I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  16 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 25 ,   p p .   2 4 4 1 ~ 2 4 5 2   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 16 . i 4 . p p 2 4 4 1 - 2 4 5 2           2441       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Dy na mic  mo delli ng  and sm a ll - sig na l ana ly sis  of an eff icien t  bridg e - type  multi - input   DC   co nv er ter fo r    hy brid low - po we r  sy stems       B a y a   Reddy   L o m a da 1, 2 , V a ng a la   Na g a   B ha s k a r  Reddy 3   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   & E l e c t r o n i c s  E n g i n e e r i n g ,   Jawa h a r l a l   N e h r u   Te c h n o l o g i c a l   U n i v e r si t y ,   A n a n t a p u r ,   I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   & E l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   A n n a m a c h a r y a   I n st i t u t e   o f   T e c h n o l o g y   a n d   S c i e n c e ,   R a j a m p e t ,   I n d i a   3 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   & E l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   R a j e e v   G a n d h i   M e m o r i a l   C o l l e g e   o f   En g i n e e r i n g   a n d   Te c h n o l o g y ,   N a n d y a l ,   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   Ap r   1 6 ,   2 0 2 5   R ev is ed   J u l 3 0 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Sep   2 ,   2 0 2 5       Th is  p a p e r  p re se n ts  t h e   d y n a m ic   m o d e ll i n g   a n d   sm a ll - sig n a l  a n a ly sis  o f   a   b rid g e - ty p e   m u lt i - i n p u t  DC  c o n v e rter  d e sig n e d   fo r  h y b ri d   l o w - p o we r  sy ste m s.  Th e   c o n v e rter   a rc h it e c tu re   su p p o rts  t h e   i n teg ra ti o n   o f   m u lt i p le   e n e rg y   s o u rc e s  su c h   a s  f u e l  c e l ls  a n d   p h o t o v o lt a ic  ( P V)  a rra y s,   e n a b li n g   e n h a n c e d   flex i b il it y   a n d   re li a b il it y .   A  CUK - b a se d   c o n fig u ra ti o n   is em p lo y e d   to   a c h iev e   c o n ti n u o u s  i n p u t  c u rr e n t  a n d   re d u c e d   v o l tag e   stre ss   a c ro ss   th e   sw it c h e s.  Th e   d y n a m ic  b e h a v i o r   o f  th e   c o n v e rter  is  a n a ly z e d   th r o u g h   a v e ra g e   larg e - sig n a l  a n d   sm a ll - sig n a l  sta te - sp a c e   m o d e ll i n g .   S t a b il it y   is   a ss e ss e d   u sin g   th e   Ro u th - H u rw it z   c rit e rio n ,   a n d   ste a d y - sta te  a n a ly sis  is  c a rried   o u t  to   su p p o rt  p e rfo rm a n c e   e v a lu a ti o n .   E x p e rime n tal  re su lt s  o b tain e d   fro m   a   2 5 0   W  p ro to t y p e   c o n firm   th e   v a li d it y   o f   th e   d e v e lo p e d   m o d e ls  a n d   d e m o n stra te  th e   e fficie n c y   a n d   su it a b il it y   o f  th e   p r o p o se d   c o n v e rter  fo r  h y b rid   re n e wa b le en e rg y   sy ste m s.   K ey w o r d s :   Dy n am ic  m o d ellin g   Hy b r id   en e r g y   s y s tem   L o w - p o wer   a p p licatio n s   M u lti - in p u t c o n v er ter s   R en ewa b le  en er g y   i n teg r atio n   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 :   B ay a  R ed d y   L o m ad a   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  &   E l ec tr o n ics E n g in ee r in g ,   J awa h a r lal  Neh r u   T ec h n o lo g ical  Un iv er s ity   An an tap u r ,   I n d ia   E m ail:  r ed d y . b ay a@ g m ail. co m         1.   I NT RO D UCT I O N    A  s u r p l u s   o f   e n er g y   s o u r ce s   is   b ei n g   e x p l o it ed   t o   m e et  th e  r i s in g   p o we r   d em an d   [1 ] - [ 3 ] .   T h e   w o r l d ' s   ex p a n d i n g   n ee d   f o r   el ec t r i cit y   ca n   n o   l o n g e r   b e   m et   b y   t r a d it io n al   e n e r g y   s o u r ce s   s i n ce   t h e y   a r e   q u ic k l y   r u n n i n g   o u t   [ 4 ] .   T h e  u s e  o f   n at u r al   f u els   f o r   e n e r g y   p r o d u cti o n   als o   h as  a  d etr im e n ta l  ef f ec t   o n   t h e   en v i r o n m e n t ,   r aisi n g   c o n c er n s   ab o u t   t h i n g s   li k e   air   p o ll u t io n   an d   g l o b al   w ar m i n g   [ 5 ] .   T h e   o u t p u t   o f   e le ctr ici ty   d e r i v e d   f r o m   r e n ew a b le   e n er g y   s o u r ce s   is   c o n s e q u e n tl y   r is i n g   s w if tl y ,   p a r ti cu la r l y   in   d is t r i b u te d   g en e r ati o n   [ 6 ] .   T h u s ,   d e v el o p in g   h y b r i d   e n e r g y   p la n s   t h at   c o n ti n u o u s ly   s u p p l y   p o we r   t o   t h e  r i g h t   d em an d   t h r o u g h   a   v a r i et y   o f   g r ee n   te c h n o l o g i es i s   c r u ci al  [ 7 ] .   T h e   h u g e   m a jo r i ty   o f   elec tr ic  v eh icles  ( E Vs )   ar e   b att e r y   p o wer ed ,   w h i c h   d ep e n d s   o n   tw o   i m p o r t an t   v a r i ab les:   t h e   a v ai la b il it y   o f   l it h i u m   an d   t h e   s tat e   o f   t h e  el ec t r i cit y   n etw o r k   t o d a y   [ 8 ] .   T o   a v o i d   t h e   af o r e m e n ti o n e d   is s u es ,   r esea r ch   a n d   tes ts   o n   f u el   ce ll - b ase d   ca r s ,   p h o t o v o l tai c ,   an d   f u el   c ell   h y b r i d   el ec t r i c   ca r s   m u s t  b e  c ar r i ed   o u t  c o n c u r r en tl y   [ 9 ] .   Fo r   s u c h   ca r s ,   th e  p au cit y   o f   li th iu m   an d   t h e  c o n te m p o r a r y   p o we r   g r id   a r e  ir r e le v a n t .   H y d r o g e n   i s   b es t  c o m p ar e d   t o   b a tte r i es  i n   te r m s   o f   b o t h   e n e r g y   d e n s it y   an d   p o we r   d e n s i ty   [ 1 0 ] – [ 1 2 ] .     D u e  to   t h e  h i g h   c o s t  o f   h y d r o g e n ,   c o m b i n i n g   f u el   c ells   wit h   p h o to v o l tai c  ( P V)   p a n els  o f f er s   a  p r ac tic al  w ay   t o   m i n i m i ze   h y d r o g en   u s ag e  i n   v e h i cles [ 1 3 ] ,  [ 1 4 ] .   As  s h o w n   i n   Fi g u r e   1 ,   t h e   s o l ar   P V,   f u el  ce ll,   in v e r t er ,   m u lt i - in p u t   DC - DC   co n v e r te r   &   ele ct r ic   m o to r   c o m p r is e  th e   p r i m a r y   p o we r t r ai n   c o m p o n e n ts   o f   a  h y b r id   elec tr ic  v eh icle  ( HE V ) .   A   m u lti - i n p u t   DC - DC   c o n v er t er   h as   a   s u b s t a n ti al   i m p ac t   o n   t h e   o v e r al l   s ta b i lit y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 25 :   2441 - 2 4 5 2   2442   an d   f u n cti o n al it y   o f   t h e   HE V   p o we r t r ai n   s y s t em .   E x p e r ts   h av e  cr ea ted   m a n y   m u lti - in p u t   co n v er ter s   MI C s ) ,  b u t  n o t  all  o f   th em   ar e  ap p r o p r iate  f o r   ev e r y   a p p licatio n   co m p ar ed   to   n o n - is o lated   MI C s ;   o th er   ty p es  o f   MI C s   ar e  f ar   less   u s ef u l f o r   s lig h t a n d   m ed iu m - p o wer e d   HE Vs.           Fig u r e  1 .   B lo ck   d ia g r a m   o f   MI C - b ase d   HE V       A  n o v el   M I C   c o n f i g u r a ti o n   d e v e lo p ed   w it h   t h e   b as ic   s in g le - en d e d   p r im a r y - i n d u ct o r   c o n v e r te r   ( SEP I C )   w as  p r ese n t ed   b y   t h e   r es ea r c h er s   i n   [ 1 5 ] .   I t  is   f ea s i b le   t o   in te g r ate   m a n y   i n p u ts ,   b u t  at  leas t  o n e  o f   th e m   m u s t   b e  a  r e c h a r g ea b l e   b att er y .   R e g r e tf u ll y ,   th er e  is   a   g r e at   d ea l   o f   v o lta g e  s t r es s   o n   t h e   s wit ch in g   ele ctr o n i cs.  A  u n iq u e  M I C   s t r u ct u r e  is   d esc r i b e d   in   [ 1 6 ]   t o   i n t eg r ate   t h e  s u p e r - ca p a cit o r   a n d   r e ch ar g ea b l e   b at te r y   f o r   E Vs.   R e la y s   a r e   u s ed   in   th is   c o n v er te r   t o   c ar r y   o u t   t h e   r eq u i r ed   f u n cti o n   n o   n e ed   f o r   a n y   a d d iti o n al   cir c u it r y   f o r   o n e   i n p u t   c an   f ee d   t h e  o t h e r ,   w h i ch   c o m p ar ati v ely   i n c r e ases   t h e  ci r c u i t  d i f f ic u lt y .   I n   E x p e r ts   i n   [ 1 7 ] .   T h e  au th o r s   o f   [ 1 8 ]   i n t r o d u ce d   a  n o v el   t y p e   o f   M I C   b r id g e  f o r   es ta b lis h i n g   c o n n e c tio n s   b etw ee n   m an y   r e n ew a b le   en e r g y   s o u r c es.   T o   g et   a   la r g e r   g ai n ,   f e we r   u n i d i r ec ti o n a l  a n d   b i d i r e cti o n a l  s em i co n d u ct o r   s wit ch es  ar e  u s e d .   As m o r e  s wi tc h es a r e  e n g a g e d   in   d if f e r e n t   o p er ati n g   m o d es,  th e  ele ct r ic al  s tr ess   o n   e ac h   s wit ch   te n d s   to   in c r ea s e.   T h is   s et u p   als o   c a u s es   a  r e v er s al  in   v o lta g e   p o l ar i ty   b etw ee n   th e  in p u t  a n d   t h e  o u tp u t .   A  s y s te m   s u p p o r ti n g   b i d i r e cti o n al   p o w e r   f l o w  was  p r es en te d   b y   t h e   r e s ea r c h e r s   i n   [ 1 9 ] .   T h is   w o r k   i s   p r i m a r il y   f o c u s e d   o n   ca l c u la ti n g   cr iti ca l   i n d u c tan ce   an d   m i n im izi n g   v o lta g e   r i p p le .   Alt h o u g h   t h e r e  a r e   m o r e   s witc h i n g   co m p o n e n ts   an d   a   b a tte r y   i n p u t  r e q u i r e d ,   th is   c o n v e r t e r   ca n   g i v e   el ec tr i cit y   i n   b o th   d ir ec ti o n s .   T h e   d e v e lo p m e n t  a n d   a n al y s is   o f   a  MI C   ar e  s h o wn   i n   t h e   a r ti cle   [ 2 0 ] .   R e d u ci n g   th e  n u m b e r   o f   C o m p o n e n ts   an d   th e   s tr ess   o n   t h e   s wi tc h   v o lt ag e  ar e  t h e   c o n v e r te r ' s   k e y   c o n ce r n s .   Un f o r t u n ate ly ,   t h e r e   a r e   m o r e   l o s s es   i n   th is   co n v e r te r ,   a n d   t h e r e  ar e   s til l  a  l o t   o f   co m p o n en ts .   I n   [ 2 1 ] ,   A   u n i q u e   m o d u l ar   M I C   was   s u g g es te d   b y   t h e   r es ea r c h e r s .   I t   h as   s l ig h t   co m p o n e n ts ,   a   s m al le r   a m o u n t   o f   v o lt ag e   s t r ess ,   a n d   a   b ette r   v o lta g e  g ai n .   Nev er t h el ess ,   th er e  a r e  r ea l ly   m o r e   p ar ts   i n   t h is   c o n v er t e r ,   a n d   s e v e r a l  s wit c h es  ar e  u n d er   m o r e   v o l ta g e  s tr ess .   I t  a ls o   u s es  m o r e  s to r ag e  c o m p o n en ts   f o r   a   m u lt i - in p u t   s y s t em ,   w h ic h   co m p li ca t es  c o n t r o l  d esi g n   a n d   s y s te m   an al y s is .   I n   [ 2 2 ] ,   A   n o n - is o l at ed   M I C   f o r   r e n ew a b le   e n er g y   s y s te m s   ( R E S )   w as  p r es en te d   b y   t h e  au th o r s .   D u e   to   t h e   n o n - c o u p l e d   i n d u ct o r ,   t h is   c o n v er te r   s h o ws   g r e ate r   g a in   in   v o lt ag e  at   a   l o we r   c o m p o n e n t   c o u n t.   I n   [ 2 3 ] ,   a  n o v e l  m u lti - i n p u t,   h ig h - g ai n ,   n o n - is o l ate d   DC   c o n v e r te r   is   p r es en te d   t h at  f e at u r es  a  c o m p a ct  d es ig n   wit h   a  r e d u ce d   n u m b e r   o f   co m p o n en t s .   T h e   u s e   o f   a   s i n g le   d i o d e   f a cilit at es  b i d ir ec t io n a l   p o w er   tr an s f e r ,   c o n tr ib u t in g   to   b o t h   c o m p o n e n t   m in im i za tio n   an d   e n h a n ce d   v o lt a g e  g ain .   A  r e ce n t   s tu d y   o n   d u al - in p u t  n o n - is o l ate d   co n v e r te r s   u s i n g   s l id in g   m o d e  co n t r o l   f o r   el ec t r i c   v e h icl e   a p p li ca t io n s   d e m o n s t r a tes   t h e  p o te n t ial   o f   s u c h   co n f i g u r a ti o n s   to   ac h i e v e   i m p r o v e d   v o lt ag e   g ai n   a n d   d y n a m ic   r esp o n s e   [ 2 4 ] .   T h is   f u r th e r   s u p p o r ts   th e   ap p li ca b i lit y   o f   th e  p r o p o s ed   c o n v er te r   in   s i m il ar   l o w - p o we r   E V  s y s t em s .       2.   P RO P O SE D  CO NV E RT E R     T h e  w o r k i n g   p r i n ci p le   o f   t h e   MI C   a n d   t r a d i ti o n al   c o n v er t er s   is   q u it e  s i m i la r .   I n   b o t h   ca s es ,   th e  in d u cti v e  an d   ca p ac it iv e  c o m p o n en ts   o f   t h e   c o n v e r te r   c h a r g e   f o r   a  p r e d et er m i n e d   a m o u n t  o f   tim e  a n d   t h e n   d is c h ar g e   th r o u g h   a   l o ad   f o r   t h e   r est   o f   t h e   ti m e .   T h e  o p e r a ti n g   t ec h n i q u e   is   t h e   s a m e   i n   t h e   s u g g este d   co n v e r te r .   F ig u r e   2   i ll u s t r at es t h e   r ec en tl y   b u il t  m u lti - i n p u t   D C   p o w er   c o n v e r te r   i n te n d e d   f o r   H E V   u s e .     2 . 1 .   M o des   o f   o pera t io n   Fig u r e   3   s h o ws   t h e   e q u i v al en t c ir c u it r y   f o r   t h e   s i x   m o d es   o f   o p e r at io n   o f   t h e   p r o p o s e d   c o n v e r t er .   Fu el   ce ll   v o lt ag e  is   V 1 ,   th e   s o la r   p a n el   o u t p u t  v o lt a g e   is   V 2 ,   S 1   t o   S 4   ar e  th e   f o u r   M OSFE T   s wit c h es ,   D  is   th e   d io d e,   R   is   t h e   l o a d   r es is ta n c e,   tw o   in d u ct o r s   a r e   L 1   an d   L 2 ,  an d   tw o   ca p a cit o r s   ar e  C 1   a n d   C 2 .   i C1   ,   i C2    a n d   i L1 ,   i L2   a r e   th e   r es p e cti v e  c u r r e n ts   f l o wi n g   t h r o u g h   C 1 ,   C 2   a n d   L 1 ,   L 2 .   v C1 ,   v C2 ,   v L1   a n d   v L2    a r e   t h e     r e s p e cti v e   l ar g e  s ig n al   v o lta g es  ac r o s s   C 1 ,   C 2   a n d   L 1 ,   L 2 .   i 0   a n d   v 0    a r e   t h e  la r g e   s i g n al   c u r r e n t   a n d   v o lt a g e ,   r esp ec ti v el y ,   a t  th e   l o a d   r esis ta n c e.   T   d e n o tes   t h e  ti m e  p e r i o d   o f   t h e   g at in g   s i g n al   f o r   s wit ch   o n e,   w h il e  th e  co r r es p o n d in g   la r g e - s i g n al   d u t y   cy cle   v al u es  f o r   M o d es   1   th r o u g h   5   a r e   r e p r ese n te d   b y   ₁  t o   ₅ .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Dyn a mic  mo d ellin g   a n d   s ma ll - s ig n a l a n a lysi s   o f a n   efficien t b r id g e - typ e   …  ( B a ya   R e d d y  Lo ma d a )   2443       Fig u r e  2 .   S h o ws th e  p r o p o s ed   m u lti - in p u t D C   p o wer   c o n v e r t er ' s   s tr u ctu r e         ( a)   ( b )     ( c)   ( d )     ( e)   (f)     Fig u r e  3 .   T h e  p r o p o s ed   c o n v e r ter ' s   m o d es o f   o p er atio n :  ( a)   m o d e  1 ,   ( b )   m o d e  2 ,   ( c)   m o d e  3 ,     ( d )   m o d e  4 ,   ( e)   m o d e  5 ,   an d   ( f )   m o d e  6       2 . 1 . 1   F irst  m o de   I n   th e  m ode - 1   S 1 ,   S 4   ar e  ON  s tate  an d   S 2 ,   S 3 ,   an d   D  is   O F F  s tate .   F ig u r e  3 ( a)   s h o ws  th e   f ir s t  m o d e  eq u iv alen t c ir cu it.   T h e  d y n am i c  eq u atio n s   f o r   th e  f ir s t m o d e  ar e :     d i L1 dt = v 1 L 1     d i L2 dt = − v C1 L 2 − v c2 L 2     d v C1 dt = i L2 C 1     d v C2 dt = i L2 C 2 − v 0 R C 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 25 :   2441 - 2 4 5 2   2444   v 0 = v C2     Sin ce   th er e  ar e  f o u r   en er g y   s to r ag e  co m p o n e n ts   in   th e  s y s tem ,   th e  s tate  v ar iab les  ar e  i L1 ,  i L2 ,  v C1   an d   v C2   mode – 1   s tate  s p ac e  m o d el  r e p r esen tatio n   is   s h o wn   ( 1 )   an d   ( 2 ) .     [             d i L1 dt d i L2 dt d v C1 dt d v C1 dt ]             = [           0 0 0 0 0 0 − 1 L 2 − 1 L 2 0 1 C 1 0 0 0 1 C 2 0 − 1 RC 2 ]           [ i L1 i L2 v C1 v C2 ] + [         1 L 1 0 0 0 0 0 0 0 ]         [ v 1 v 2 ]   ( 1 )     v 0 = [ 0 0 0 1 ] [ i L1 i L2 v C1 v C2 ]   (2 )     2 . 1 . 2 .   Seco nd   m o de   I n   th e  s ec o n d   m o d e ,   th e  s witch es  S 1 ,  D   ar e  in   tu r n   ON ,   an d   S 2 ,   S 3 ,   an d   S 4   ar e  in   th e  OFF  s t ate,   th e  co r r esp o n d in g   cir cu it  u n d er   th is   m o d e  is   s h o wn   in   Fig u r e  3 ( b ) .   B ased   o n   th e   d y n am ic  eq u atio n   in   t h e  s ec o n d   mode ,   th e   s tate  s p ac e  m o d el  r e p r esen tatio n   is   s h o wn   ( 3 )   an d   ( 4 ) .     [             d i L1 dt d i L2 dt d v C1 dt d v c2 dt ]             = [             0 0 − 1 L 1 0 0 0 0 − 1 L 2 1 C 1 0 0 0 0 1 C 2 0 − 1 RC 2 ]             [ i L1 i L2 v C1 v C2 ] + [         1 L 1 0 0 0 0 0 0 0 ]         [ v 1 v 2 ]   ( 3 )     v 0 = [ 0 0 0 1 ] [ i L1 i L2 v C1 v C2 ]   ( 4 )     2 . 1 . 3 .   T hird  m o de   I n   th is   m o d e ,   S2 ,   S4   ar e  ON ,   an d   D,   an d   S1   an d   S3   OFF  s tate .   Fig u r e  3 ( c)   s h o ws  th e  eq u iv alen t  cir cu it.  T h is   m o d e  in d u cto r s   s tar t  ch ar g i n g ,   v 1 /L1   an d   − v C1 L 2 − v C2 L 2    ar e   th e  s lo p es  o f   iL1   an d   iL2 .   T h e  f lo w  o f   in d u cto r   cu r r e n t  iL1   m e ets   its   iL1 m ax 2   f r o m   its   i L1 m i n 2   least  v alu e.   T h e  f l o w  o f   i n d u cto r   cu r r en t   iL2   m ee ts   its   iL2 m ax   f r o m   its   iL2 m in .   C 1   s tar ts   d i s - ch ar g in g   th r o u g h   L 2 ,   th e  s lo p e  v c1   is   iL2 /C 1 .   T h e  ca p ac ito r   C 2   s tar ts   en er g izin g   th e   s lo p e  o f   v c2   is   i L2 C 2 − v C2 RC 2 . B elo w  ar e  th e  s tat e - s p ac e  m o d el   eq u atio n s   b ased   o n   th e   d y n am ic  e q u atio n s .     [             d i L1 dt d i L2 dt d v C1 dt d v C1 dt ]             = [           0 0 0 0 0 0 − 1 L 2 − 1 L 2 0 1 C 1 0 0 0 1 C 2 0 − 1 RC 2 ]           [ i L1 i L2 v C1 v C2 ] + [         0 1 L 1 0 0 0 0 0 0 ]         [ v 1 v 2 ]   ( 5 )     v 0 = [ 0 0 0 1 ] [ i L1 i L2 v C1 v C2 ]   ( 6 )     2 . 1 . 4 .   F o urt h  m o de   I n   th e  f o u r t h   m o d e,   S 2 ,   D  a r e  ON  an d   S 1 ,   S 3,   a n d   S 4   ar e  OFF  s tate,   Fig u r e  3 ( d )   s h o ws  th e   eq u iv alen t   cir cu it.  I n d u cto r s   L 1   an d   L 2   s tar t  d is ch ar g in g ,   t h e  s lo p e   o f   i L1   an d   i L2   ar e    v 2 − v C1 L 1    an d   − v C2 L 2 .   T h e   i L1   r e ac h es   to   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Dyn a mic  mo d ellin g   a n d   s ma ll - s ig n a l a n a lysi s   o f a n   efficien t b r id g e - typ e   …  ( B a ya   R e d d y  Lo ma d a )   2445   its   i L1min3  an d   i L2   m ee t s   to   i L2mi n .  T h e  ca p ac ito r s   s tar t  en er g izin g   b y   v 2 ,   L 1   a n d   L 2 ,  th e  s lo p e s   o f   v c1   an d   v c2   ar e     i L1 C 1    an d   i L2 C 2 − v c1 RC 2 .   s tate - s p ac e  m o d el  d e r iv ed   f r o m   th e  d y n am ic  e q u atio n s   in   th e  f o u r th   m o d e  is   b elo w.     [             d i L1 dt d i L2 dt d v C1 dt d v C1 dt ]             = [             0 0 − 1 L 1 0 0 0 0 − 1 L 2 1 C 1 0 0 0 0 1 C 2 0 − 1 RC 2 ]             [ i L1 i L2 v C1 v C2 ] + [         0 1 L 1 0 0 0 0 0 0 ]         [ v 1 v 2 ]   ( 7 )     v 0 = [ 0 0 0 1 ] [ i L1 i L2 v C1 v C2 ]   ( 8 )     2 . 1 . 5 .   F if t h  m o de   I n   th e  f if th   m o d e,   S 3 ,   S 4   ar e  ON  an d   S 1 ,   S 2 ,   an d   D  ar e  OF F  s tate .   Fig u r e   3 ( e)   s h o ws  th e  eq u iv alen t   cir cu it.   S tate - s p ac e  m o d el  d e r iv ed   f r o m   d y n am ic  e q u atio n s   i n   th e  f o u r th   m o d e.     [             d i L1 dt d i L2 dt d v C1 dt d v C1 dt ]             = [           0 0 0 0 0 0 − 1 L 2 − 1 L 2 0 1 C 1 0 0 0 1 C 2 0 − 1 RC 2 ]           [ i L1 i L2 v C1 v C2 ] + [         1 L 1 1 L 1 0 0 0 0 0 0 ]         [ v 1 v 2 ]   ( 9 )     v 0 = [ 0 0 0 1 ] [ i L1 i L2 v C1 v C2 ]   ( 1 0 )     2 . 1 . 6 .   Six t h  m o de   I n   s ix th   m o d e,   S 3 ,   D  ar e  ON   an d   S 1 ,   S 2,   an d   S 4   ar e  OFF   s tate .   Fig u r e  3 ( f )   s h o ws  th e  eq u iv alen t   cir cu it.   T h e  L 1   an d   L 2   s tar t  d is - ch ar g in g ,     v 1 + v 2 − v c1 L 1     an d     − v C2 C 1    ar e  th e  r esp ec tiv e  s lo p es  o f   i L1   an d   i L2 .   T h e  i L1   m ee ts   to   its   i L1min4  =   i L1min1   an d   i L2   m ee t s   to   i L2min .  T h e  ca p ac ito r s   s tar ts - ch ar g in g   th r o u g h   V 1 ,   V 2 ,   L 1   a n d   L 2   an d   s lo p es  o f   t h e  ca p ac it o r   v o ltag es  v c1   an d   v c2   ar e     i L1 C 1    a n d   i L2 C 2 − v C2 RC 2 .  T h e  s tate - s p ac e  m o d el   d er i v ed   f r o m   th e  d y n am ic  e q u atio n s   in   th e   f o u r t h   m o d e   is   b elo w.     [             d i L1 dt d i L2 dt d v C1 dt d v C1 dt ]             = [             0 0 − 1 L 1 0 0 0 0 − 1 L 2 1 C 1 0 0 0 0 1 C 2 0 − 1 RC 2 ]             [ i L1 i L2 v C1 v C2 ] + [         1 L 1 1 L 1 0 0 0 0 0 0 ]         [ v 1 v 2 ]   ( 1 1 )     v 0 = [ 0 0 0 1 ] [ i L1 i L2 v C1 v C2 ]   ( 1 2 )     2 . 2 .     M o delin g   o f   a v er a g e - la r g e  s ig na l   T h e  s witch es  u s ed   in   th e  p r o p o s ed   co n v er ter   in tr o d u ce   n o n lin ea r   b eh a v io u r ,   r esu ltin g   i n   a  cir cu it  th at  d o es  n o t  f o llo w  lin ea r   s y s tem   d y n am ics .   T o   ef f ec tiv e ly   r ep r esen t  th is   b eh av io u r ,   a v er ag e  lar g e - s ig n al   m o d ellin g   is   ap p lied .   T h is   m e th o d   ca p t u r es  th e  in f lu e n ce   o f   s witch in g   ac tio n s   an d   p r ac tical  v o ltag e  s o u r ce s ,   p r o v id i n g   a  clo s e  a p p r o x im atio n   o f   th e  co n v er ter ’ s   ac tu al  p e r f o r m a n ce   u n d er   o p er atin g   co n d itio n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 25 :   2441 - 2 4 5 2   2446   T h e  co r r esp o n d in g   s tate - s p ac e  m o d el  f o r   th e  a v er ag e  la r g e - s ig n al  r ep r esen tatio n   is   g i v en   in   ( 1 3 )   to   ( 1 5 ) .   I n   th is   m o d el,   t h e  d i r ec t  tr an s m is s io n   m atr ix   D  is   z er o ,   in d icatin g   th at  th e   o u t p u t  d o es  n o t  d ir ec tly   d ep en d   o n   t h e  in s tan tan eo u s   i n p u t.  T h ese  eq u atio n s   d e r iv e  f r o m   ( 1 ) - ( 1 2 ) .     A = [           0 0 0 0 0 0 − 1 L 2 − 1 L 2 0 1 C 1 0 0 0 1 C 2 0 − 1 RC 2 ]           ( δ 1 + δ 3 + δ 5 ) + [             0 0 − 1 L 1 0 0 0 0 − 1 L 2 1 C 1 0 0 0 0 1 C 2 0 − 1 RC 2 ]             ( 1 − δ 1 − δ 3 − δ 5 )   ( 1 3 )     B = [         1 L 1 ( 1 − Δ 3 − Δ 4 ) 1 L 1 ( 1 − Δ 1 − Δ 2 ) 0 0 0 0 0 0 ]           ( 1 4 )     C = [ 0 0 0 1 ]   ( 1 5 )     2 . 3 .   Sm a ll - s ig na l m o delin g   S m a l l - s i g n a l   a n a l y s i s   i s   u s e d   to   a p p r o x i m a t e   t h e   n o n l i n e a r   b e h a v i o u r   o f   t h e   c o n v e r t e r   b y   ex p r e s s i n g   e a c h   v a r i a b l e  as   t h e  s u m   o f   i ts   s t e a d y - s t a t e  v a l u e  a n d   a   s m a ll   v a r i a t i o n .   T o   d e v el o p   t h e  s m al l - s i g n a l   m o d el   o f   t h e  p r o p o s e d   c o n v e r t e r ,   s l i g h t   d e v i a t i o n s   a r e   i n t r o d u c e d   i n   t h e   i n p u t   v o l t a g e s ,   d u t y   r a t i o s ,   a n d   s t a t e   v a r i a b l es .   T h e  m e t h o d   o f   d e r i v i n g   t h e  s m al l - s i g n a l   m o d e l  a n d   a n al y s i n g   s y s te m   s t a b i li t y   f o ll o w s   f u n d a m e n t a l   t e c h n i q u es  w i d e l y   u s e d   i n   p o w e r   el e c t r o n i c s ,   as   d e t ai l e d   i n   cl as s ic a l  c o n v e r t e r   d e s i g n   r e f e r e n c es   [ 2 5 ] .   T h i s   m e t h o d   s i m p l i f i e s   t h e   d y n a m i c   e q u a t i o n s ,   m a k i n g   t h e m   s u it a b l e   f o r   lin e a r   s y s te m   a n a l y s i s   a n d   c o n t r o l   s y s t e m   d e s i g n .       v 1 = V 1 + v ̂ 1     v 2 = V 2 + v ̂ 2     i L1 = I L1 + i ̂ L1     i L2 = I L2 + i ̂ L2     v C1 = V C1 + v ̂ C1     v C2 = V C2 + v ̂ C2     δ 1 = d 1 + δ ̂ 1     δ 2 = d 2 + δ ̂ 2     δ 3 = d 3 + δ ̂ 3     δ 4 = d 4 + δ ̂ 4     δ 5 = d 5 + δ ̂ 5     W h er e,   V 1   an d   V 2  a r e  th e  f u el  ce ll  v o ltag e  an d   s o lar   p a n el  v o ltag e  u n d er   s tead y   s tate.   I L1   an d   I L2  ar e  t h e  cu r r en t  f lo win g   th r o u g h   L 1   an d   L 2   r esp ec tiv ely .   T h e  r esp ec tiv e  V C1   an d   V C2   ar e  th e  f in al  s t ate  v o ltag es  ac r o s s   C 1   an d   C 2.   d 1   to   d 2   a r e  th e   d u ty   r atio s   o f   f ir s t  Mo d e   to   f if t h   Mo d e   r esp ec tiv ely .   v ̂ 1   an d   v ̂ 2   ar e  th e  f u el  ce ll  v o ltag e  an d   s o lar   p an el  v o ltag e  ( p er tu r b atio n   co m p o n e n t) .   i ̂ L1   a n d     i ̂ L2   ar e   th e  s m all  s ig n al  c u r r e n ts   o f   L 1   an d   L 2 .   v ̂ C1   an d   v ̂ C2 ar e   th e  s m all  s ig n al  v o ltag es  ac r o s s   C 1   an d   C 2.   δ ̂ 1   to   δ ̂ 5   ar e  th e  r esp ec tiv e  s m all - s ig n al  d u ty   r atio s   o f   f ir s t  m o d e  to   f if t h   m o d e.   I n clu d e  s m all  s ig n al  co m p o n en ts   in   ( 1 3 )   to   ( 1 5 ) .     d i L1 dt + d i ̂ L1 dt = − 1 L 1 ( 1 − ( d 1 + δ ̂ 1 ) − ( d 3 + δ ̂ 3 ) − ( d 5 + δ ̂ 5 ) ) ( V C1 + v ̂ C1 ) + 1 L 1 ( 1 − ( d 3 + δ ̂ 3 ) − ( d 4 + δ ̂ 4 ) ) ( V 1 + v ̂ 1 ) + 1 L 1 ( 1 − ( d 1 + δ ̂ 1 ) − ( d 2 + δ ̂ 2 ) ) ( V 2 + v ̂ 2 )   ( 1 6 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Dyn a mic  mo d ellin g   a n d   s ma ll - s ig n a l a n a lysi s   o f a n   efficien t b r id g e - typ e   …  ( B a ya   R e d d y  Lo ma d a )   2447   Sep ar ate  th e  p er tu r b atio n   co m p o n en t te r m   f r o m   eq u atio n   ( 1 6 ) ,   an d   ass u m e  th at  h ig h e r   o r d e r   ter m s   ar e  ze r o .     d i ̂ L1 dt =   − 1 L 1 ( ( 1 − d 1 − d 3 − d 5 ) v ̂ C1 − ( 1 − d 3 − d 4 ) v ̂ 1 − ( 1 − d 1 − d 2 ) v ̂ 2 + ( − V C1 − V 2 ) δ ̂ 1 + V 2 δ ̂ 2 + ( − V C1 − V 1 ) δ ̂ 3 + V 1 δ ̂ 4 + ( − V C1 ) δ ̂ 5 )   ( 1 7 )     Similar ly ,     d i ̂ L2 dt =   − 1 L 2 ( ( d 1 + d 3 + d 5 ) v ̂ C1 + v ̂ C2 + ( V C1 ) δ ̂ 1 + ( V C1 ) δ ̂ 3 + ( V C1 ) δ ̂ 5 )   ( 1 8 )     d v ̂ C1 dt =   1 C 1 ( ( 1 − d 1 − d 3 − d 5 ) i ̂ L1 + ( d 1 + d 3 + d 5 ) i ̂ L2 − ( I L1 + I L2 ) δ ̂ 1 − ( I L1 + I L2 ) δ ̂ 3 − ( I L1 + I L2 ) δ ̂ 5 )   ( 1 9 )     d v ̂ C2 dt =   1 C 2 i ̂ L2 − 1 RC 2 v ̂ C2   ( 2 0 )     Fro m   th e  ( 1 7 )   to   ( 2 0 ) ,     [             d i ̂ L1 dt d i ̂ L2 dt d v ̂ C1 dt d v ̂ C2 dt ]             = [             0 0 − 1 L 1 ( 1 − d 1 − d 3 − d 5 ) 0 0 0 − 1 L 2 ( d 1 + d 3 + d 5 ) − 1 L 2 1 C 1 ( 1 − d 1 − d 3 − d 5 )         1 C 1 ( d 1 + d 3 + d 5 ) 0 0 0 1 C 2 0 − 1 RC 2 ]             [ i ̂ L1 i ̂ L2 v ̂ C1 v ̂ C2 ] + [           − 1 L 1 ( − V C1 − V 2 ) − V 2 L 1 − 1 L 1 ( − V C1 − V 1 ) V 1 L 1 − 1 L 1 ( − V C1 ) 1 L 1 ( 1 − d 3 − d 4 ) 1 L 1 ( 1 − d 1 − d 2 ) − 1 L 2 ( V C1 ) 0 − 1 L 2 ( V C1 ) 0 − 1 L 2 ( V C1 ) 0 0 1 C 1 ( I L2 − I 1 ) 0 1 C 1 ( I L2 − I 1 ) 0 1 C 1 ( I L2 − I 1 ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ]           [               δ ̂ 1 δ ̂ 2 δ ̂ 3 δ ̂ 4 δ ̂ 5 v ̂ 1 v ̂ 2 ]                 (2 1)     v ̂ 0 = [ 0 0 0 1 ] [ i ̂ L1 i ̂ L2 v ̂ C1 v ̂ C2 ]   ( 2 2 )     T h e  g en er al  s tate - s p ac e  m o d el ,   wh ich   is   p r o v id ed   in   ( 2 3 ) ,   ca n   b e  r ec o g n is ed   b y   co m p ar i n g   ( 2 1 )   an d   ( 2 2 ) ,   an d   id en tifie d   A ̂ .     x ̂ ̇ = A ̂ x ̂ + B ̂ u ̂ y ̂ = C ̂ x ̂ + D ̂ u ̂ }   ( 2 3 )     T h e  ch ar ac ter is tics   eq u atio n   ( C E )   is   | A ̂ − SI | = 0 .  W h er e  S i s   th e  L T   v ar iab le  an d   I   is   th e  u n it - m atr ix   o f   o r d er   4 × 4.     S 4 + S 3 1 RC 2 + S 2 ( ( d 1 + d 3 + d 5 ) 2 C 1 L 2 + ( 1 − d 1 − d 3 − d 5 ) 2 C 1 L 1 + 1 C 2 L 2 ) + S ( ( d 1 + d 3 + d 5 ) 2 RC 1 C 2 L 2 + ( 1 − d 1 − d 3 − d 5 ) 2 RC 1 C 2 L 1 ) + 1 C 1 C 2 L 1 L 2 ( ( 1 − d 1 − d 3 − d 5 ) 2 = 0   ( 2 4 )     B y   co m p ar in g   th e  ( 2 4 )   wit h     S 4 + S 3 α 1 + S 2 α 2 + S α 3 + α 4 = 0 .   T h e   R o u th - Hu r witz   s tab ilit y   cr iter io n   ( R HSC )   is   u s ed   to   d eter m in e   th e   s tab ilit y   of   t h e   in ten d ed   c o n v er ter   s in ce   th e   s y s tem   h as   f o u r   o r d er s ,   wh ic h   elim in ates   th e   n ee d   f o r   a   p o l e - ze r o   p lo t   a n d   th e   c h allen g e   of   lo ca tin g   t h e   p o les   an d   ze r o s   of   h ig h er - o r d er   s y s tem s .   T h e   tab le   of   R HSC   is   s ee n   b elo w .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 25 :   2441 - 2 4 5 2   2448   S 4 S 3 S 2 S 1 S 0 | | 1 α 2 α 4 α 1 α 3 0 α 1 α 2 − α 3 α 1 α 4 0 α 1 α 2 α 3 − α 3 2 − α 1 2 α 4 α 1 α 2 − α 3 0 0 α 4 0 0     T h e  s y s tem   m ain tain s   s tab ilit y   f o r   all  d u ty   r atio s   b elo w  t h e   allo wab le  m ax im u m ,   as  in d icate d   b y   th e  R o u t h - Hu r witz  s tab ilit y   cr iter io n .   T h is   is   co n f ir m ed   b y   th e  f ac t  t h at  all  co ef f icien ts   in   ( 2 4 )   ar e  p o s itiv e,   r ea l,  an d   non - ze r o ,   a n d   all  elem en ts   in   t h e  f ir s t c o lu m n   o f   t h e  R o u th - Hu r witz  tab le  ar e  also   p o s itiv e .       3.   ANALY SI S A ND  DI SCUS S I O N  O F   T H E   P RO P O SE D  CO NVER T E R   I n   th is   ar ticle,   th e  m ath em atica l  m o d ellin g   o f   a  C UK - b ased   m u lti - in p u t  co n v er ter   is   p r esen ted ,   alo n g   with   an   a n aly s is   o f   its   s tead y - s tate  b eh av io r .   T h e   p e r f o r m an ce   o f   th e  p r o p o s ed   co n v er ter   i s   ev alu ated   t h r o u g h   an   ex p e r im en tal  s etu p .   T h e   e x p e r i m e n t a l   v a l i d at i o n   o f   t h e   p r o p o s e d   c o n v e r t e r   w a s   c a r r i ed   o u t   u s i n g   a   2 5 0   W   h a r d w a r e   p r o t o t y p e .   T h e   s e t u p   c o n s i s ts   o f   t w o   D C   s o u r c e s   r ep r e s e n t i n g   f u e l   c e l l   a n d   s o la r   p a n e l   v o l t a g e s   ( 2 0   V  a n d   1 2   V ) ,   c o n n e c t e d   t h r o u g h   t h e   c o n v e r t e r   t o   a   4 8   V   o u t p u t   a c r o s s   a  1 0 - o h m   r e s is t i v e  lo a d .   T h e   c i r c u it   u s e s   f o u r   M O S F E T   s wi t c h es   ( FQ A3 8 N 3 0 ) ,   d i o d e s   ( M UR 1 5 6 0 ) ,   i n d u c t o r s   o f   2 4   m H   a n d   5 0   m H ,   a n d   c a p a c i t o r s   o f   7 5 0   μ F   e a c h .   S wi t c h i n g   is   p e r f o r m e d   a t   1 0   k H z   u s i n g   P W M   s i g n a l s   g e n e r at e d   t h r o u g h   a   m i cr o c o n t r o l l e r .   F i g u r e  4   s h o w s   t h e  c o m p l e t e  t es t  s etu p ,   a n d   c o m p o n e n t   v a l u e s   a r e  d e t a il e d   i n   T a b l e   1 .   A lt h o u g h   s i m u l at i o n s   w e r e  p e r f o r m e d   d u r i n g   t h e   d e s i g n   s t a g e ,   t h e y   a r e   n o t   p r e s e n t e d   h e r e   d u e   t o   p a p e r   l e n g t h   l i m i t a t i o n s .   T h e s e   r e s u lt s   wi ll  b e   i n c l u d e d   i n   f u t u r e   w o r k   t o   co m p l e m e n t   t h e   h a r d w a r e   f i n d in g s .   T h e   g a t e   s i g n a ls   a p p l i e d   to   t h e   f o u r   M O S F E T   s w it c h e s ,   d e n o t e d   as   V GS1 ,   V GS2 ,   V GS3 ,   a n d   V GS4   a r e   il l u s t r a t e d   i n   F i g u r e   5 ( a ) .   A l l   s wi tc h e s   o p e r a t e d   a t   a  c o n s i s t e n t   s wi t c h i n g   f r e q u e n cy   o f   1 0   k H z .   F i g u r e   5 ( b )   d is p l a y s   t h e   e x p e r i m e n ta l   w a v e f o r m s   o f   t h e  i n d u c t o r   c u r r e n t s   I L1   a n d   I L2   a l o n g   w i t h   t h e   v o l t a g e s   a c r o s s   c a p a ci t o r s   V C1 ,   V C2 .   T h e   m ea s u r e d   R MS   v a l u es   w e r e  1 8 . 1 9   A   f o r   I L1 ,   6 . 3 8   A   f o r   I L2  a n d   4 7 . 7 4   V   f o r   t h e   o u t p u t   v o l t a g e ,   w i t h   t h e   p e a k   o u t p u t   v o l ta g e   r e a c h i n g   5 6 . 3 2   V .   Fig u r e  5 ( c)   s h o ws  th e  v o ltag e  wav ef o r m s   ac r o s s   th e  s w itch es  V G S1 ,   V GS2 ,   V G S3 ,   an d   V G S4 .   T h e  v o ltag e  s tr ess   ex p er ien ce d   b y   s witch es  S 1 ,   S 2  an d   S 3 ,  is   f o u n d   to   b e  less   th an   o r   ap p r o x i m ately   eq u al   to   th e   m ax im u m   in p u t  v o ltag e.   T h e  s tr ess   o n   s witch   S 4  r em ain s   b elo w  twice  th e  o u tp u t  v o ltag e   V 0 ,   in d icatin g   th at   all  s witch es  o p er ate  with in   s af e  v o ltag e   lim its .   T h e   in p u t  v o ltag es  V 1   an d   V 2    alo n g   with   th e  o u tp u t   v o ltag e   V 0   an d   o u tp u t   cu r r e n t  I 0   ar e  d ep icted   in   Fig u r e   5 ( d ) .   T h e  r ec o r d e d   v alu es  f o r   V 1 ,  V 2 ,   V 0 ,  an d   I 0   ar e  2 0   V ,     12   V ,   an d   4 7 . 7 4   V,   6 . 3 6   A  r es p ec tiv ely .           Fig u r e  4 .   E x p er im e n tal  s etu p   o f   C UK  C UK - b ased   n o v el  m u lti - in p u t c o n v er ter   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Dyn a mic  mo d ellin g   a n d   s ma ll - s ig n a l a n a lysi s   o f a n   efficien t b r id g e - typ e   …  ( B a ya   R e d d y  Lo ma d a )   2449   T ab le  1 .   E x p er im en tal  s etu p     P a r a me t e r   V a l u e   I / P   V o l t a g e s   V 1 = 20   V ,  V 2 = 12   V   O / P   V o l t a g e   V 0 = 48   V   O / P   P o w e r   P 0 = 250   W   S w i t c h i n g   f r e q u e n c y   1 0   K H z   D u t y   c y c l e     D 1 = D 2 = D 3   0 . 3 3   D u t y   c y c l e     D 4   0 . 7 2   I n d u c t o r s   L 1 = 24   mH ,  L 2 = 50   mH   C a p a c i t o r s   C 1 = 750   μ F ,  C 2 = 750   μ F   M O S F ETs  ( 4 )   F Q A 3 8 N 3 0   D i o d e   M U R 1 5 6 0   Lo a d     R = 10   Ω           ( a)   ( b )       ( c)   ( d )     Fig u r e  5 .   T h e  p r o to ty p e   m o d el   ex p er im en tal  wav e f o r m s : ( a )   p u ls es o f   S 1 , S 2 ,   an d   S 3   a n d   S 4 ,    ( b )   i n d u cto r   c u r r e n ts   an d   c ap a cito r   v o ltag es ,   ( c )   v o ltag e   s tr ess   o f   S 1 , S 2 ,  an d   S 3 , S 4   s witch es ,    an d   ( d )   i n p u t a n d   o u tp u t v o lta g es a n d   o u tp u t c u r r en t       C o m p ar ed   to   c o n v e n tio n al  C UK - b ased   m u lti - in p u t  c o n v e r ter s ,   th e  p r o p o s ed   to p o lo g y   o f f er s   s ev er al  tech n ical  en h an ce m en ts   b ey o n d   th e   s u m m a r ized   m etr ics  i n   T ab le   2 .   I t   ac h iev es   r ed u ce d   co m p o n e n t  c o u n t,   lead in g   to   a  m o r e  co m p ac t  an d   co s t - ef f ec tiv e  d esig n .   T h e  v o ltag e  s tr ess   ac r o s s   s w itc h es  is   s ig n if ican tly   lo wer — esp ec ially   o n   s witch   S4 — en h an cin g   d ev ice  r eliab il ity .   Un lik e  p r io r   co n v er ter s   th at  em p lo y   r elay s   o r   co m p lex   g atin g   [ 1 6 ] ,   [ 2 1 ] ,   o u r   d esig n   s im p lifie s   co n tr o l  d u e  to   s y m m et r ical  o p e r atin g   m o d es  an d   co n s is ten t   s tate - s p ac e  m o d els.  T h e  u s e  o f   o n ly   th r ee   b i d ir ec tio n al  s witch es  m in im izes  lo s s es  w h ile  r etain in g   f u ll   b id ir ec tio n al  p o wer   f lo w   ca p ab ilit y .   E f f icien cy   is   m ax i m ized   at  9 6 . 4 %,  o u tp er f o r m in g   m o s t  r ef er e n ce d   d esig n s   o p e r atin g   b elo w  9 5 % .   T h e   s y s tem ’ s   n o n - is o lated   s tr u ctu r e,   with   m o d u lar   in ter f a cin g   f o r   f u el   ce lls   an d   PV  s o u r ce s ,   allo ws  ea s ier   s ca lab ilit y   f o r   elec tr ic   m o b ilit y   p latf o r m s .   T h is   to p o lo g y   also   en s u r es  co n tin u o u s   in p u t  cu r r e n t  an d   r ed u ce d   o u tp u t  v o lta g e  r ip p le.   T h ese  f ea tu r es  co llectiv ely   im p r o v e  p o wer   m an ag em en t,  r eliab ilit y ,   an d   a d ap tab ilit y   in   h y b r id   lo w - p o w er   s y s tem s .   Hen ce ,   th e  p r o p o s ed   co n v e r ter   s tan d s   o u t a s   a  h ig h - p er f o r m a n ce ,   ap p licatio n - s p ec if ic  s o lu tio n   f o r   m o d er n   en er g y   in teg r atio n .     A 11 = V 0 = ( d 1 + d 2 ) V 1 + d 2 V 2 1 − d 1 − d 2                                                              Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  16 ,   No .   4 ,  Dec em b er   20 25 :   2441 - 2 4 5 2   2450     A 12 = V 0 = d 1 V 1 + d 2 ( V 1 + V 2 ) + d 3 V 2 1 − d 1 − d 2 − d 3     A 13 = V 0 = d 1 V 1 + ( 1 − d 1 ) V 2 1 − d 2                                                                A 14 = V 0 = − d 1 V 1 + d 2 V 2 + d 3 ( V 1 + V 2 ) 1 − d 1 − d 2 − d 3     A 15 = V 0 = d 1 V b at t er y + ( 1 − d 1 ) V 1 + ( 1 − d 2 ) V 2 1 − d 3                                    A 17 = V 0 = ( 2 − d 1 ) V 1 + V 2 ( 1 − d 1 ) 2     A 18 = V 0 = (   d 1 − 2 d 2 + d 1 d 2 ( 1 − d 1 ) 2 ( d 1 − d 2 )   V 1 + d 2 ( 1 − d 1 ) d 1 ( d 1 − d 2 ) V 2     A 19 = V 0 = − d 1 + d 3 + d 5 1 − d 1 − d 3 − d 5 ( V 1 ( 1 − d 3 − d 4 ) + V 2 ( 1 − d 1 − d 2 ) )       T ab le  2 .   C o m p a r in g   th e   p r o p o s ed   co n v er ter   ag ain s t c u r r en t c o n v er ter s   to p o lo g ies   To p o l o g y   [ 1 5 ]   [ 1 6 ]   [ 1 7 ]   [ 1 8 ]   [ 1 9 ]   [ 2 0 ]   [ 2 1 ]   [ 2 2 ]   [ 2 3 ]   P r o p o se d   G a i n                                 N u mb e r   o f   so u r c e s     2   2   2   2   3   2   2   2   2   2   N u mb e r   o f   u n i d i r e c t i o n a l   sw i t c h e s   0   4   0   2   4   6   4   3   4   4   N u mb e r   o f   c a p a c i t o r s    2   1   1   1   1   4   4   3   4   2   N u mb e r   o f   i n d u c t o r s   2   1   1   1   1   4   4   3   4   2   N u mb e r   o f   B i - d i r e c t i o n a l   p o w e r   sw i t c h e s   3   0   3   2   2   2   0   0   1   0   N o .   o f   d i o d e s   5   3   1   0   2   2   4   3   1   1   N o .   o f   r e l a y s   0   4   3   0   0   0   0   0   0   0   S t r e ss  o n   v o l t a g e   H i g h   -   -   H i g h   Lo w   H i g h   M o d e r a t e   M o d e r a t e   M o d e r a t e   Lo w   %  e f f i c i e n c y   9 3 . 5 0   94   93   94   88 - 94   91   95   94   95   9 6 . 4       4.   CO NCLU SI O N   T h is   wo r k   h as  p r esen ted   th e  d y n am ic   m o d ellin g   a n d   s m all - s ig n al  an aly s is   o f   a   b r i d g e - t y p e  m u lti - in p u t  DC – DC   co n v er te r   d e v elo p ed   f o r   h y b r id   l o w - p o wer   s y s tem s .   T h e  co n v er ter   e n ab les  co n tin u o u s   p o wer   d eliv er y   f r o m   two   i n d ep e n d e n t  s o u r ce s ,   p r o v id in g   en h a n c ed   o p er atio n al  f lex ib ilit y .   T h e  d esig n   em p lo y s   a  C UK - b ased   to p o lo g y   a n d   m u l tip le  s witch in g   f r eq u e n cies,  wh ich   f ac ilit ate  co n tr o l  o v er   p o wer   f lo w  an d   o u tp u t  r eg u latio n .   T h e  m o d ellin g   ap p r o ac h   in clu d es st ea d y - s tate  an aly s is ,   av er ag e  lar g e - s ig n al  m o d ellin g ,   an d   s m all - s ig n al  r ep r esen tatio n ,   o f f e r in g   a  d etailed   e v alu atio n   o f   th e  co n v e r ter ’ s   b eh a v io u r .   E x p er im en tal  v alid atio n   u s in g   a  2 5 0   W   p r o t o ty p e  co n f ir m s   th e  th eo r etica l  p r e d ictio n s ,   ac h iev in g   a  p ea k   ef f icie n cy   o f   9 6 . 4 %  with   r ed u ce d   v o ltag e   s tr ess   o n   th e  s witch in g   d ev ices.  I n   co m p ar is o n   with   ex is tin g   to p o l o g ies,  th e  p r o p o s ed   co n v er ter   d em o n s tr ates im p r o v ed   p er f o r m a n ce   an d   s u itab ilit y   f o r   l o w - p o wer   ap p licatio n s .   Fu tu r e  wo r k   will  f o cu s   o n   i m p lem en tatio n   o f   tr ad itio n al   an d   a d v an ce d   co n tr o ller s   to   i m p r o v e   th e   o u tp u t  v o ltag e  r eg u latio n .   T h e  co n v er ter ’ s   d y n am ic  b eh a v io r   u n d e r   tr an s ien t  co n d itio n s   will  b e  an aly ze d   u s in g   h ar d war e - in - th e - lo o p   s im u latio n s .   Scalab ilit y   to   m ed iu m   an d   h ig h - p o we r   ap p licatio n s   will  b e  ex p lo r ed   th r o u g h   co m p o n en t  an d   th er m al  r ed esig n .   I n teg r atio n   wit h   lith iu m - io n   b atter ies  an d   s u p er ca p ac ito r s   will  s u p p o r t  r eg e n er ativ e  b r a k in g .   R ea l - tim e  m o n ito r in g   an d   s m ar t  g r id   co m p atib ilit y   will  als o   b e  co n s id er ed   f o r   en h an ce d   co n tr o l.       F UNDING   I NF O R M A T I O N    Au th o r s   s tate  n o   f u n d in g   in v o lv ed .       AUTHO R  CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T   T h is   jo u r n al  u s es  th e  C o n tr ib u to r   R o les  T ax o n o m y   ( C R ed iT)   to   r ec o g n ize  in d iv id u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.