e  p h a s e  tr aj ec to r y   as  lo n g   as  = 1   w h e n   th e  s y s te m   p o s itio n s   cr o s s es th e  li n e  = +   i.e .     = 0   b ased   o n   eq u atio n       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       V a r ia b le  s tr u ctu r e  co n tr o l fo r   a n   is o la ted   b o o s t   co n ve r ter u s ed   in   fu el  ce ll a p p lica tio n s   ( S .   V ija ya   Ma d h a vi )   4497   L o o k i n g   at  p h a s e  tr aj ec to r ie s   in   clo s en e s s   to   s lid i n g   lin e,   th e y   ar e  d ir ec ted   to w a r d s   lin e  o n l y .   C o n ti n u o u s   co m m u tat io n s   ar o u n d   th e  s lid in g   li n e  lead s   to   m o tio n   w h ich   m a k es  t h e  s y s te m   p o s itio n   d r iv e   to   f in al  eq u ilib r iu m   p o in t.  B ased   o n   th e  t h eo r y   o f   a  s ati s f a cto r y   s m al l  v al u e  of   ,   t w o   i m p o r tan t  r eso lu tio n s   ar e  d er iv ed   f r o m   t h e  ex a m p le .   -   T h e  s y s te m ’ s   p r o g r ess   i s   i n d ep en d en t  o f   its   p ar a m eter s   w h en   it  i s   i n   s lid in g   m o d e  an d   d ep en d s   o n l y   o n   c h o s en   s lid in g   li n e.   E x a m p le  i n   Fi g u r e  4   is   s y s te m   w i th   f ir s t  o r d er   d y n a m ics a n d   ti m e  co n s t an t e q u al  to   .   -   Su p p o s e  o r d er   o f   th e  o r ig in al   s y s te m   is   N  t h en   s y s te m   co n tr o l  d y n a m ic s   in   s l id in g   m o d e  p o s s ess   o r d er   N - 1   as t h e  s tate  v ar iab les ar e  r estricte d   b y   ψ = 0           Fig u r e  4 .   Sli d in g   s u r f ac e         Her e  u s i n g   t h e  a m p lit u d e  o f   t h e  h y s ter esi s   b an d     s w itc h i n g   f r eq u e n c y   is   d er iv ed .   T h e  ab ilit ies  o f   th e  co n tr o l  tec h n i q u e  ar e  n o w   v is ib le  f o r   ap p licatio n   i n   s w i tc h ed   m o d e  p o w er   s u p p lies .   Uti lizin g   t h e  i n h er e n t   n o n - li n ea r   n at u r e  o f   th e s e  c o n v er ter s   u n l ik e  to   s u b s tr u ct u r es  co n s tit u ti n g   t h e  s y s te m   an d   its   r ed u ctio n   d y n a m ic  p er f o r m a n ce s   ar e  p r o d u ce d .     3 . 2 .     M o dellin g   o f   s w it c hin g   s urf a ce   T o   m o d el  s lid i n g   m o d e  co n tr o l  f o r   t h e  s i m p le  s ec o n d   o r d er   s y s te m s   r e v ie w ed   i n   p r ev io u s   s ec tio n ,   ch o ice  o f   p ar a m eter     is   en o u g h .   C h o ice  o f   t h is   p ar a m e ter   s h o u ld   s at is f y   t h e  f o llo w in g   th r ee   co n s tr ai n ts .   Dis r eg ar d in g   th e   s tar ti n g   p o in t  in   p h ase   p lan e   s y s te m   tr aj ec to r ies  ar e  n ee d ed   to   cr o s s   th e   s lid in g   li n e  w h ic h   i s   k n o w n   as   h itti n g   co n d itio n .   T h e  s y s te m   tr aj ec to r ies  w h ic h   a r e  n ea r   to   th e  s lid in g   l in e  i n   b o th   th e   r eg io n s   ar e   m an a g ed   to   r u n   to w ar d s   t h e  lin e  i ts el f   a n d   is   k n o w n   as   e xist en ce   co n d itio n .   T h e  m o v e m en t  o f   s y s te m   o n   s lid in g   li n e  ( i.e .   s h i f ti n g   to w ar d s   eq u ilib r iu m   p o in t)   is   r eg ar d ed   as  s ta b ilit y  co n d itio n .     3 . 3 .    E x i s t ence   c o nd it io n   I n   th i s   co n d itio n   th e  p h ase  tr a j ec to r ies  ar e  n ee d ed   to   m o v e  to w ar d s   s l id in g   s u r f ac e  b y   litt le  p o r tio n   ab o u t  th e  s u r f ac e  i ts el f   [ 2 3 ] .   T h is   is   r ea ch ed   b y   in ter p r etin g   a  s u itab le  L y ap u n o v   f u n ctio n   V  ( , ,   ψ ) .   Gen er all y   i t  is   ap p r o p r iate  to   s elec t  a  L y ap u n o v   f u n ctio n   o f   th e  f o r m   V  ( , ,   ψ )   =  0 . 5 2 ( ) .   T o   d e d u ce   th e   r eq u ir ed   g ain s   s o   th at  t h e  s y s t e m   s tate  d r iv e s   to   th e  s u r f ac e   ψ ( t ) = 0 ,   o n e  ca n   s elec t  s u c h   t h at     ̇ ( , , ψ ) = 0 . 5 2  = ( )  ( )  = . ̇ < 0     (5 )     So ,   w h e n   t h e  d is ta n ce s   to   th e   s u r f ac e  a n d   v elo cit y   o f   its   c h an g e  ̇   ar e  o f   o p p o s ite  s ig n s   i . e.   w h e n   l im → + 0 ̇ > 0   an d   l im → + 0 ̇ < 0   th e  s lid i n g   m o d e  ex is ts   o n   a  d is co n ti n u it y   s u r f ace.     3 . 4 .     Sta bil it y   co nd it io n   Mo d ellin g   o f   s w itc h i n g   s u r f a ce   is   esti m ated   b ased   o n   h o w  th e  s y s te m   u n d er s ta n d s   it s   o p er atio n   in   s lid in g   m o d e.   T h e  p ar am eter s   o f   s w itc h i n g   s u r f ac e  d ec id e  th e  s y s te m   o p er atio n .   I f   in   an y   ca s e  at tain in g   m o d el   o f   s w i tch i n g   s u r f ac e  r e q u ir e  lo g ica l  r ea s o n in g   d e s cr ib in g   th e   m o v e m e n t  o f   s tate  tr aj ec to r y   i n   s lid in g   m o d e  a  m eth o d   ca lled   E q u iv a l en t c o n tr o l is  n ec ess ar y   f o r   t h i s   d escr ip tio n .         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 .   6 ,  Dec em b er   2 0 1 9   :   4 4 9 3   -   4 5 0 6   4498   3 . 5 .     E qu iv a lent   c o ntr o l     T h is   co m p r is es  a n   eq u i v alen t   in p u t  a n d   as  th e  s y s te m   s t i m u lates,  it  p r o v id es  s y s te m   m o v e m e n t  o n   s lid in g   s u r f ac e  as  lo n g   as  th e  i n itial  s tate  is   o n .   L et  u s   ass u m e  th at  at  tim e  1   p lan t’ s   s tate  tr a j ec to r y   o b s tr u cts  s w itc h in g   s u r f ac e  an d   a  s lid in g   m o d e  ex i s ts .   T h is   in d icate s   th at,   f o r   all  t  ≥ 1 ,  ( ( ) , ) = 0   an d   h e n ce   ̇ ( ( ) , ) = 0 .   Utilizin g   ch ai n   r u le   [ 2 3 ] ,   th e  eq u iv ale n t  co n tr o l    f o r   th e  s y s te m   t h at  ca n   b e  in ter p r eted   as th e  i n p u t  f u lf ils   t h e  co n d itio n     ̇ =   +  ̇ =   +  ( , ) +  ( , ) = 0     ( 6 )     Su p p o s in g   t h at  th e  p r o d u ct  m a tr ix    ( , )   is   n o n - s i n g u lar   f o r   all  t a n d     ,   o n e  ca n   ca lcu late    as     = − [  ( , ) ] − 1 (   +  ( , ) )       ( 7 )     T h u s   g i v e n   ( ( 1 ) ) = 0   th en   f o r   all  t ≥ 1   th e  s y s te m   d y n a m ics o n   s w itc h i n g   s u r f ac e  s ati s f ie s     ̇ ( ) = [ 1 − ( , ) [  ( , ) ] − 1  ]   ( , ) − ( , ) [  ( , ) ] − 1         ( 8 )     T h is   s h o w s   d y n a m ic s   o f   eq u iv ale n t  s y s te m   o n   s lid in g   s u r f ac e.   W h e n   s o m e   f o r m   o f   tr ac in g   o r   co n tr o l  is   n ee d ed   b y   t h e  co n tr o l s y s te m   t h en   t h e  o p er atin g   ter m   i s   p r esen t.  Fo r   ex a m p le,   w h e n     ( , ) = ∑  1 + ( ) = 0       ( 9 )     W h er e  r ( t)   b eh av es a s   a  “ r e f er en ce ”  s i g n a l.     3 . 6 .     Act ua l int er pret a t io n o f   equiv a lent   co ntr o l   A  r ea l  co n tr o l  is   t h at  it   al w a y s   e n co m p as s es   a  s lo w   co m p o n en t   f o r   w h ich   a  h i g h   r ate  co m p o n en t  i s   ad d ed .   T h er ef o r e  th e  co n tr o l stru c tu r e  i s   d ec o m p o s ed   as     ( , ) = ( , ) +  ( , )       ( 1 0 )     I n   w h ic h     is   v al id   o n l y   o n   s lid i n g   s u r f ac e  a n d      s atis f ie s   ac tu a li t y   o f   s lid in g   m o d e.   No w      is   d escr ib ed   as       ( , ) =  ( )       ( 1 1 )     W h er e   ( ) = | |       ( 1 2 )     T h e  s lo w   co m p o n e n t   i n d icate s   p er f o r m a n ce   o f   th e   p lan t   wh ich   i s   a   d y n a m ic  d ev ice,   b u t   th e   p lan t ’ s   r ea ctio n   to   h ig h   r ate   co m p o n en t  ca n   b e  n eg lecte d .   On   th e   o th er   s id e  h er e  t h er e  i s   n ee d   f o r   i n te r ch a n g e  o f   ac tu al  c o n tr o l  in   th e  m o v e m e n t  ( 1 2 )   w it h   co n tin u o u s   f u n cti o n   ( , )   th at  d o es  n o t   p o s s ess   an y   h ig h   r ate   co m p o n e n t.  T h u s   th e   s lo w   c o m p o n en t   o f   ac t u al   co n tr o l  w h ic h   i s   t h e  a v er ag e  co n tr o l  v alu e   is   m ad e  eq u al   th er ef o r e  b y   u s in g   f ir s t  o r d er   lin ea r   f ilter   it  ca n   b e  es ti m ate d   o n ce   th e   t i m e  co n s ta n t  is   s m all  i n   co n tr ast  w i th   s lo w   co m p o n e n t,  b esid es  lar g e  en o u g h   s o   th at  h i g h   r ate  co m p o n en t  ca n   b e  f ilter ed   an d   c an   b e  r o u g h l y   m ad e   eq u al  w ith   b o u n d ar y   la y er   w id th .       4.   O UT P UT   VO L T A G E   RE G UL A T I O N  O F   I F B C  WI T H   SL I DIN G   M O DE   CO NT RO L   B y   f o r cin g   t h e  s tate s   to   ze r o   th e  r eg u latio n   p r o b le m   is   r eso lv ed .   I n   co n s tr u cti n g   th e   s w itc h in g   f u n ctio n ,   t h e  n o m i n al  li n ea r   s y s te m   r ep r esen tat io n   i s   co n s id er ed   o n l y   w h en   th e   m a t ch ed   u n ce r tai n t y   is   p r esen t.  I m p le m en ta tio n   I FB C   w it h   s l id i n g   m o d e  co n tr o l is d ep icted   b y   Fi g u r e  5 .       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       V a r ia b le  s tr u ctu r e  co n tr o l fo r   a n   is o la ted   b o o s t   co n ve r ter u s ed   in   fu el  ce ll a p p lica tio n s   ( S .   V ija ya   Ma d h a vi )   4499       Fig u r e   5 .   I FB C   w it h   s l id in g   m o d e  co n tr o l       4 . 1 .    M o dellin g   o f   t he  s y s t e m   T h e  clo s ed   lo o p   d y n a m ic s   o f   I FB C   ar e  r ep r esen ted   b y   t h e  f o llo w i n g   r elatio n s   ( )  = ( ) − 1 ( 1 − ( ) ) ( ) ( )  = 1 ( 1 − ( ) ) ( ) − ( ) }       ( 1 3 )     W h er e  ( ) = { 1 ,    0 < <  0 ,     < <     Her e  ( )   is   n o th in g   b u t  s w i tch   s ta te  o r   w h en   a v er ag e  m o d el  is   c o n s id er ed   [2 4 ]   it  is   th e  s w i tch   d u t y   c y cle  an d   ,   ar e  in d u cto r   cu r r e n t  an d   o u tp u t  v o lta g e  o f   co n v er ter   r esp ec tiv el y .   I n   s lid i n g   m o d e  co n tr o l  ( )   is   d escr ib ed   b y   th e  ( 4 ) .       4 . 2 .    Av er a g e  m o de l o f   I F B C   As  s ee n   in   s ec tio n   2   o p er atio n   o f   I FB C   h as  t w o   m ai n   in ter v als  a n d   th eir   id en tical  ci r cu i t   d iag r a m s   ar e  as sh o w n   i n   Fi g u r e  6 .   -   I n ter v al   1:   Her e  all  t h e  f o u r   s w itc h es  M1 - M4   co n d u ct.   T h e  d if f er en tial  eq u atio n s   f o r   th is   in ter v al  ar e     w r itte n   as            ( a)   ( b )     Fig u r e  6 .   E q u iv ale n t c ir cu it  w i th   all  s w i tch e s   an d   t w o   d iag o n al  s w itc h es c o n d u c tin g ,   ( a)   I n ter v al  1 ,  ( b )   I n ter v al  2       =     →          = 1       ( 1 4 )     +  = 0    →          = − 1          ( 1 5 )     [   ] = [ 0 0 0 − 1  ] [ ] + [ 1 0 ]       ( 1 6 )     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 .   6 ,  Dec em b er   2 0 1 9   :   4 4 9 3   -   4 5 0 6   4500   T h is   in ter v al  co n ti n u e s   f o r   ( d - 0 . 5 )   T   w h er e  T =1 /f   i s   t h e  o n   p er io d   an d   d =  /   is   t h e  e f f ec t u al   d u t y   r atio   an d   n   is   th e  t u r n s   r atio   o f   th e  is o lated   tr an s f o r m er .   -   I n ter v al  2 :   I n   t h is   t h e  s w itc h es  M1   an d   M2   ar e  o n .   T h e  d if f er en tia l  r elatio n s   o f   s tate  v ar iab les  f o r   th is   in ter v a l a r e  w r itte n   as  f o llo w s     − +    + = 0  →          = 1 − 1          ( 1 7 )     =   +   →          =   1  − 1          ( 1 8 )     [   ] = [ 0 − 1  1  − 1  ] [ ] + [ 1 0 ]       ( 1 9 )     Y=     =   =   [ 0 1 ] [ ] + [ 0 ]       ( 2 0 )     T h is   in ter v a l  co n ti n u e s   f o r   ( 1 - d)   T .   T h e  s tate  eq u atio n   f o r   o u tp u t  in   b o th   t h e  o p er atio n s   i s   s a m e     as  ( 2 0 ) .   On   av er a g in g   t h e  s tat e  eq u atio n s   ac q u ir ed   d u r i n g   h alf   o f   t h e  s w i tch i n g   c y cle,   a  r el atio n   w h ic h   h as   th e  f ea tu r e s   o f   b o th   th e  m o d es   is   o b tain ed     A   =  [ 0 − 2 ( 1 − )  2 ( 1 − )  − 1  ]   = [ 1 0 ]       ( 2 1 )     ̇ = [ 0 − 2 ( 1 − )  2 ( 1 − )  − 1  ] [ ] + [ 1 0 ]       ( 2 2 )     =  +  = [ 0 1 ] [ ] + [ 0 ]       ( 2 3 )     Her e  d   is   th e  co n tr o llin g   p ar am ete r   o f   t h e  s y s te m   an d   i s   s a m e  as      4 . 3 .    Co ntr o l  m o del   T h e  m ai n   in te n tio n   o f   I FB C   co n tr o l  is   r eg u latio n   o f   o u tp u t  v o ltag e    to   a   r ef er en ce   v alu e    .   T h e  m o d ellin g   o f   s l id in g   m o d e  co n tr o ller   b eg in s   w i th   s el ec tio n   o f   s lid i n g   s u r f ac e.   On l y   w h en   t h e  c u r r en t   in cr ea s es  co n s ta n tl y   th e  d ir ec t  s u r f ac e  in cl in e s   to   ze r o .   Fo r   s o lv in g   t w o   lo o p   co n tr o l  p r o b lem ,   g en er all y   a   ca s ca d e  co n tr o l  s tr u ctu r e  is   e m p lo y ed .   Ou tp u t  v o lta g e  lo o p   p r o d u ce s   th e  r ef er e n ce   cu r r en t  f r o m   t h e  v o lta g e   er r o r   an d   in n er   cu r r e n t lo o p   r estricts i n d u cto r   cu r r en t t h r o u g h   s lid i n g   m o d e.     C o n tr o lli n g   o f   o u tp u t  v o lta g e  o f   th e  co n v er ter   s atis f ie s   s tab ilit y   a n d   p r esen ce   o f   s lid i n g   m o d e.     As  s lid in g   m o d e  is   ex tr e m el y   a  n o n - li n ea r   m eth o d ,   it  is   v er y   to u g h   to   o b tain   th e  g a i n   o f   v o lta g e  lo o p .   Mo r eo v er ,   as  SMC   ca n   b e  i m p le m en ted   o n l y   to   r eg u late  cu r r en t,  v o ltag e  lo o p   w i ll  q u ic k l y   r e s p o n d   f o r   an y   h ig h   f r eq u e n c y   p h e n o m e n a  a n d   u n ce r tai n tie s   i n   r e f er en ce   c u r r en t.  T h er ef o r e  to   en h an ce   co n tr o ller   ca p ab ilit y ,   s lid in g   s u r f ac e  b ased   co n tr o l   m o d e  th at  in c lu d es  o u tp u t  v o ltag e  i s   s u g g es ted .   Fo r   th e  I FB C   co n v er ter   th e  s y s te m   ca n n o t  b e  r ep r es en ted   in   ca n o n ical  f o r m   as  th e  d er iv ati v e  o f   o u tp u t  v o lt ag e    b ec o m es  a   d is co n ti n u o u s   v ar iab le.   T h er ef o r e  as st ate  v ar iab les t h e  in d u c to r   cu r r en t a n d   o u tp u t  v o lta g e  er r o r s   ar e  s elec ted       1 = − 2 = −  }       ( 2 4 )     Her e  th e  i n d u cto r   c u r r en t  r e f er en ce     r elies  u p o n   o p er atin g   p o in t  ( in p u t  v o ltag e  a n d   o u t p u t  p o w er )   o f   th e  co n v er ter .           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       V a r ia b le  s tr u ctu r e  co n tr o l fo r   a n   is o la ted   b o o s t   co n ve r ter u s ed   in   fu el  ce ll a p p lica tio n s   ( S .   V ija ya   Ma d h a vi )   4501   4 . 4 .     E x i s t ence   c o nd it io n   T h e  r elatio n s   o f   th e  I FB C   co n v er ter   s y s te m   in   ter m s   o f   1   an d   2   ar e  w r itten   a s     ̇ = + ̂ +       ( 2 5 )     W h er e  ̇ = [ 1 ̇ 2 ̇ ]     A   =  [ 0 − 2  2  − 1  ]   = [ 2 ( 2 + )  − 2 ( 1 + )  ]   = [ − 2   −  + 2  ]      ̂ = 1 −   .     Su p p o s e  f o r   a  s h o r t  ti m e  le t  th e  s i g n al    is   av ailab le  a n d   co n s ta n t.  T h e  p h ase  tr aj ec to r ie s   of   th e  s y s te m   ar e  as s h o w n   i n   Fi g u r e  7   an d   th e  s lid i n g   l in e  eq u a tio n   is   as      ( ) = 1 + 2 = = 0       ( 26 )     On   s elec ti n g   th e  co n tr o l  la w   ( 4 )   it  is   s im p l y   o b s er v ed   th at  b o th   th e  ex i s ten ce   a n d   r ea ch in g   co n d itio n s   ar e  f u lf i lled   ( th e   p ast o n e   at  le ast i n   a  s m a ll r eg io n   s u r r o u n d i n g   th e   o r ig i n ) .   T h e  s lid i n g   m o d e  ex is te n ce   r e g io n   is   s p ec if ied   b y   t h e  f o ll o w in g   i n eq u alit ies  f r o m   ( 4 )     1 ( ) = −  2 +  −  > 0      ( ) < 0       ( 27 )     2 ( ) = − (  + 1  ) 2 +  1 + −   −  (  − ) < 0      ( ) > 0       (2 8 )     T h e  r elatio n s   1 ( ) = 0   an d   2 ( ) = 0   d escr ib e   t w o   lin es  i n   p h ase  p lan e  a n d   ar e  as  s h o w n     in   Fi g u r e  8 .               Fig u r e   7 .   P h ase  tr aj ec to r ies an d   s lid in g   l in e  f o r   I FB C   Fig u r e   8 .   E x is te n ce   r eg io n s   i n   p h ase  p lan e       On e  m u s t  m a k e  s u r e  t h at  b o th   t h e  in ter s ec tio n s   o f   t h e  li n e  1 ( ) = 0   w it h   t h e  2   ax is   an d   o f   2 ( ) = 0   w it h   1   ax is   s h o u ld   b e  p o s itiv e  as  ca n   b e  s ee n   to   d eter m in e  a n   ex is ten ce   r eg io n   f o r   s lid in g   m o d e   th at  i n v o l v es  o r ig in   ( t h at  s h o w s   th e  s t ea d y   s tate  p o in t) .   T h is   li m itatio n   f r o m   t h e  ab o v e  i n eq u alit y   d eter m i n es   th e  g ai n       <         ( 2 9 )     T o   m a k e  s u r e  th e  p r ese n ce   o f   s lid in g   m o d e  at  least  i n   a  r eg i o n   ab o u t  th e  s tead y   s tate  o p er atin g   p o in t,   th e  co ef f icie n t  o f   s lid i n g   s u r f ac e  is   s elec ted   in   s u ch   a  w a y   th at  it  f u l f ils   t h e   ( 2 9 ) .   A s   th e  latter   is   b ased   o n   th e  co n v er ter   o p er atin g   p o in t  ( o u tp u t  p o w er   an d   in p u t  v o lta g e) ,   th e   p r esu m p tio n   ab o u t  a v ailab ilit y   o f   c u r r en t   r ef er en ce   s i g n al    is   n o t p o s s ib l e  p r ac ticall y .   T h er ef o r e  to   o b t ain   t h is   i n d u cto r   c u r r en t r ef er e n ce   s i g n al  t h at   co n tr o ls   th e  o u tp u t  v o ltag e  o f   co n v er ter ,   g en er all y   a  lo w - p ass   f ilter   ( o r   PI  c o n tr o ller )   is   em p lo y ed .   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 .   6 ,  Dec em b er   2 0 1 9   :   4 4 9 3   -   4 5 0 6   4502   Ob v io u s l y   all  t h e  f ea t u r es  o f   s lid in g   co n tr o l  ar e  co n s id er ab ly   a f f ec ted   b y   t h is   ap p r o ac h .   At  f ir s t  o w i n g   to   n e w  s tate  v ar iab le   3 ,   th e  o r d er   o f   th e  s y s te m   is   in cr ea s ed   b y   o n e.   T h er ef o r e  th e  w h o le   s y s te m   ca n   b e   ch ar ac ter is ed   b y   s elec ti n g   th e  s tate  v ar iab les a s   b elo w     1 = 2 = −  3 = ∫ 2  }       ( 3 0 )     ̇ = + ̂ +       ( 3 1 )     W h er e       = [ 0 − 2  0 2  − 1  0 0 1 0 ]   = [ 2  − 2  0 ] , = [ − 2   −   + 2   ]     No w   t h e  s lid i n g   l in e  t u r n s   in to   a  s lid in g   s u r f ac e  i n   p h ase  s p a ce     ( ) = 1 + 2 + 1 3 = = 0     (3 2 )     Her e  τ   is   ti m e  co n s ta n t  o f   lo w - p ass   f ilter   a n d   = [ 1 1 ] .  T h u s   at  s te ad y   s tate  ( 3 2 )   th e  s lid in g   s u r f ac e  p r o d u c es z er o   o u tp u t v o ltag e  e r r o r   w it h o u t c o n s id er i n g   o p er atin g   p o in t o f   co n v er ter   [ 2 5 ] .     4 . 5 .     Sta bil it y   a na ly s is   T h e  s y s te m   s tab ili t y   i s   p o s s ib le  o n l y   i f   th e  s y s te m   d y n a m ics  i n   s l id in g   r u le  p r o v id e  p ath   to   th e  d esire d   eq u i lib r iu m   p o in t.   I t  is   s u g g ested   t h at  o n l y   w h e n   t h e  s l id in g   r eg i m e   is   a ttai n e d   th e  d y n a m ics   o f   n e w   s tate  v ar iab les  1 , 2   an d   3   ar e  o b tain ed .   Fo r   th e  s y s te m   s tate  t o   s lid e  alo n g   t h e  s u r f ac e   th e   e q u iv ale n t   av er ag e  co n tr o l  s h o u ld   b e  i m p le m en ted   w it h   t h e  d ef i n ed   s tate  s p ac e  m o d el   ( 3 1 ) ,   s lid i n g   s u r f ac e   ( 3 2 )   an d   ̇ ( ) = 0   an d   is   g i v e n   b y     = 1 −  + 2 − ( 2 + )  ( 2 + )  − 1        ( 33 )     So   f ar   as  s y s te m   s tab ilit y   i s   co n s id er ed ,   ap p ly in g   p o s iti v e   v alu e s   f o r   co ef f ic ien t s   o f   ch ar ac ter is tic  p o ly n o m ia l,  w e  o b tai n     0 < < =         ( 3 4 )     a nd     >  ( 1 − ) 2   1 1 + 2 ( 1 − )       ( 3 5 )     T h u s   th e   ( 3 4 )   an d   ( 3 5 )   r ep r e s en t  t h e  m o d elli n g   r elatio n s   f o r   s li d in g   m o d e  co n tr o l  o f   I FB C   co n v er ter   th a t   f o r ce s   o u tp u t  v o lta g e    to   ze r o   u n d er   s tead y   s tate.     4 . 6 .     Sw it ching   f re qu ency   Gen er all y   a  p r ac tical  s y s te m   ca n n o t  b e  s w i tch ed   at  i n f i n ite   f r eq u en c y ,   s o   a  h y s ter esi s   b an d   ca n   b e   e m p lo y ed   t h r o u g h o u t  th e   s lid in g   li n e  s o   t h at  t h e  s w itc h in g   f r eq u e n c y   is   s ettled   at  r eq u ir ed   v alu e.   No w   b y   ex a m in i n g   th e  Fig u r e  9   th e  s witch i n g   f r eq u e n c y   ca n   b e  ev al u ated     = 1 1 + 2 = 1 − + + − −       ( 3 6 )     = ̇ = ̇ ( )       ( 3 7 )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.