I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g   ( I J E C E )   V o l . 2 ,   N o . 2 ,   A p r i l   2 0 1 2 ,   p p .   1 5 9 ~ 1 6 5   I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8             1 5 9       J o u r n a l   h o m e p a g e :   h t t p : / / i a e s j o u r n a l . c o m / o n l i n e / i n d e x . p h p / I J E C E   S E P I C   C o n v e r t e r   b a s e d - D r i v e   f o r   U n i p o l a r   B L D C   M o t o r       T .   R a g h u ,   S .   C h a n d r a   S e k h a r ,   J .   S r i n i v a s   R a o   D e p a r t m e n t   o f   E l e c t r i c a l   a n d   E l e c t r o n i c s   E n g i n e e r i n g ,   A n u r a g   E n g i n e e r i n g   Co l l e g e ,   K o d a d ,   A n d h r a   P r a d e s h ,   I n d i a       A r t i c l e   I n f o     A B S T R A C T     A r t i c l e   h i s t o r y :   R e c e i v e d   J a n   7 th ,   2 0 1 2   R e v i s e d   M a r   1 3 r d ,   2 0 1 2   A c c e p t e d   A p r   4 th ,   2 0 1 2         F r o n t - e n d   s i n g l e - e n d e d   p r i m a r y   i n d u c t a n c e   c o n v e r t e r   ( S E P I C )   a n d   a   s w i t c h   i n   s e r i e s   w i t h   e a c h   p h a s e   i s   p r o p o s e d   f o r   d r i v i n g   a   p e r m a n e n t   m a g n e t   b r u s h l e s s   d c   ( BL D C )   m o t o r   w i t h   u n i p o l a r   c u r r e n t s .   A l l   t h e   s w i t c h e s   a r e   g r o u n d - r e f e r e n c e d ,   w h i c h   s i m p l i f i e s   t h e i r   g a t e   d r i v e s .   T h e   a v a i l a b l e   i n p u t   v o l t a g e   c a n   b e   b o o s t e d   f o r   b e t t e r   c u r r e n t   r e g u l a t i o n ,   w h i c h   i s   a n   a d v a n t a g e   f o r   l o w   v o l t a g e   a p p l i c a t i o n s .   T h e   S E P I c o n v e r t e r   i s   d e s i g n e d   t o   o p e r a t e   i n   t h e   d i s c o n t i n u o u s   c o n d u c t i o n   m o d e   f o r   o p e r a t i o n   w i t h   a n   a c   s u p p l y .   I n   t h i s   o p e r a t i o n   m o d e ,   t h e   l i n e   c u r r e n t   f o l l o w s   t h e   l i n e   v o l t a g e   w a v e f o r m   t o   a   c e r t a i n   e x t e n t .   T h e   r e d u c t i o n   i n   l o w - o r d e r   h a r m o n i c s   a n d   i m p r o v e d   p o w e r   f a c t o r   i s   a c h i e v e d   w i t h o u t   t h e   u s e   o f   a n y   v o l t a g e   o r   c u r r e n t   s e n s o r s .   T h e   s i m p l i c i t y   a n d   r e d u c e d   p a r t s   c o u n t   o f   t h e   p r o p o s e d   t o p o l o g y   m a k e   i t   a n   a t t r a c t i v e   l o w - c o s t   c h o i c e   f o r   m a n y   v a r i a b l e   s p e e d   d r i v e   a p p l i c a t i o n s .   T h e   p r o p o s e d   t o p o l o g y   i s   s i m u l a t e d   a n d   v e r i f i e d   b y   u s i n g   M A T L A B/ S I M U L I N K .     K e y w o r d :   A C   s u p p l y     B L D C     D C   m o t o r   d r i v e     S E P I C   c o n v e r t e r     U n i p o l a r   Co p y r i g h t   ©   2 0 1 2   I n s i t u t e   o f   A d v a n c e d   E n g i n e e e r i n g   a n d   S c i e n c e .     A l l   r i g h t s   r e s e r v e d .   C o r r e s p o n d i n g   A u t h o r :   J . S r i n i v a s   R a o ,     D e p a r t e m e n t   o f   E l e c t r i c a l   a n d   E l e c t r o n i c s   E n g i n e e r i n g ,   A n u r a g   E n g i n e e r i n g   C o l l e g e ,   A f f i l i a t e d   t o   J N T   U n i v e r s i t y   H y d e r a b a d ,   K o d a d ,   A n d h r a   P r a d e s h ,   I n d i a .   E m a i l :   j a n i g a s r i n i v a s r a o @ g m a i l . c o m       1 .   I N T R O D U C T I O N   B r u s h l e s s   D i r e c t   C u r r e n t   ( B L D C )   m o t o r s   a r e   o n e   o f   t h e   m o t o r   t y p e s   r a p i d l y   g a i n i n g   p o p u l a r i t y .   B L D C   m o t o r s   a r e   u s e d   i n   i n d u s t r i e s   s u c h   a s   A p p l i a n c e s ,   A u t o m o t i v e ,   A e r o s p a c e ,   C o n s u m e r ,   M e d i c a l ,   I n d u s t r i a l   A u t o m a t i o n   E q u i p m e n t   a n d   I n s t r u m e n t a t i o n .   A s   t h e   n a m e   i m p l i e s ,   B L D C   m o t o r s   d o   n o t   u s e   b r u s h e s   f o r   c o m m u t a t i o n ,   i n s t e a d ,   t h e y   a r e   e l e c t r o n i c a l l y   c o m m u t a t e d .   A s   c o m p a r e d   t o   b r u s h e d   D C   m o t o r s   a n d   i n d u c t i o n   m o t o r s ,   B L D C   m o t o r s   h a v e   b e t t e r   s p e e d   v e r s u s   t o r q u e   c h a r a c t e r i s t i c s ,   h i g h   d y n a m i c   r e s p o n s e ,   h i g h   e f f i c i e n c y ,   n o i s e l e s s   o p e r a t i o n ,   h i g h   s p e e d   r a n g e s .   C o s t   m i n i m i z a t i o n   i s   t h e   k e y   t o   t h e   l a r g e   v o l u m e   m a n u f a c t u r e   a n d   a p p l i c a t i o n   o f   b r u s h l e s s   d c   ( B L D C )   m o t o r s   i n   v a r i a b l e   s p e e d   d r i v e s .   T h e   s a v i n g s   i n   c o n v e r t e r   c o s t   o p e n s   u p   a   l o t   o f   a p p l i c a t i o n s   f o r   v a r i a b l e   s p e e d   d r i v e s   s u c h   a s   H V A C ,   f a n s ,   p u m p s ,   a n d   a p p l i a n c e s   w h i c h   h a v e   b e e n   d o m i n a t e d   b y   c o n s t a n t   s p e e d   d r i v e s .   B L D C   m o t o r s   a r e   c o n v e n t i o n a l l y   e x c i t e d   w i t h   b i p o l a r   c u r r e n t s   w h i c h   r e q u i r e   a   s i x - s w i t c h   i n v e r t e r   b u t   u n i p o l a r   m o t o r   n e e d s   f e w e r   e l e c t r o n i c   p a r t s   a n d   u s e   a   s i m p l e r   c i r c u i t .   F o r   t h e s e   r e a s o n s ,   u n i p o l a r - d r i v e n   m o t o r s   a r e   w i d e l y   u s e d   i n   l o w - c o s t   i n s t r u m e n t s .     T h e   s i m p l e s t   u n i p o l a r   d r i v e   c o n s i s t s   o f   a   s i n g l e   s w i t c h   i n   s e r i e s   w i t h   e a c h   w i n d i n g   a n d   a   z e n e r   d i o d e   o r   d u m p   r e s i s t o r   i n   t h e   f r e e w h e e l i n g   p a t h   a s   s h o w n   i n   F i g .   1 .   T h i s   d r i v e   i s   i n e f f i c i e n t   b e c a u s e   t h e   s t o r e d   e n e r g y   i n   t h e   p h a s e s   i s   d i s s i p a t e d .   B e t t e r   p e r f o r m a n c e   c a n   b e   o b t a i n e d   b y   u s i n g   t o p o l o g i e s   s u c h   a s   t h e   C - d u m p   c o n v e r t e r   s h o w n   i n   F i g .   2 ,   w h i c h   o f f e r s   f u l l   r e g e n e r a t i v e   c o n t r o l .   H o w e v e r ,   i t   h a s   t h e   d i s a d v a n t a g e   o f   r e q u i r i n g   a   c o m p l i c a t e d   c o n t r o l   f o r   t h e   d u m p   c a p a c i t o r   v o l t a g e ,   t h e   f a i l u r e   o f   w h i c h   c o u l d   b e   c a t a s t r o p h i c .   T h i s   t o p o l o g y   r e q u i r e s   a   h i g h e r   v o l t a g e   o n   t h e   d u m p   c a p a c i t o r s   t h a n   w h a t   i s   a p p l i e d   t o   t h e   m o t o r   p h a s e s   d u r i n g   t u r n - o n .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I J E C E     V o l .   x ,   N o .   x ,     S e p t e m b e r   2 0 1 x   :     x x     x x   1 6 0   F i g u r e   1 .   S i m p l e   u n i p o l a r   c o n v e r t e r   f o r   t h r e e - p h a s e       F i g u r e   2 .     C - d u m p   c o n v e r t e r   f o r   u n i p o l a r   B L D C   m o t o r   d r i v e .       W h i l e   t h i s   i s   a   r e q u i r e m e n t   f o r   t h e   s w i t c h e d   r e l u c t a n c e   m o t o r   i n   o r d e r   t o   a c h i e v e   a   f a s t   t u r n - o f f   o f   t h e   p h a s e   c u r r e n t   t o   a v o i d   n e g a t i v e   t o r q u e   s p i k e s ,   i t   i s   n o t   s o   f o r   t h e   B L D C   m o t o r .   B y   a l l o w i n g   t h e   p h a s e   c u r r e n t s   t o   o v e r l a p   d u r i n g   t h e   c o m m u t a t i o n   i n t e r v a l s ,   t h e   c o m m u t a t i o n   t o r q u e   p u l s a t i o n s   c a n   b e   r e d u c e d .   T h e   t o p o l o g y   p r o p o s e d   i n   t h i s   p a p e r   t a k e s   a d v a n t a g e   o f   t h i s   f a c t   t o   u s e   a   s m a l l e r   v o l t a g e   o n   t h e   d u m p   c a p a c i t o r .   A   t h r e e - s w i t c h   c o n v e r t e r   f o r   t h e   u n i p o l a r   B L D C   m o t o r   f o r   a c   s u p p l y   o p e r a t i o n   w a s   i n v e s t i g a t e d ,   b u t   i t   r e q u i r e s   a   m o d i f i c a t i o n   i n   t h e   m a c h i n e   w i n d i n g s   a n d   a   s p l i t - c a p a c i t o r   v o l t a g e   b a l a n c i n g   c o n t r o l   s c h e m e .             T h i s   p a p e r   m a k e s   u s e   o f   t h e   d e s i r a b l e   p r o p e r t i e s   o f   t h e   s i n g l e   e n d e d   p r i m a r y   i n d u c t a n c e   c o n v e r t e r   ( S E P I C )   o p e r a t i n g   i n   t h e   d i s c o n t i n u o u s   c o n d u c t i o n   m o d e   ( D C M ) .   A t   c o n s t a n t   d u t y   c y c l e ,   t h e   a v e r a g e   i n p u t   c u r r e n t   a u t o m a t i c a l l y   t r a c k s   t o   s o m e   e x t e n t   t h e   s i n u s o i d a l   s h a p e   o f   t h e   i n p u t   v o l t a g e .   T h i s   i s   r e a l i z e d   w i t h o u t   t h e   n e e d   o f   s e n s i n g   a n d   c o n t r o l l i n g   t h e   i n p u t   c u r r e n t , t h u s   s i m p l i f y i n g   t h e   c o n t r o l   c i r c u i t .   S u c h   a   f e a t u r e   c a n   b e   u s e d   t o   i n t e g r a t e   t h e   P F C   s t a g e   w i t h   t h e   o u t p u t   v o l t a g e   r e g u l a t i o n   o r   i n v e r t e r   s t a g e ,   w h i c h   c a n   l e a d   t o   c o n s i d e r a b l e   c o s t   r e d u c t i o n .   T h e   s c h e m a t i c   o f   a n   a c   m o t o r   d r i v e   w i t h   t h e   P F C   s t a g e   i n t e g r a t e d   w i t h   t h e   i n v e r t e r   i s   s h o w n   i n   F i g .   3 .       F i g u r e   3 .   A C   m o t o r   d r i v e   w i t h   i n t e g r a t e d   P F C   s t a g e   a n d   i n v e r t e r .       2 .   U N I P O L A R   E X C I T A T I O N   O F   B L D C   M O T O R S :   S m o o t h   t o r q u e   p r o d u c t i o n   r e q u i r e s   f o r c i n g   a   c o n s t a n t   c u r r e n t   t h r o u g h   e a c h   p h a s e   w i n d i n g   w h e n   i t s   b a c k - e m f   i s   a t   i t s   p e a k   v a l u e   a n d   t u r n i n g   o f f   t h e   c u r r e n t   w h e n   t h e   b a c k - e m f   i s   c h a n g i n g .   F o r   b i p o l a r   e x c i t a t i o n ,   p o s i t i v e   c u r r e n t   i s   i n j e c t e d   w h e n   t h e   b a c k - e m f   i s   p o s i t i v e   a n d   n e g a t i v e   c u r r e n t   w h e n   t h e   b a c k - e m f   i s   n e g a t i v e ,   w i t h   e a c h   c o n d u c t i o n   p e r i o d   l a s t i n g   1 2 0 o .   T h i s   r e s u l t s   i n   t w o   p h a s e s   c o n d u c t i n g   c u r r e n t   a n d   p r o d u c i n g   t o r q u e   a t   a n y   i n s t a n t   o f   t i m e   a s   s h o w n   i n   t h e   w a v e f o r m s   o f   F i g u r e   4 ( a ) .   U n i p o l a r   c u r r e n t   c o n d u c t i o n   l i m i t s   t h e   p h a s e s   t o   o n l y   o n e   d i r e c t i o n   o f   c u r r e n t   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   4 ( b ) .   C o n s t a n t   t o r q u e   p r o d u c t i o n   i s   s t i l l   p o s s i b l e   b e c a u s e   o n e   p h a s e   i s   c o n d u c t i n g   c u r r e n t   a t   a n y   i n s t a n t .   I t   i s   o f   c o u r s e   p o s s i b l e   t o   h a v e   a n   o v e r l a p   i n   t h e   p h a s e   c o n d u c t i o n   t o   h a v e   a   s m o o t h e r   t o r q u e   p r o d u c t i o n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       S E P I C   C o n v e r t e r   b a s e d - D r i v e   f o r   U n i p o l a r   B L D C   M o t o r   ( T .   R a g h u )   1 6 1 T h e   p r i m a r y   m o t i v a t i o n   f o r   c h o o s i n g   u n i p o l a r   e x c i t a t i o n   i s   t h a t   i n   p r a c t i c e ,   t h e   i n v e r t e r   t y p i c a l l y   c o s t s   m o r e   t h a n   t h e   m o t o r   a n d   t h e r e   i s   a   g r e a t   p o t e n t i a l   f o r   r e d u c i n g   i t s   c o s t   a n d   h e n c e   t h e   o v e r a l l   c o s t   o f   t h e   d r i v e .   I n   a d d i t i o n   t o   c o s t   r e d u c t i o n ,   u n i p o l a r   e x c i t a t i o n   o f f e r s   t h e   f o l l o w i n g   a d v a n t a g e s :   -   T h e r e   i s   o n l y   o n e   d e v i c e   i n   s e r i e s   w i t h   e a c h   p h a s e ,   m i n i m i z i n g   c o n d u c t i o n   l o s s e s .   -   T h e   r i s k   o f   s h o o t - t h r o u g h   f a u l t s   i s   e l i m i n a t e d .   -   S w i t c h i n g   o f   d e v i c e s   c o n n e c t e d   t o   t h e   s u p p l y   r a i l s ,   w h i c h   g e n e r a l l y   r e q u i r e s   s o m e   i s o l a t i o n   c i r c u i t r y ,   c a n   b e   a v o i d e d .   A n o t h e r   f a c t o r   t h a t   h a s   t o   b e   c o n s i d e r e d   b e f o r e   c h o o s i n g   u n i p o l a r   e x c i t a t i o n   i s   t h a t   t h e   m o t o r   n e u t r a l   h a s   t o   b e   a v a i l a b l e   b e c a u s e   t h e   p h a s e   c u r r e n t s   a r e   n o   l o n g e r   b a l a n c e d .       ( a )                                                                                   ( b )   F i g u r e   4 .   B a c k - e m f ,   p h a s e   c u r r e n t   a n d   o u t p u t   t o r q u e   w a v e f o r m s   w i t h :   ( a )   b i p o l a r   e x c i t a t i o n   a n d   ( b )   u n i p o l a r   e x c i t a t i o n       3 .   P R O P O S E D   C O N V E R T E R   T h e   p r o p o s e d   c o n v e r t e r   w i t h   f o u r   c o n t r o l l e d   s w i t c h e s   a n d   d i o d e s   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   5 .   T h e   f r o n t - e n d   c o n s i s t s   o f   a   S E P I C   d c / d c   c o n v e r t e r   c o m p r i s e d   o f   i n d u c t o r s   L 1   a n d   L 2 ,   s w i t c h   S 1 ,   i n t e r m e d i a t e   c a p a c i t o r   C 1 ,   d i o d e   D 1   a n d   o u t p u t   c a p a c i t o r   C 2 .     T h e   m o d i f i c a t i o n   f r o m   t h e   u s u a l   S E P I C   c o n f i g u r a t i o n   i s   t h a t   t h e   d i o d e   D 1   i s   p l a c e d   i n   t h e   r e t u r n   p a t h   i n s t e a d   o f   i n   t h e   p o s i t i v e   r a i l .   T h i s   i s   t o   b l o c k   t h e   f l o w   o f   c u r r e n t   t h r o u g h   t h e   p h a s e s   d u r i n g   t h e   p e r i o d s   o f   n e g a t i v e   b a c k - e m f .   A ,   B ,   a n d   C   a r e   t h e   t h r e e   m a c h i n e   w i n d i n g s   a n d   t h e   c u r r e n t s   t h r o u g h   t h e m   a r e   c o n t r o l l e d   b y   t u r n - o n   a n d   t u r n - o f f   o f   t h e   s w i t c h e s   S A ,   S B   a n d   S C   r e s p e c t i v e l y .   S i n c e   t h e r e   i s   o n l y   o n e   s w i t c h   p e r   p h a s e ,   t h e   c u r r e n t s   t h r o u g h   t h e m   a r e   u n i d i r e c t i o n a l .   T h e   d i o d e s   D A ,   D B   a n d   D c   s e r v e   t o   f r e e w h e e l   t h e   w i n d i n g   c u r r e n t s   w h e n   t h e   s w i t c h e s   a r e   t u r n e d   o f f   d u r i n g   c u r r e n t   r e g u l a t i o n   a n d   p h a s e   c o m m u t a t i o n .   T h e   o u t p u t   o f   t h e   c o n v e r t e r   i s   u s e d   t o   e n e r g i z e   t h e   t h r e e   p h a s e s   o f   t h e   m o t o r ,   a n d   t h e   v o l t a g e   o f   c a p a c i t o r   C 1   i s   u s e d   t o   d e m a g n e t i z e   t h e   p h a s e s   d u r i n g   t u r n - o f f   a n d   f o r   c u r r e n t   c o n t r o l .         F i g u r e   5 .     S c h e m a t i c   o f   S E P I C   c o n v e r t e r   b a s e d   B L D C   m o t o r   d r i v e .     F o r   p r o p e r   d e m a g n e t i z a t i o n   o f   t h e   p h a s e   a f t e r   e a c h   c o n d u c t i o n   i n t e r v a l   a n d   t o   p r e v e n t   c o n d u c t i o n   d u r i n g   p e r i o d s   o f   n e g a t i v e   b a c k - e m f ,   t h e   i n s t a n t a n e o u s   v a l u e   o f       V C1   s h o u l d   b e   g r e a t e r   t h a n   t h e   p e a k   v a l u e   o f   t h e   b a c k - e m f   E ,   o r     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I J E C E     V o l .   x ,   N o .   x ,     S e p t e m b e r   2 0 1 x   :     x x     x x   1 6 2                                               V C1   >   E         ( 1 )     B y   a p p l y i n g   K i r c h h o f f s   v o l t a g e   l a w   t o   t h e   S E P I C   f r o n t - e n d ,   w e   o b t a i n     V in   =   V L 1 + V C1 + V L 2     S i n c e   t h e   a v e r a g e   v o l t a g e s   i n   t h e   t w o   i n d u c t o r s   a r e   z e r o ,   w e   g e t                                                 V in   =   V C1         ( 2 )     F r o m   e q u a t i o n s   ( 1 )   a n d   ( 2 ) ,   w e   o b t a i n   t h e   p e a k   b a c k - e m f   a t   t h e   m a x i m u m   s p e e d   o f   t h e   m o t o r ,   w h i c h   i s   g i v e n   b y ,   E m a x   =   V in   a s s u m i n g   t h a t   t h e   r i p p l e   i n   t h e   i n t e r m e d i a t e   c a p a c i t o r   v o l t a g e   i s   n e g l i g i b l e .   T h e   m a x i m u m   o p e r a t i n g   s p e e d   i s   t h e n   g i v e n   b y   ω m a x = V in / K e   ,   w h e r e   K e   i s   t h e   p h a s e   b a c k - e m f   c o n s t a n t   o f   t h e   m o t o r .   T h e   f r o n t - e n d   S E P I C   c o n v e r t e r   c a n   b e   d e s i g n e d   f o r   o p e r a t i o n   e i t h e r   i n   t h e   c o n t i n u o u s   c o n d u c t i o n   m o d e   ( C C M )   o r   i n   t h e   d i s c o n t i n u o u s   c o n d u c t i o n   m o d e   ( D C M ) .   I n   C C M ,   i t s   v o l t a g e   c o n v e r s i o n   r a t i o   i s   g i v e n   b y   =  = 1   W h e r e   D   i s   t h e   d u t y   c y c l e   o f   t h e   s w i t c h   S 1   I n   D C M ,   i t s   v o l t a g e   c o n v e r s i o n   r a t i o   i s   g i v e n   b y       =   =   w h e r e   ,     K = 2 L 1 L 2 / R T ( L 1 + L 2 )   , R   b e i n g   t h e   e q u i v a l e n t   l o a d   r e s i s t a n c e   a n d   T   t h e   t i m e   p e r i o d   o f   s w i t c h   S 1   . T h e   b o u n d a r y   v a l u e   o f   K   b e t w e e n   c o n t i n u o u s   a n d   d i s c o n t i n u o u s   c o n d u c t i o n   m o d e s ,     K c r it     c a n   b e   c a l c u l a t e d     ( m = m d )   a s     K c r it  =   ( 1 - D ) 2     T h e   c o n v e r t e r   o p e r a t e s   i n   C C M   w h e n   K   >   K c r it   a n d   i n   D C M   w h e n   K   <   K c r it .   I n   b o t h   m o d e s   o f   o p e r a t i o n ,   V d c   c a n   b e   r e g u l a t e d   a t   a   v a l u e   h i g h e r   ( B o o s t   o p e r a t i o n )   o r   l o w e r   ( B u c k   o p e r a t i o n )   t h a n   t h e   i n p u t   v o l t a g e   V in   .   F r o m   t h e   c o n t r o l s   v i e w p o i n t ,   i t   i s   a d v a n t a g e o u s   t o   h a v e   t h e   c o n v e r t e r   o p e r a t i n g   i n   t h e   s a m e   m o d e   u n d e r   a l l   l o a d   c o n d i t i o n s .   I n   a d d i t i o n ,   t h e   s i z e   o f   t h e   i n d u c t o r s   a n d   h e n c e   t h e   o v e r a l l   c o n v e r t e r   c a n   b e   r e d u c e d   i f   i t   i s   o p e r a t e d   i n   D C M .   H e n c e   i t   i s   p r o p o s e d   t h a t   t h e   c o n v e r t e r   b e   d e s i g n e d   f o r   o p e r a t i o n   i n   t h e   c r i t i c a l   c o n d u c t i o n   m o d e   a t   m a x i m u m   l o a d ,   s o   t h a t   i t   o p e r a t e s   i n   D C M   a t   r a t e d   l o a d   a n d   a l l   v a l u e s   l e s s   t h a n   r a t e d   l o a d .       4 .     A C   S U P P L Y   O P E R A T I O N   F o r   a p p l i c a t i o n s   r e q u i r i n g   o p e r a t i o n   f r o m   a n   a c   s u p p l y ,   i t   i s   d e s i r e d   t o   o b t a i n   i m p r o v e d   p o w e r   f a c t o r   b y   u s i n g   t h e   p r o p o s e d   t o p o l o g y   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   6 .   T h e   c o n v e r t e r   w o r k s   a s   a   v o l t a g e   f o l l o w e r ,   m e a n i n g   t h a t   t h e   i n p u t   c u r r e n t   n a t u r a l l y   f o l l o w s   t h e   i n p u t   v o l t a g e   p r o f i l e   a n d   t h e   t h e o r e t i c a l   p o w e r   f a c t o r   i s   u n i t y .               F i g u r e   6 .   S c h e m a t i c   o f   t h e   p r o p o s e d   c o n v e r t e r   o p e r a t i n g   f r o m   a n   a c   s u p p l y .     W i t h   a   u n i p o l a r   B L D C   m o t o r   l o a d ,   t h e   i n t e r m e d i a t e   c a p a c i t o r   v o l t a g e   h a s   t o   b e   g r e a t e r   t h a n   t h e   p h a s e   b a c k - e m f   f o r   p r o p e r   d e m a g n e t i z a t i o n   o f   t h e   p h a s e s .   T h i s   c a u s e s   a   d i s t o r t i o n   o f   t h e   i n p u t   c u r r e n t   w a v e f o r m   a r o u n d   h i s   z e r o - c r o s s i n g s   o f   t h e   i n p u t   v o l t a g e .   T h i s   i s   a c c e p t a b l e   b e c a u s e   t h e   i n p u t   c u r r e n t   s h a p i n g   i s   a c h i e v e d   a t   n o   c o s t   t o   t h e   d r i v e ,   a n d   a s   w i l l   b e   s e e n ,   t h e   r e s u l t i n g   p o w e r   f a c t o r   i s   b e t t e r   t h a n   w i t h   t h e   c o n v e n t i o n a l   c i r c u i t   c o n f i g u r a t i o n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       S E P I C   C o n v e r t e r   b a s e d - D r i v e   f o r   U n i p o l a r   B L D C   M o t o r   ( T .   R a g h u )   1 6 3 T h e r e   i s   a   p r a c t i c a l   l i m i t   t o   t h e   p o w e r   l e v e l   u p   t o   w h i c h   d c / d c   c o n v e r t e r s   c a n   b e   o p e r a t e d   i n   D C M .   T h i s   l i m i t   i s   r e a c h e d   a r o u n d   3 0 0 W .   T h e   u s e   o f   u n i p o l a r   e x c i t a t i o n   f o r   B L D C   m o t o r s   b e y o n d   t h i s   p o w e r   r a t i n g   i s   a l s o   n o t   r e c o m m e n d e d ,   a s   b i p o l a r   e x c i t a t i o n   w o u l d   b e t t e r   u t i l i z e   t h e   m a c h i n e   w i n d i n g s .   S o   t h e   p r o p o s e d   t o p o l o g y   i s   w e l l - s u i t e d   t o   l o w - p o w e r ,   l o w - p e r f o r m a n c e   a p p l i c a t i o n s   w h e r e   c o s t   i s   a   m a j o r   c o n s i d e r a t i o n .       5 .     S I M U L A T I O N   R E S U L T S   T h e   o p e r a t i o n   o f   t h e   p r o p o s e d   t o p o l o g y   h a s   b e e n   v e r i f i e d   b y   s i m u l a t i o n   u s i n g   M A T L A B / S I M U L I N K .   A   b l o c k   d i a g r a m   o f   t h e   d r i v e   s y s t e m   i m p l e m e n t a t i o n   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   7 .   T h e   r o t o r   p o s i t i o n   i s   s e n s e d   b y   m e a n s   o f   t h r e e   h a l l   s e n s o r s ,   a n d   t h e   p o s i t i o n   i n f o r m a t i o n   i s   u s e d   t o   d e t e r m i n e   t h e   p h a s e   w i n d i n g   t o   b e   e x c i t e d .   T h e   m o t o r   s p e e d   i s   d e r i v e d   f r o m   t h e   p o s i t i o n   i n p u t s   a n d   i s   c o m p a r e d   w i t h   t h e   s p e e d   r e f e r e n c e   t o   g e n e r a t e   t h e   c u r r e n t   r e f e r e n c e s .     H y s t e r e s i s   c o n t r o l   i s   u s e d   t o   r e g u l a t e   t h e   p h a s e   c u r r e n t s   t o   t h e   r e f e r e n c e   c u r r e n t .   T h e   d c   b u s   v o l t a g e   i s   r e g u l a t e d   b y   P W M   c o n t r o l   o f   t h e   s w i t c h   S 1 .   T h e   m o t o r   s h a f t   i s   c o u p l e d   t o   a   h y s t e r e s i s   b r a k e   a c t i n g   a s   a   l o a d       F i g u r e   7 .   B l o c k   d i a g r a m   o f   t h e   d r i v e   s y s t e m     A   P I   c o n t r o l l e r   i s   u s e d   t o   c o m p a r e   t h e   r e f e r e n c e   a n d   a c t u a l   s p e e d   a n d   g e n e r a t e   t h e   c u r r e n t   r e f e r e n c e .   T h e   p e r f o r m a n c e   i m p r o v e m e n t   a c h i e v e d   b y   u s i n g   t h e   p r o p o s e d   t o p o l o g y   i s   e v i d e n t .           F i g u r e   8 .   O u t p u t   D C   V o l t a g e   w a v e f o r m   b e f o r e   b o o s t i n g     F i g u r e   9 .   O u t p u t   D C   V o l t a g e   w a v e f o r m   a f t e r   b o o s t i n g                         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I J E C E     V o l .   x ,   N o .   x ,     S e p t e m b e r   2 0 1 x   :     x x     x x   1 6 4     F i g u r e   1 0 .   D C   E r r o r   V o l t a g e   w a v e f o r m   F i g u r e   1 1 .   S p e e d   E r r o r   w a v e f o r m               F i g u r e   1 2 .   R o t o r   S p e e d   w a v e f o r m   F i g u r e   1 3 .   S t a t o r   C u r r e n t   I a   a n d   E M F   E a   w a v e f o r m     6 .     C O N C L U S I O N               A   n e w   c o n v e r t e r   t o p o l o g y   b a s e d   o n   a   S E P I C   c o n v e r t e r   o p e r a t i n g   i n   D C M   h a s   b e e n   p r o p o s e d   f o r   u n i p o l a r   e x c i t a t i o n   o f   b r u s h l e s s   d c   m o t o r s .   T h e   p r o p o s e d   s c h e m e   h a s   t h e   f o l l o w i n g   a d v a n t a g e s .   1 .   T h e   p r o p o s e d   c o n v e r t e r   u s e s   o n l y   f o u r   c o n t r o l l e d   s w i t c h e s ,   a l l   o f   w h i c h   a r e   r e f e r e n c e d   t o   g r o u n d .   T h i s   c o n s i d e r a b l y   s i m p l i f i e s   t h e i r   g a t e   d r i v e   c i r c u i t r y   a n d   r e s u l t s   i n   l o w   c o s t   a n d   c o m p a c t   p a c k a g i n g .   2 .   I t   i s   c a p a b l e   o f   b u c k i n g   o r   b o o s t i n g   t h e   a v a i l a b l e   i n p u t   d c   v o l t a g e   t o   m a x i m i z e   t h e   c u r r e n t - r e g u l a t e d   o p e r a t i o n   o f   t h e   d r i v e .   3 .   T h e   i n p u t   c u r r e n t   n a t u r a l l y   f o l l o w s   t h e   i n p u t   v o l t a g e   t o   a   c e r t a i n   e x t e n t ,   r e d u c i n g   t h e   a m o u n t   o f   l o w - o r d e r   h a r m o n i c s   a n d   r e s u l t i n g   i n   a   h i g h   p o w e r   f a c t o r .   4 .   E l i m i n a t e s   t h e   p o s s i b i l i t y   o f   s h o o t - t h r o u g h   f a u l t s   w h i c h   c o u l d   o c c u r   i n   b i p o l a r   c o n v e r t e r s .   5 .   L o w e r   c o n d u c t i o n   a n d   s w i t c h i n g   l o s s e s   b e c a u s e   o f   t h e   p r e s e n c e   o f   o n l y   o n e   s w i t c h   a n d   d i o d e   p e r   p h a s e   a s   o p p o s e d   t o   t w o   i n   t h e   b i p o l a r   c a s e .       R E F E R E N C E S :   [ 1 ]     R.   K r i s h n a n ,   A   n o v e l   s i n g l e   s w i t c h   p e r   p h a s e   c o n v e r t e r   t o p o l o g y   f o r   f o u r - q u a d r a n t   P M   Br u s h l e s s   d c   m o t o r   d r i v e ,   i n   P r o c .   I E E E   I A S   A n n u .   M e e t i n g ,   v o l .   1 ,   O c t .   1 9 9 6 ,   p p .   3 1 1 3 1 8 .   [ 2 ]     J .   S e b a s t i á n ,   M .   J a u r e g u i z a r ,   a n d   J .   U c e d a ,   A n   o v e r v i e w o f   p o w e r   f a c t o r   c o r r e c t i o n   i n   s i n g l e - p h a s e   o f f - l i n e   p o w e r   s u p p l y   s y s t e m s ,   i n   P r o c .   I E E E   I E CO N’ 9 4   C o n f . ,   v o l .   3 ,   1 9 9 4 ,   p p .   1 6 8 8 1 6 9 3 .   [ 3 ]     J .   S k i n n e r   a n d   T .   A .   L i p o ,   I n p u t   c u r r e n t   s h a p i n g   i n   Br u s h l e s s   d c   m o t o r   d r i v e s   u t i l i z i n g   i n v e r t e r   c u r r e n t   c o n t r o l ,   i n   P r o c .   5 t h   I n t l .   C o n f .   E l e c t .   M a c h .   D r i v e s ,   1 9 9 1 ,   p p .   1 2 1 1 2 5 .   [ 4 ]     R.   P .   M a s s e y   a n d   E .   C.   S n y d e r ,   H i g h   v o l t a g e   s i n g l e - e n d e d   d c - d c   c o n v e r t e r ,   i n   P r o c .   I E E E   P E S C’ 7 7   Co n f . ,   1 9 7 7 ,   p p .   1 5 6 1 5 9 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       S E P I C   C o n v e r t e r   b a s e d - D r i v e   f o r   U n i p o l a r   B L D C   M o t o r   ( T .   R a g h u )   1 6 5 [ 5 ]     D .   S .   L .   S i m o n e t t i ,   J .   S e b a s t i á n ,   a n d   J .   U c e d a ,   T h e   d i s c o n t i n u o u s   c o n d u c t i o n   m o d e   S E P I C   a n d   C u k   p o w e r   f a c t o r   p r e r e g u l a t o r s :   a n a l y s i s   a n d   d e s i g n ,   I E E E   T r a n s .   I n d .   E l e c t r o n . ,   v o l .   4 4 ,   p p .   6 3 0 6 3 7 ,   O c t .   1 9 9 7 .   [ 6 ]     T .   K e n j o   a n d   S .   N a g a m o r i ,   P e r m a n e n t - M a g n e t   a n d   B r u s h l e s s   D M o t o r s .   O x f o r d ,   U . K . :   Cl a r e n d o n   P r e s s ,   1 9 8 5 .   [ 7 ]     J .   R.   H e n d e r s h o t   J r .   a n d   T .   J .   E .   M i l l e r ,   D e s i g n   o f   B r u s h l e s s   P e r m a n e n t   M a g n e t   M o t o r s .   H i l l s b o r o ,   O R:   M a g n a   P h y s i c s   P u b l i s h i n g ,   1 9 9 4 .   [ 8 ]   T .   G o p a l a r a t h n a m ,   S .   W a i k a r ,   H .   A .   T o l i y a t ,   M .   S .   A r e f e e n ,   a n d   J .   C.   M o r e i r a ,   D e v e l o p m e n t   o f   l o w - c o s t   m u l t i - p h a s e   Br u s h l e s s   d c   ( BL D C)   m o t o r s   w i t h   u n i p o l a r   c u r r e n t   e x c i t a t i o n s ,   i n   P r o c .   I E E E   I A S   A n n u .   M e e t i n g ,   O c t .   1 9 9 9 ,   p p .   1 7 3 1 7 9 .   [ 9 ]     R.   K r i s h n a n   a n d   P .   V i j a y r a g h a v a n ,   A   n e w   p o w e r   c o n v e r t e r   t o p o l o g y   f o r   P M   Br u s h l e s s   d c   m o t o r   d r i v e s ,   i n   P r o c .   I E E E   I E CO N’ 9 8   C o n f . ,   v o l .   2 ,   1 9 9 8 ,   p p .   7 0 9 7 1 4 .       B I B L I O G R A P H Y   O F   A U T H O R S :       M r .   T.   R a g h u   w a s   b o r n   i n   1 9 7 9 .   H e   r e c e i v e d   h i s   B . T e c h   d e g r e e   i n   E l e c t r i c a l   a n d   E l e c t r o n i c s   E n g i n e e r i n g   a n d   M . T e c h   d e g r e e   i n   P o w e r   E l e c t r o n i c e   f r o m   J a w a h a r l a l   N e h r u   T e c h n o l o g i c a l   U n i v e r s i t y ,   H y d e r a b a d .   P r e s e n t l y   h e   i s   w o r k i n g   a s   A s s i s t a n t   p r o f e s s o r   i n   A n u r a g   e n g i n e e r i n g   c o l l e g e ,   K o d a d .   H e   i s   g u i d i n g   b o t h   u n d e r g r a d u a t e   a n d   p o s t   g r a d u a t e   s t u d e n t   p r o j e c t s .   H i s   a r e a   o f   i n t e r e s t   i n c l u d e s   P o w e r   E l e c t r o n i c s   a n d   D r i v e s .     E - m a i l :     r a g h u . t h u m u @ g m a i l . c o m             M r .   S .   C h a n d r a s e k h a r   w a s   b o r n   i n   1 9 7 8 .   H e   r e c e i v e d   h i s   B. T e c h   d e g r e e   i n   E l e c t r i c a l   a n d   E l e c t r o n i c s   E n g i n e e r i n g   a n d   M . T e c h   d e g r e e   i n   H i g h   V o l t a g e   E n g i n e e r i n g   f r o m   J a w a h a r l a l   N e h r u   T e c h n o l o g i c a l   U n i v e r s i t y ,   K a k i n a d a .   P r e s e n t l y   h e   i s   w o r k i n g   a s   A s s i s t a n t   p r o f e s s o r   i n   A n u r a g   e n g i n e e r i n g   c o l l e g e ,   K o d a d .   H e   i s   g u i d i n g   b o t h   u n d e r g r a d u a t e   a n d   p o s t   g r a d u a t e   s t u d e n t   p r o j e c t s .   H i s   a r e a   o f   i n t e r e s t   i n c l u d e s   H i g h   v o l t a g e   t r a n s m i s s i o n ,   P o w e r   E l e c t r o n i c s   a n d   D r i v e s .     E - m a i l :   h o d . e e e @ a n u r a g . a c . i n             M r .   J .   S r i n i v a s   R a o   w a s   b o r n   i n   1 9 8 1 .   H e   r e c e i v e d   h i s   B. T e c h   d e g r e e   i n   E l e c t r i c a l   a n d   E l e c t r o n i c s   E n g i n e e r i n g   a n d   M . T e c h   d e g r e e   i n   P o w e r   E l e c t r o n i c e   f r o m   J a w a h a r l a l   N e h r u   T e c h n o l o g i c a l   U n i v e r s i t y ,   H y d e r a b a d .     P r e s e n t l y   h e   i s   w o r k i n g   a s   A s s i s t a n t   p r o f e s s o r   i n   A n u r a g   e n g i n e e r i n g   c o l l e g e ,   K o d a d .   H e   i s   g u i d i n g   b o t h   u n d e r g r a d u a t e   a n d   p o s t   g r a d u a t e   s t u d e n t   p r o j e c t s .   H i s   a r e a   o f   i n t e r e s t   i n c l u d e s   P o w e r   E l e c t r o n i c s   a n d   D r i v e s .     E - m a i l :   j a n i g a s r i n i v a s r a o @ g m a i l . c o m                                           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.