I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.  13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 ,   p p .   8 7 4 ~ 8 8 5   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e . v 1 3 . i 4 . pp 874 - 885          874       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij a p e . ia esco r e. co m   Lo w   co st pulsed  e lectr ic  f ield  gener a tor using  DC - D C boo st  co nv erte r and  ca pa citor   dio de vo lt a g e multiplier       J ey a   Sh re e  T hu la s ida s ,   Srini v a s a n P urus ho t ha m a n,  Sriv a t s en  Ra v is ha nk er ,   T hej a s wa ro o pa n  M o uro ug a iy a n ,   Arr uthra   Anilk um a r   D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s  En g i n e e r i n g ,   S R M   I n st i t u t e   o f   S c i e n c e   a n d   Te c h n o l o g y ,   R a ma p u r a m,  I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   2 1 ,   2 0 2 3   R ev is ed   J u n   1 9 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   J u l 1 9 ,   2 0 2 4       Trad it io n a l  h i g h - v o l tag e   p u lse   g e n e ra to rs,  li k e   M a rx   g e n e ra to rs   o ften   fa c e   c h a ll e n g e s  re late d   t o   e fficie n c y   a n d   c o m p lex it y .   In   th is   p a p e r,   a   s o li d - sta te  m u lt i - m o d u le  h i g h - v o lt a g e   p u lse   g e n e ra to r  th a t  in te g ra tes   c a p a c it o r - d io d e   v o lt a g e   m u lt i p li e rs  (CDV M )   wit h   DC - DC  b o o st  c o n v e rters   a n d   c lo se d - lo o p   v o lt a g e   c o n tro l   is   p r o p o se d   to   o v e rc o m e   th e se   c h a ll e n g e s .  T h e   sy ste m   a c h iev e s  h i g h   o u tp u t   v o lt a g e   b y   c o u p l in g   t h e   p u lse d   o u t p u t   v o lt a g e s  o f   in d i v id u a l  l o w - v o lt a g e   DC  s o u rc e s  in   se ries   a c ro ss   e a c h   m o d u le.  Th e   p ro p o se d   d e si g n   wa s  m o d e led   u sin g   M ATLAB,   a n d   e x p e rime n t a l  tes ti n g   wa s  c o n d u c ted   o n   a   si n g le  sta g e .   Co m p a ra ti v e   a n a l y se s  b e tw e e n   ti m e - d o m a in   p a ra m e ters ,   p ro p o rti o n a l - in teg ra l   ( PI ) ,   a n d   fra c ti o n a l  o r d e r  p ro p o rti o n a l   in te g ra l  d e riv a ti v e   ( F OPID )   c o n tro ll e rs  we re   p e rfo r m e d .   Bo t h   M ATLAB  sim u latio n s  a n d   e x p e rime n tal  v a li d a ti o n s  d e m o n stra te  th e   e ffe c ti v e n e ss   o f  th is  a p p r o a c h .   T h e   rise   ti m e ,   p e a k   ti m e ,   se tt li n g   ti m e ,   a n d   ste a d y - sta te  e rro r   a re   a ll   imp ro v e d   u si n g   a n   F OPID   c o n tro ll e r,   d e c re a sin g   fro m   0 . 3 2   t o   0 . 3 1   se c o n d s,   0 . 4 2   to   0 . 3 5   se c o n d s,   a n d   3 . 1 5   t o   2 . 2 0   se c o n d s,  re sp e c ti v e ly .   T h e se   fin d in g s  i n d ica te  th a t  a   c lo se d - l o o p   F OPID   c o n tro ll e r  e n h a n c e s  ti m e - d o m a in   p e rfo rm a n c e   p a ra m e ters   m o re   e ffe c ti v e ly   th a n   a   P I   c o n tro ll e r  fo r  a   two - sta g e   DC - DC   v o l tag e   m u lt i p li e r.   K ey w o r d s :   C lo s ed   lo o p   C o n tr o ller   DC - DC   b o o s t c o n v er ter   Pu ls e  g en er ato r   Vo ltag e  m u ltip lier   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Srin iv asan   Pu r u s h o th am a n   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g in ee r i n g ,  SR M  I n s titu te  o f   Scien ce   an d   T ec h n o lo g y   R am ap u r am ,   C h en n ai,   I n d ia   E m ail:  s r in iv asp 8 0 8 @ g m ail. c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   Hig h - in ten s ity ,   s h o r t - d u r atio n   elec tr ical  p u ls es  ar e  u s ed   to   g en er ate   th e  elec tr o p o r atio n   p u ls es   [ 1 ] .   E lectr o p o r atio n   is   th e  p r o ce s s   o f   f o r m in g   p o r es  in   ce ll  m em b r an es,  wh ic h   ca n   b e  e ith er   r ev er s ib le  o r   ir r ev er s ib le  d ep en d in g   o n   th e  ap p lied   elec tr ical  p u ls e   p ar am eter s   s u ch   as  elec tr ic   f ield   in ten s ity   an d   d u r atio n   [ 2 ] .   Du r in g   ir r ev er s ib le  elec tr o p o r atio n ,   th e  p o r es  cr ea ted   i n   th e  ce ll  m em b r an e  d o   n o t  r eseal,   wh er ea s ,   in   r ev er s ib le  elec tr o p o r atio n ,   th e   p o r es  m ay   r eseal  wh en   t h e  elec tr ic  f ield   is   tu r n ed   o f f   [ 3 ] .   T h e   b io m e d ical,   en v ir o n m en tal,   f o o d   p r eser v a tio n   an d   p r o ce s s in g   in d u s tr ies   em p lo y   r ev er s ib le/ir r ev e r s ib le  elec tr o p o r atio n   d ep en d i n g   u p o n   th e  a p p licatio n   [ 4 ] .   So lid - s tate  Ma r x   g en e r a to r s   ar e  th e  m o s t  wid ely   u s ed   h ig h - v o ltag e  p u ls e   g en er ato r s   [ 5 ] .   T h e y   r eq u ir e  n u m er o u s   ex p en s iv e  an d   s p ac e - co n s u m in g   s em ico n d u cto r   co m p o n e n ts   to   s tep   u p   DC   v o ltag e  [ 6 ] .   Mu ltip o r t  DC - DC   co n v er ter s   o f f er   a  co s t - ef f ec tiv e  s o lu tio n   d u e  to   th eir   c o m p ac t  d esig n   an d   r ed u ce d   c o m p o n en t c o u n t c o m p ar ed   to   m u ltip le  in d ep en d e n t D C - DC   co n v er ter s   [ 7 ] .     At  h ig h   v o ltag es,  s witch in g   v o ltag e  s tr ess   p o s es   a  s ig n if i ca n t  ch allen g e  f o r   DC - DC   c o n v er ter s .   Hig h - v o ltag e  s witch es c an   in tr o d u ce   v o ltag e  s tr ess   d u e  to   th eir   s u b s tan tial f o r war d   v o ltag e  d r o p   an d   ON - s tate  r esis tan ce ,   ad v er s ely   a f f ec tin g   o v e r all  ef f icien c y .   I n s u late d   g ate   b ip o lar   tr an s is to r   ( I G B T )   is   th e  p r im a r y   s em ico n d u cto r   u s ed   f o r   h ig h - v o ltag e  ap p licatio n s   [ 8 ] .   Ho wev er ,   I GB T   s u f f er s   f r o m   s ig n if ican t  s witch in g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Lo w   co s t p u ls ed   elec tr ic  field   g en era to r   u s in g   DC - DC   b o o s t c o n ve r ter  … ( Je ya   S h r ee   Th u la s id a s )   875   lo s s es,  lim itin g   th eir   s witch in g   f r eq u en cy   to   a p p r o x im ately   1   k Hz  [ 9 ] .   C o n s eq u en tly ,   I G B T s   ar e  in ef f icien t  f o r   m u ltip o r t  DC - DC   co n v er ter s .   T h is   s y s tem ,   th er ef o r e,   em p lo y s   a  m u ltip o r t  DC - DC   co n v er ter   th at  en s u r es  h ig h   ef f icien cy ,   s m aller   p ass iv e  co m p o n en ts ,   an d   r ed u ce d   v o ltag e  s tr ess   o n   s em ico n d u cto r s .   Ou r   m o d el  u tili ze s   h y b r id   r e n ewa b le  en er g y   s o u r ce s   an d   co n v er ter   to p o lo g ies  f o r   ef f ic ien t  en er g y   p r o d u ctio n .   T o   b alan ce   elec t r icity   o u t p u t  a n d   co n s u m p tio n   with in   a  p o wer   s y s tem ,   f u el  ce ll  s tack s   an d   p h o to v o ltaic  s o lar   p an els  ar e   u s ed   in   co m b i n atio n .   T h e   two   m o s t  co m m o n   m eth o d s   f o r   c o m b in in g   m u ltip le  in p u t  p o wer   s o u r ce s   ar e  m u lti p le - co n v e r ter   s y s tem s   an d   m u ltip le - p o r t  s y s tem s   [ 1 0 ] .   T h ese  m eth o d s   allo w  f o r   s ev er al  in p u t  p o r ts   to   s h ar e  th e  o u tp u t  s tag e.   B ec au s e  f ewe r   co m p o n en ts   will  b e  n ee d e d ,   th e  co s t  will  b e  lo wer ,   an d   t h e  s y s tem ' s   o v er all  ef f icien cy   an d   p o wer   d en s ity   will  b e  im p r o v e d .   C ap ac ito r - d io d e   v o ltag e   m u ltip lier s   ( C DVM )   ar e  s m all,   h av e   less   weig h t,  a n d   h av e  h ig h     ef f icien cy   [ 7 ] .   As  a  r esu lt,  it  m ay   b e   u tili ze d   s u cc ess f u lly   t o   p r o d u ce   s tr o n g   p u ls ed   elec tr ic  f ield s   ( PEF)   [ 1 1 ] .   W e  p r o p o s e   a   h ig h - v o lta g e  p u ls e  g en er ato r   b ased   o n   an   u n co n tr o lled   C DVM   an d   a  DC - DC   b o o s t  co n v e r ter   [ 1 2 ] .   T h e  p r o p o s ed   h ig h   v o lta g e  ( HV )   p u ls e  g en e r ato r   m a y   b e  u s ed   f o r   PEF  ap p licatio n s   with   th e  f o llo win g   k ey   b e n ef its :   -   Hig h   s y s tem   ef f icien cy   b ec au s e  n o   tr an s f o r m er   is   u s ed ;   -   I t is su f f icien t to   u s e  an   AC   in p u t p o wer   s o u r ce   with   lo w  v o l tag e  an d   lo w  f r eq u en cy ;   -   I t is p o s s ib le  to   co n tr o l th e   o u t p u t v o ltag e ; a n d   -   Sy s tem   ex p en s es a r e  r ed u ce d   b y   u s in g   l o w - v o ltag e  ca p ac ito r s   an d   d io d es to   ac h iev e  h ig h   PEF .       2.   P RO P O SE D  P E F   G E N E RA T O R   T h e  ex is tin g   s in g le - s tag e  DC - DC   v o ltag e  m u ltip lier   is   s h o wn   in   Fig u r e  1 .   Usi n g   a  b o o s t  co n v er ter ,   lo w - v o ltag e  DC   is   s tep p e d   u p   to   a  ce r tain   lev el  a n d   th en   ap p lied   to   t h e  lo a d   at   its   r ated   v o ltag e.   Du e   t o   v o ltag e  d r o p   b etwe en   d io d es  an d   lo s s es  in   th e   ca p ac ito r s ,   th e  s in g le - s tag e   DC - DC   v o ltag e  m u ltip lier   th at   is   u s ed   cu r r en tly   h as  p o o r   e f f ici en cy .   I n   a p p licatio n s   n ee d in g   h ig h er   o u tp u t  v o ltag es,  a  s u b s tan tial  p ar t  o f   th e  in p u t  p o wer   m ay   b e   wasted   as  h ea t.   I t   also   h as   lo w   o u tp u t  p o wer ,   p o o r   co n tr o l,  an d   s ig n if ican t    v o ltag e  s tr ess   [ 1 3 ] - [ 1 7 ] .   T h e  p r o p o s ed   DC - DC   v o ltag e  m u ltip lier   in co r p o r ates  p h o t o v o ltaic  ( PV)   an d   f u el  ce lls ,   wh ich   ar e  d ee m ed   ef f icien t  ch o ices  am o n g   o th er   r e n ewa b le  en er g y   s o u r ce s   [ 1 8 ] - [ 2 2 ] ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r e   2 .   I n   s u ch   a  s y s tem ,   th e  en er g y   s to r ag e  u n it m an ag es th e  m is m atch   p o wer ,   ab s o r b in g   th e  e x ce s s   en er g y   d u r i n g   lig h t lo ad   co n d itio n s   an d   s u p p ly in g   th e  en er g y   s h o r tag e  d u r in g   h ig h   lo ad   co n d itio n s .   C o n s eq u en tly ,   d ep en d i n g   o n   th e   o u tp u t  o f   th e  r en ewa b le  en e r g y   s o u r ce   an d   th e  a m o u n t o f   lo ad ,   p o wer   f lo w  m ay   d if f e r   [ 2 3 ] .   T o   less en   th e  r ip p le  v o ltag e  o f   th e  o p en - lo o p   s y s tem ,   a  lar g e  s tep - u p   v o ltag e  m u ltip lier   is   s u g g ested .   Fig u r e   3   d ep icts   th e  s u g g ested   cir cu it  d iag r am   f o r   a  two - s t ag e  DC - DC   v o ltag e  m u ltip lie r   with   an   o p en - lo o p   s y s tem .   T h e  f u n d a m en tal  b en ef it  o f   a  two - s tag e  v o ltag e  m u ltip lier   o v er   a  s in g le - s tag e  o n e  is   th at  it  en ab les  h ig h er   v o ltag e  m u ltip licatio n   with o u t  co n s id er ab l y   r aisi n g   t h e  co m p lex ity   o f   ea c h   s tag e  in d iv id u ally .   Als o ,   it  o f f er s   ad d itio n al  s ig n if ica n ce   in   ter m s   o f   h i g h er   v o ltag e   o u t p u t,  r e d u ce d   v o ltag e  s tr ess ,   im p r o v e d   ef f icien cy ,   an d   im p r o v ed   o u tp u t  r e g u lati o n   [ 2 4 ] .   Fig u r e   4   d ep icts   a  t wo - s tag e  v o ltag e   m u ltip lier   DC - DC   co n v er ter ' s   clo s ed - lo o p   cir cu it  d iag r a m   with   p r o p o r tio n al - i n teg r al   ( PI )   an d   f r ac tio n al  o r d er   p r o p o r ti o n al  in teg r al  d er iv ativ e  ( FOPID )   co n t r o ller   s y s tem s .           Fig u r e   1 .   Diag r a m   s h o win g   cu r r en t  s in g le - s tag e   DC - DC   v o ltag e  m u ltip lier           Fig u r e  2 .   Sch em atic  o f   en v is io n ed   d u al - s tag e  DC - DC   v o ltag e  m u ltip lier   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  8 7 4 - 885   876       Fig u r e   3 .   Pro p o s ed   cir c u it f o r   a  two - s tag e  v o ltag e  m u ltip lier   DC - DC   co n v er ter   s y s tem           Fig u r e   4 .   PI  a n d   FOPID  co n tr o ller   s y s tem - eq u ip p e d   cir cu it  s ch em atic  f o r   p r o p o s ed   two - s tag e  v o ltag e  m u ltip lier   DC - DC   co n v er ter       3.   M E T H O D   T h e  in p u t  DC   v o ltag e  is   ch o p p ed   u s in g   an   I GB T   s witch .   E ac h   s tag e  will  p r o d u ce   a  p u ls ed   o u tp u t   v o ltag e  th at   h as  a   lar g e   v o ltag e  m ag n itu d e   ( V out )   a n d   a  b r i ef   tim e  d u r atio n ,   wh ic h   c o r r e s p o n d s   to   th e   I GB T   s witch ' s   tu r n - o n   tim e  ( T on ) .   T h e  m ag n itu d e  o f   th e  o v er all  p u ls ed   o u tp u t  v o ltag e  m u s t  b e  k ep t  co n s tan t  an d   eq u al  to   th e  s u m   o f   th e   m ag n it u d es o f   th e  p u ls ed   o u tp u t v o ltag es a t e ac h   s tag e.   To   e n s u r e  s m o o th   f u n ctio n i n g ,   s y n ch r o n izatio n   b etwe en   s witch es  s h o u ld   b e  m ai n tain ed .   A   d io d e  p lace d   ac r o s s   ea ch   s tag e' s   o u tp u t  m ay   h elp   y o u   s k ip   th at  s tep   if   th er e  i s   an y   d is cr ep an cy   b etwe en   th e  s witch es  o r   if   th e  s tag e  h as  f ailed   o r   b ee n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Lo w   co s t p u ls ed   elec tr ic  field   g en era to r   u s in g   DC - DC   b o o s t c o n ve r ter  … ( Je ya   S h r ee   Th u la s id a s )   877   d ea ctiv ated .   B o th   s tag es'   p u ls ed   o u tp u t  v o ltag es  ar e  c o n n ec ted   in   s er ies.   Sin ce   th er e   ar e  n   s tag es  an d   V out   is   th e  o u tp u t v o ltag e  at  ea c h   s tag e,   th e  o v e r all  p u ls ed   o u tp u t  v o ltag e  h as th e  m ag n itu d e  n * V out .   E ac h   s tag e  u tili ze s   a  DC - DC   b o o s t  co n v er ter   t h at  is   r eg u lat ed   to   p r o v i d e  a  s tab le  o u tp u t   v o ltag e.   T o   ac co m p lis h   th is ,   o n e  ca n   m ea s u r e  th e  o u tp u t v o ltag e  ( V out )   at  ev er y   s tag e  a n d   th e n   co m p ar e   it  to   th e  r ef e r en ce   v alu e.   T h e   v o ltag e   er r o r   is   s en t  to   PI  co n tr o ller s   to   ca lcu late  th e  b o o s t  co n v er ter   d u t y   cy cle .   T h e  d u ty   c y cle  o f   th e  b o o s t  co n v er ter   is   co m p ar ed   with   a   h i g h - f r eq u e n cy   tr ian g le  wav e   to   g en er ate   th e   g ate  p u ls es  f o r   th e   b o o s t   co n v er ter ’ s - co n tr o lled   s witch   ( T ) .     3 . 1 .     P r o po rt io na l  inte g r a l c o ntr o ller  ( P I )   T wo   o u t p u t  s ig n als  wer e   p r o d u ce d   b y   t h e  PI  c o n tr o l  s ch em e :  o n e   p r o p o r tio n al  to   th e  e r r o r   s ig n al  an d   th e  o th er   p r o p o r tio n al  to   th e  er r o r   in teg r al.   T h e  p r o p o r tio n al  in teg r al  co n tr o ller   o u tp u t  is   o b tain e d     by   ( 1 )   an d   ( 2 ) .     ( )     (   ( ) +   ∫ ( )  )   ( 1 )     ( ) = [     ( ) + 1  ∫   ( )  ]   ( 2 )     W h er e,   K c   is   th e  p r o p o r tio n al   co n s tan t  g ain   an d      is   th e  i n teg r al  co n s tan t  tim e .  T h e  L ap l ac e  tr an s f o r m   o f   e q u atio n   g iv es   as ( 3 )   a n d   ( 4 ) .     ( ) = [   ( ) + 1  . ( ) ]   ( 3 )     ( ) ( ) = [   1 + 1  . ]   ( 4 )     3 . 2 .     F r a ct io na l  o rder   P I D  co ntr o l  ( F O P I D)   T h e  f r ac tio n al  o r d er   p r o p o r tio n al  in teg r al  d er iv ativ e  ( FOPID)   co n tr o ller   is   a  f r ac tio n al  ca lcu lu s - b ased   v er s io n   o f   t h e  I O  p r o p o r tio n al  in teg r al  d er iv ativ e   ( I O PID )   co n tr o ller .   T h e   m u ch   m o r e  p o p u lar   m et h o d   o f   FO  co n tr o ller   is   th e  PI λ D µ ,   wh ich   co n s is ts   o f   an   in teg r ato r   o f   v alu e  λ   an d   a  d if f e r en tiato r   o f   v alu e  µ,   wh er e   λ   an d   µ  ca n   b e  an y   tr u e  n u m b er .   T h e  m at h em atica l e x p r ess io n   f o r   PI λ D µ   th e  co n tr o ller   is   as  ( 5 ) .     ( ) =       ( ) +   −   ( ) + µ   ( )   ( 5 )     W h er e,   D µ   is   C ap u to 's  f r ac tio n al  d er iv ativ e  o f   v al u e  ' µ'   w i th   r esp ec t  to   v ar ia b le  ' t ' .   T h e  T F  o f   th e  FOPID   co n tr o ller   is   as  ( 6 ) .     ( ) ( ) = + − + µ   ( 6 )     T h e  g en e r alize d   T F o f   t h is   FOPID  co n tr o ller   is   as  ( 7 ) .     ( ) = + + µ   ( 7 )     I n   wh ich     r ep r esen ts   th e  p r o p o r tio n al  co n s tan t  g ain ,     r ep r esen ts   th e  in teg r atio n   c o n s tan t  g ain ,     r ep r esen ts   th e  d er iv ativ e   co n s t an t g ain ,   a n d   ( )   r ep r esen ts   th e  c o n tr o ller   o u tp u t.       4.   SI M UL A T I O N  R E S UL T S  AND  DIS CUSS I O N   MA T L AB /S im u lin k   is   u tili ze d   f o r   m o d elin g   an d   s im u latin g   a  clo s ed - lo o p   PI  a n d   FOPI D  co n tr o ller   s y s tem   with   a  h ig h   s tep - u p   v o ltag e  m u ltip lier   DC - DC   co n v er ter   s y s tem .   T h is   p ar t  d is p lay s   th e  r esu lts   o f   d if f er en t  s y s tem s .   Fig u r e   5   d ep icts   a  cir cu it  s ch em atic  o f   a  two - s tag e  v o ltag e  m u ltip lie r   DC - DC   co n v er ter   f ea tu r in g   a   s o u r ce   d is tu r b a n ce   m ec h an is m .   As  in d icate d   in   Fig u r e   6 ,   th e  DC   in p u t  v o ltag e  is   5 8   V,   wh ile   th e   v o ltag e  ac r o s s   th e  R - lo ad   is   1 4 0 0   v o lts ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r e   7 .   T h e  R - lo ad   h as  a  cu r r e n t  f lo w  o f   3 . 8   A,   as  d ep icted   in   Fig u r e   8 .   Fig u r e  9   d em o n s tr ates a n   o u tp u t p o wer   o f   3 9 0 0   W .   T h e  cir cu it  s ch e m atic  in   Fig u r e  1 0   illu s tr ates  a  DC - DC   co n v er ter   with   a  clo s ed - lo o p   PI   co n tr o ller   s y s tem   th at  o p e r ates  as  a  tw o - s tag e  v o ltag e  m u ltip lier .   A s   d ep icted   i n   Fig u r e  1 1 ,   th e  DC   in p u t  v o ltag e  is     5 8   v o lts .   As  s h o wn   in   Fig u r e   1 2 ,   th e  v o ltag e  d r o p   ac r o s s   th e  r esis to r   R - lo ad   is   1 2 0 0   V.   I n   Fig u r e   1 3 ,   th e   cu r r en t f l o win g   th r o u g h   th e  r e s is tiv e  lo ad   is   2 . 5   A.   Fig u r e  1 4   d is p lay s   th e  o u tp u t p o wer   at  3 0 0 0   W .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  8 7 4 - 885   878       Fig u r e  5 .  Sch em atic  o f   a  DC - DC   co n v er ter   with   a  two - s tag e   v o ltag e  m u ltip lier   an d   s o u r ce   in ter f er en ce           Fig u r e   6 .   I n p u t  v o ltag e           Fig u r e   7 .   T h e  v o lta g e   ac r o s s   a  r esis tiv e  lo ad           Fig u r e   8 .   C u r r e n t th r o u g h   a  r e s is tiv e  lo ad   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Lo w   co s t p u ls ed   elec tr ic  field   g en era to r   u s in g   DC - DC   b o o s t c o n ve r ter  … ( Je ya   S h r ee   Th u la s id a s )   879       Fig u r e   9 .   Ou t p u t p o wer   d eliv e r ed   to   r esis tiv e  lo ad           Fig u r e   10 .   Sch em atic  of   a   DC - DC   co n v er ter   with   two   s tag es,   co n tr o lled   b y   a  cl o s ed - lo o p   PI  s y s tem           Fig u r e  11 .   I n p u t v o lta g e           Fig u r e   12 .   T h e  v o ltag e   ac r o s s   a  r esis tiv e  lo ad   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  8 7 4 - 885   880       Fig u r e   13 .   C u r r en t th r o u g h   a  r esis tiv e  lo ad           Fig u r e  14 .   Ou tp u t  p o wer   d eliv er ed   to   r esis tiv e  lo ad       Fig u r e   1 5   s h o ws  th e   s ch em at ic  o f   a   two - s tag e  v o ltag e  m u l tip lier   DC - DC   co n v er ter   with   a  clo s ed - lo o p   FOPID  co n tr o ller   s y s tem .   T h e  DC   in p u t v o ltag e  is   5 8   v o lts ,   in d icate d   in   Fig u r e   1 6 .   A s   p er   Fig u r e   1 7 ,   th e  v o ltag e  d r o p s   o v er   t h e  r esis to r   lo ad   is   1 2 0 0   v o lts .   B ased   o n   Fig u r e   1 8 ,   th e  R - lo a d   ca r r ies  a  cu r r en t  o f   2 . 5   A .   As illu s tr ated   in   Fig u r e   1 9 ,   t h e   lo ad   ca n   d eliv er   a  m ax im u m   p o wer   o f   3 0 0   W.   T ab le  1   co m p ar es  th e  tim e  d o m ain   p ar am eter s   o f   a  two - s tag e  v o ltag e  m u ltip lier   DC - DC   co n v er ter   f o r   clo s ed - l o o p   PI  an d   FOPID  co n tr o ller s .   I t  is   clea r   f r o m   th e  tab le  th at  th e   FOPID  co n tr o l ler   o u tp e r f o r m s   th e   PI  co n tr o ller   in   a  two - s tag e   v o ltag e  m u ltip lier   DC - DC   co n v er ter .   Fig u r e   2 0   d is p lay s   a  c o n tr ast  b etwe en   PI  an d   FOPID.   Sev er al  m ea s u r e m en ts   ar e  co n s id er e d ,   s u ch   as   tim e  to   in cr ea s e,   tim e  to   r ea c h   th e  h ig h est  p o in t,   p r ep ar atio n   tim e,   an d   er r o r   in   a  s tab le  s tate.           Fig u r e   15 .   Sch em atic  f o r   a  f ee d b ac k - c o n tr o lled   FOPID  co n tr o ller   o n   a  v o ltag e  m u ltip lier   D C - DC   co n v er ter   with   two   s tag es   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Lo w   co s t p u ls ed   elec tr ic  field   g en era to r   u s in g   DC - DC   b o o s t c o n ve r ter  … ( Je ya   S h r ee   Th u la s id a s )   881       Fig u r e  16 .   I n p u t   v o lta g e           Fig u r e   17 .   E lectr ic  p o ten tial  d if f er en ce   o v er   a   r esis tiv e  lo ad           Fig u r e  18 .   T h e  f l o w   o f   elec tr ic   cu r r en t i n   a  r esis tiv e  cir cu it           Fig u r e  19 .   Ou tp u t  p o wer   d eliv er ed   to   r esis tiv e  lo ad       T ab le  1 .   T im e  d o m ain   p ar am e ter   co m p ar is o n   C o n t r o l l e r   R i se   t i me   ( s)   P e a k   t i me   ( s)   S e t t l i n g   t i me   ( s)   S t e a d y   st a t e   e r r o r   ( V )   PI   0 . 3 2   0 . 4 2   0 . 4 8   3 . 1 5   F O P I D   0 . 3 1   0 . 3 5   0 . 3 9   2 . 2 0     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  13 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 24 :  8 7 4 - 885   882       Fig u r e   20 .   C o m p ar is o n   a n aly s is   f o r   PI  an d   FOPID       5.   H ARDWA R E   RE SUL T S A ND  DIS C USS I O N   A  two - s tag e  ca p ac ito r - d io d e   v o ltag e  m u ltip lier   is   a  cir cu it   d esig n ed   to   in c r ea s e  th e  v o l tag e  lev el  f r o m   a   lo w  DC   in p u t.  I t   co n s is ts   o f   m u ltip le  s tag es  o f   d i o d e s   an d   ca p ac ito r s   th at  w o r k   to g eth er   to   g en e r ate   a  s tep p ed - u p   DC   o u tp u t  v o ltag e.   T h e  p r o p o s ed   s y s tem   is   v alid ated   th r o u g h   ex p er im en ta l  test in g ,   an d   th e  ex p er im en tal   s etu p   o f   th e  h ar d war e  im p lem e n tatio n   o f   th e   cir cu it  is   illu s tr ated   in   Fig u r e   2 1 ( a) .   T h e   o p er atio n   o f   th e  two - s tag e  ca p ac ito r - d i o d e  v o ltag e  m u ltip lier   p r o to ty p e  is   as f o llo ws .     5 . 1 .     O pera t io n   -   Stag e  1 :  c h ar g in g   p h ase   A  d io d e  r ec tifie r   a n d   s tep - d o wn   tr an s f o r m e r   ar e  u s ed   t o   c o n v er t  th e  2 3 0   VAC  v o ltag e  in p u t  in to     a  1 2   VDC  p o wer   s u p p ly .   T w o - s tag e  ca p ac ito r   d io d e   v o lta g e  m u ltip lier s   ( V M1   an d   V M2 )   r ec eiv e  an   in p u t  o f     1 1 . 8   VDC.  T h e  in d u cto r   is   ch ar g ed   with   s u p p ly   v o ltag e  wh en   th e  s witch   i s   tu r n ed   ON  in   th e  ch ar g in g   p h ase.   W h en   th e  s witch   is   n o t  tu r n ed   ON,   th e  s to r ed   en e r g y   i n   th e  in d u cto r   co m b in es  with   th e  s u p p ly   v o ltag e,   ca u s in g   th e   cu r r e n t  to   ch ar g e   th e  in itial  ca p ac ito r   to   th e   p ea k   v o lta g e  o f   th e   in p u t  s ig n al  r ed u ce d   b y   th e   f o r war d   v o ltag e  d r o p   o f   th e  d i o d e.   Nev er th eless ,   th e  im p o r tan t  d io d e  is   r ev er s e - b iased ,   s to p p in g   th e  ca p ac ito r   f r o m   d is ch a r g in g   v ia  th e  in p u t   s o u r ce .   -   Stag e  2 : v o ltag e  d o u b lin g   p h a s e   T h e  in itial  ca p ac ito r   is   ch ar g e d   to   a  v o ltag e   ju s t  b elo w   th e   h ig h est  in p u t  v o ltag e.   I t  is   t h e n   lin k e d   to   th e  s ec o n d - s tag e  d i o d e   an d   ca p ac ito r   s etu p .   T h e  s ec o n d   d io d e  is   tu r n ed   o n ,   a n d   th e  s ec o n d   ca p ac ito r   c h ar g es  to   th e  s am e  v o ltag e  as  th e  in it ial  ca p ac ito r   wh en   th e  in p u t  v o ltag e  is   p o s itiv e.   W h en   th e  i n p u t  DC   v o ltag e  is   n eg ativ e,   th e  s ec o n d - s tag e  d i o d e  is   in   r ev er s e  b ias an d   th e  s e co n d - s tag e  ca p ac ito r   r etain s   it s   ch ar g e.   -   Stag e  3 :  o u tp u t   p h ase   T h e  o u tp u t  v o ltag e  ac r o s s   th e   s ec o n d - s tag e  ca p ac ito r   is   ap p r o x im ately   twice  th e  p ea k   in p u t  v o ltag e   o f   th e  s o u r ce .   E ac h   s tag e  o f   t h e  v o ltag e  m u ltip lier   ad d s   to   t h e  o u tp u t  v o ltag e,   ef f ec tiv ely   d o u b lin g   it,  in   th is   ca s e,   to   7 0   V.   Fig u r e   2 1 ( b )   in d icate s   th e  o u tp u t  v o ltag e  ac r o s s   th e  R L   lo ad   ( s in g le   s tag e) ,   T ab le  2   in d icate s   th e  v ar io u s   co m p o n en ts   u s ed   to   m ak e  t h e  p r o to ty p e,   a n d   T ab le  3   d is p lay s   th e  v a r io u s   el ec tr ical  p ar am eter s   s u ch   as o u tp u t  p o wer ,   r ip p le  c u r r en t,  r ip p le  v o ltag e,   an d   m o d el  o u tp u t v o ltag e.   T h e  two - s tag e  C DVM   p u ls e  g en er ato r   g en er ates  a  r ec tan g u lar   p u ls e  o u tp u t  with   v o ltag e   am p litu d e  o f   7 0   V   an d   p o wer   o f   5 0   W ,   d er iv ed   f r o m   a  1 2   VDC  in p u t  s o u r ce .   T h e   o u tp u t  v o ltag e  is   a m p lifie d   b y   a   f ac to r   o f   5   co m p a r ed   to   th e  i n p u t  v o ltag e.   B y   im p lem e n tin g   m u lt ip le  s tag es,  it  is   f ea s ib le  to   ac h iev e  s ig n if ican tly   h ig h er   o u tp u t  v o ltag es,  p o ten tially   ex ten d in g   in to   th e  k ilo v o lt  r a n g e  as   o b tain ed   b y   o t h er     r esear ch er s   [ 2 5 ] - [ 2 7 ] .   I n   r ec en t  y ea r s ,   h ig h   v o ltag e  ( HV)   p u ls e  g en er ato r s   f o r   p u l s ed   elec tr ic  f ield s   ( PE F)  in   a  v ar iety   o f   ap p licatio n s   s u ch   as  f o o d   p r o ce s s in g ,   m ed ical  tr ea tm en t,  an d   s cien tific   r esear ch ,   h av e  g o n e  th r o u g h   a  s er ies   o f   s ig n if ican t  d ev el o p m en ts .   W ith   liter al  tr an s lat io n s ,   th e  in n o v ativ e  p u ls e  tech n o lo g y   o f   HV  g en er ato r s   ca n   b e  f o u n d   in   th e  f ield s   o f   cir cu i t  d esig n ,   s tr u ctu r e,   o v er all  f r a m ewo r k   d esig n ,   a n d   its   o r ien t atio n .   B elo w  f o llo w  a  f ew  k ey   a r ea s   f o r   in n o v atio n :   -   Hig h   s y s tem   ef f icien cy   b ec au s e  n o   tr an s f o r m er   is   u s ed .   -   A  lo w - v o ltag e,   lo w - f r eq u en cy   AC   in p u t p o wer   s o u r ce   is   ad e q u ate.   -   I t is p o s s ib le  to   co n tr o l th e   o u t p u t v o ltag e .   -   Utilizin g   lo w - v o ltag e   ca p ac it o r s   an d   d io d es  h elp s   in   cu t tin g   d o w n   s y s tem   co s ts   wh i le  m ain tain in g     a  h ig h   PEF.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Lo w   co s t p u ls ed   elec tr ic  field   g en era to r   u s in g   DC - DC   b o o s t c o n ve r ter  … ( Je ya   S h r ee   Th u la s id a s )   883     ( a)       ( b )     Fig u r e  21 .  Har d war e  im p lem e n tatio n   o f   t h e  p r o p o s ed   ci r cu it :   ( a)   e x p e r im en tal  s etu p   an d   ( b )   o u tp u t v o ltag e  ac r o s s   R L   lo ad   ( s in g le  s tag e)       T ab le  2 .   Har d war e  co m p o n e n ts   C o m p o n e n t   S p e c i f i c a t i o n   C o m p o n e n t   S p e c i f i c a t i o n   M i c r o c o n t r o l l e r   1 6 F 8 4 A   D i o d e   1 N 4 0 0 7   D r i v e r   I C   I R 2 1 1 0   C a p a c i t o r   1 0 0   mf d ,   2 0 0   V   M O S F ET   I R F 5 4 0   V o l t a g e   r e g u l a t o r s   7 8 1 2 ,   7 8 0 5   C a p a c i t o r   1 0 0 0   n F ,   4 0 0   V           T ab le  3 .   Ou tp u t p o we r ,   r ip p le  cu r r en t,  r ip p le  v o ltag e ,   an d   m o d el  o u t p u t v o ltag e   V in (V)   V o (V)   V or (V)   I or (A)   P o (W)   1 1 . 8   70   2 . 2 0   0 . 0 1 8   50       6.   CO NCLU SI O N   T h e  p r o p o s ed   m o d el  was sim u lated   u s in g   MA T L AB ,   co m p a r in g   t im e - d o m ain   p a r am eter s   f o r   PI,   an d   FOPID  co n tr o ller s .   T h e  im p l em en tatio n   o f   a  FOPID  co n tr o ller   n o tab ly   r ed u ce d   th e  r is e   tim e  f r o m   0 . 3 2   t o   0 . 3 1   s ec o n d s ,   th e  p ea k   tim e  f r o m   0 . 4 2   to   0 . 3 5   s ec o n d s ,   an d   t h e  s ettlin g   tim e  f r o m   3 . 1 5   to   2 . 2 0   s ec o n d s .   T h ese  r esu lts   d em o n s tr ate  th at  a  cl o s ed - lo o p   FOPID  co n tr o ller   s ig n if ican tly   o u tp er f o r m s   a  PI  co n tr o ller   in   th e   p r o p o s ed   cir cu it   f o r   a  two - s tag e  v o ltag e   m u ltip lier   DC - DC   co n v er ter   with   a  f ilter   s y s tem .   T h is   s tu d y   in tr o d u ce s   an   in n o v ativ e  h ig h - v o ltag e  p u ls e  g en er at o r   th at  em p lo y s   m u ltip le  m o d u les,  in teg r atin g   a  DC - DC   b o o s t  co n v e r ter   an d   a  ca p ac i to r - d io d e  v o ltag e  m u ltip lier   ( C DVM )   f o r   p r ec is e  clo s ed - lo o p   o u tp u t  v o ltag e   co n tr o l.  T h e  p r o p o s ed   g en er a to r   o f f e r s   d is tin ct  ad v an tag es ,   in clu d in g   th e  u s e  o f   s ep ar at e  lo w - v o ltag e  DC   s o u r ce s ,   th e  ca p ab ilit y   to   ac h i ev e  h ig h er   o u tp u t  v o ltag es,  an d   im p r o v e d   ca p ac ito r   v o ltag e  co n tr o l,  ad d r ess in g   th e  lim itatio n s   o f   tr ad itio n al  Ma r x   g en er ato r s .   T h e  e f f ec tiv en ess   o f   th e  s u g g ested   m o d el  was  v alid ated   th r o u g h   b o th   MA T L AB   s im u latio n s   an d   ex p er im en tal   test in g ,   co n f ir m i n g   its   p o ten tial  as   a   r o b u s t  s o lu tio n   f o r   g en er atin g   h ig h - v o ltag e  p u ls es.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.