I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r ch   20 2 6 ,   p p .   5 3 3 ~ 5 52   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / ijp ed s . v 1 7 . i 1 . p p 5 3 3 - 5 52           533       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   thr ee iso la ted  p o rt   DC/ DC  co nv e rter   for a n en ergy  stora g sy stem f o r re new a ble energy  appli ca tions       F a ruk   Ahm et i 1 ,   Di m it a Arn a ud o v 1 Sa brij O s m a na j 2   1 D e p a r t me n t   o f   P o w e r   El e c t r o n i c s,  F a c u l t y   o f   E l e c t r o n i c   E n g i n e e r i n g   a n d   T e c h n o l o g y ,   T e c h n i c a l   U n i v e r si t y   o f   S o f i a ,   S o f i a ,   B u l g a r i a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s,  F a c u l t y   o f   El 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 ,   U n i v e r s i t y   o f   P r i s t i n a ,   P r i s t i n a R e p u b l i c   o f   K o s o v o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   1 7 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Dec   4 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Dec   1 1 ,   2 0 2 5       Th e   u se   o re n e wa b le  e n e rg y   so u rc e li k e   so lar  p h o t o v o lt a ic,  win d ,   a n d   fu e l   c e ll is  g a i n in g   p o p u larity   d u e   to   g r o win g   e n v ir o n m e n tal   a wa re n e ss ,   tec h n o l o g ica a d v a n c e m e n ts,  a n d   d e c li n in g   p r o d u c ti o n   c o st s.  P o we r   e lec tro n ic  c o n v e rters   a re   u su a ll y   u se d   t o   c o n v e rt  th e   p o we fr o m   r e n e wa b le  so u rc e to   m a tch   t h e   l o a d   d e m a n d   a n d   g ri d   re q u irem e n ts .   Am o n g   t h e se ,   DC DC  c o n v e rters   a re   e ss e n ti a fo r   imp ro v i n g   sy ste m   fu n c ti o n a li ty   a n d   p o we d e n sit y ,   e sp e c ially   in   l o w - v o lt a g e   re n e wa b le sy ste m s th a re q u ire h i g h   v o lt a g e   g a in .   T h is  p a p e p re se n t a   sy ste m a ti c   e v a lu a ti o n   o fi v e   a d v a n c e d   DC DC  c o n v e rter  t o p o lo g ies m u lt i - p o rt  DC,  b o o st  m u lt ip o rt  in terle a v e d   ste p - u p ,   iso late d   b id irec ti o n a l,   v o lt a g e /cu rre n fe d ,   a n d   g e n e ra re so n a n t   fo c u sin g   o n   th e ir  str u c tu ra l   c o m p lex it y ,   c o m p o n e n c o u n t ,   a n d   p o ten t ial   a p p li c a ti o n   sc e n a rio s.  In   a d d it i o n ,   a   n o v e h i g h - g a in   th re e - p o rt   re so n a n t   DC DC   c o n v e rter  is  p ro p o s e d ,   in c o rp o ra ti n g   g a lv a n ic  is o la ti o n   v ia  a   th re e - win d i n g   h i g h - fre q u e n c y   tr a n sfo rm e r.   Th e   c o n v e rter  a d o p t a   h a lf - b rid g e   re so n a n in v e rter  a n d   re c ti fier - b a se d   lo a d   p o rt ,   re su lt i n g   i n   a   c o m p a c a n d   c o st - e ffe c ti v e   so l u ti o n .   d e t a il e d   a n a ly sis  o t h e   c o n v e rter' o p e ra ti o n ,   d e sig n   c o n si d e ra ti o n s,  a n d   c o n t ro stra teg y   is   c o n d u c ted   u si n g   P L ECS   sim u latio n .   F u rth e rm o re ,   a n   e x p e rime n tal  se tu p   is  d e v e lo p e d   t o   v a li d a te  th e   c o n v e rter’s   p ra c ti c a fe a sib il it y .   Th e   se tu p   sc h e m a ti c   a n d   c o m p re h e n siv e   c o m p a ra ti v e   tab les   a re   i n c lu d e d   t o   s u p p o rt   t h e   e v a l u a ti o n   a n d   h i g h li g h t   th e   p ro p o se d   d e sig n ’s   c a p a b il it ies .     K ey w o r d s :   B id ir ec tio n al  co n v er ter s   DC /D C   co n v er ter s   E n er g y   s to r ag e   E n er g y   tr an s f er r in g   R eso n an t c o n v er ter s     T h is i 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 :   Sab r ije  Osma n aj   Dep ar tm en t o f   E lectr o n ics,  Fa cu lty   o f   E lectr ical  a n d   C o m p u ter   E n g in ee r i n g ,   Un i v er s ity   o f   Pristi n a   Pristi n a,   R ep u b lic  o f   Ko s o v o   E m ail:  s ab r ije. o s m an aj@ u n i - p r . ed u       1.   I NT RO D UCT I O N   R en ewa b le  en er g y   s o u r ce s ,   i n clu d in g   s o lar   p an els,   f u el  c ells ,   an d   win d   tu r b in es ,   h av attr ac ted   o n g o in g   i n ter est  d u e   to   th e   wo r ld ' s   in cr ea s in g   en er g y   cr is is ,   th d e p letio n   o f   its   r eso u r ce s ,   a n d   g r ee n h o u s g as  r ed u ctio n   in itiativ es  [ 1 ] [ 2 ] .   Ho wev er ,   d ep en d in g   o n   th tem p er atu r an d   wea th er ,   r en ew ab le  en er g y   s o u r ce s   ar ir r eg u lar   an d   u n r eliab le  d u to   th ese  an d   o th er   en v ir o n m en tal  co n d itio n s .   B atter ie s   an d   o th er   en er g y   s to r ag s y s tem s   ar u s ed   to   e n s u r s tab ilit y   an d   co n tin u ity   o f   th p o wer   s u p p l y .   T h e y   ca n   b co n n ec ted   to   co m m o n   s y s tem   u s in g   m u ltip l s in g le - p o r t   co n v er ter s   o r   s i n g le  m u lti - p o r c o n v e r ter   [ 3 ] .   I n   r ec e n y ea r s ,   t h u s o f   d is tr ib u te d   p h o to v o ltaic  s y s tem s   with   m ed iu m   an d   h i g h   p o wer   h as  in c r ea s ed   s ig n if i ca n tly .   T o   in cr ea s e   ef f icien cy ,   th ese  s y s tem s   ar e   co m b i n ed   with   en er g y   s to r ag s y s tem s .   Var io u s   c o n f ig u r atio n s   o f   h y b r i d   s y s tem s   b ased   o n   p h o to v o ltaic  s o u r ce s   ar k n o wn   in   th e   liter atu r e.   B id ir ec tio n al  DC - DC   co n v er ter s   a r u s e d   in   h y b r id   s y s tem s .   B id ir ec tio n al  DC - DC   co n v er ter s   p r o v i d ch a r g in g   an d   d is ch ar g in g   o f   en er g y   s to r ag e   s y s tem s .   Sin ce   th er m ay   b ti m es  wh en   th er e   is   n o t   en o u g h   en er g y   av ailab le   f r o m   p h o to v o ltaics,  an d   en e r g 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 E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r c h   20 2 6 :   533 - 5 52   534   f r o m   th s to r ag s y s tem   ca n   b u s ed ,   it  is   n ec ess ar y   to   h av m u lti - p o r co n v er ter .   Fro m   t h p o in o f   v iew  o f   en s u r in g   s af e   o p er atio n ,   th e   s y s tem   h o u s in g s   ar c o n n e cted   to   g r o u n d .   Galv an icall y   is o lated   DC - DC   co n v er ter s   a r u s ed   to   m atc h   th d if f er en p o ten tials   [ 4 ] - [ 6 ] .   T h m ain   d is ad v an ta g es  o f   h a v in g   m u ltip le  co n v er ter s   in   th s y s tem   ar m u ltip le  en er g y   co n v er s io n s   an d   lar g n u m b er   o f   co m p o n en ts .   T h is ,   in   tu r n ,   lead s   to   r ed u ctio n   in   e f f icie n cy ,   as  well  as  an   in cr ea s in   s ize,   d ec r ea s in   r eliab ilit y ,   an d   an   in cr ea s in   co s t.  Mu lti - p o r co n v e r ter s   ar u s ed   in   s y s tem s   th at  in cl u d win d   tu r b in es,  f u el  ce lls ,   an d   p h o t o v o ltaic  s y s tem s   [ 7 ] .   R ec en tly ,   th th r ee - p o r DC - DC   co n v e r ter s   with   th co n f ig u r atio n   s h o wn   in   Fig u r e   1   h av b ee n   s tu d ied   to   in teg r ate   th r en ew ab le  en er g y   an d   en er g y   s to r ag co n v er ter s   in to   o n c o n v er t er   with   two   in p u ts .   On th r ee - p o r DC - DC   co n v e r ter   ca n   ac ce p two   in p u ts o n in p u is   f o r   th e   DC   o u tp u o f   th PV,  a n d   t h e   s ec o n d   DC   in p u t,  wh ich   is   b id ir ec tio n al  p o r t,  is   f o r   th e   en e r g y   s to r ag e   s y s tem   f o r   c h ar g in g   an d   d is ch ar g in g .           Fig u r 1 .   T h ty p ical  s tr u ctu r e   o f   th r ee - p o r t c o n v er ter       T h o u tp u o f   th th r ee - p o r DC - DC   co n v er ter   ca n   b co n n ec ted   to   th DC   lo ad   d ir ec tly   o r   to   th e   g r id   o r   AC   lo ad   b y   a n   in v er te r   th r o u g h   DC   lin k   ca p ac ito r .   Ma n y   th r ee - p o r DC - DC   co n v er ter s ,   wh ich   ca n   s atis f y   th MPPT  an d   en er g y - s to r ag ch a r g in g   a n d   d is ch ar g in g   r e q u ir em e n ts ,   h av b e en   r ep o r ted   in   th e   liter atu r e.   T h ese  co n v er ter s   ca n   b ca teg o r ized   in to   3   ty p es:  n o n - is o lated   [ 8 ] ,   p ar tly   is o lated   [ 9 ] ,   an d   is o late d   co n v er ter s   [ 1 0 ] .   No n - is o lated   th r ee - p o r c o n v e r ter s   h av s tr u ctu r with   f e wer   co m p o n en ts   an d   s im p le r   d esig n   o f   th m ag n etic  co m p o n e n ts   [ 1 1 ] - [ 1 9 ] .   I n   th is   ca s e,   tech n iq u e s   f o r   ac h iev in g   s o f s witch in g   ca n   b u s ed ,   wh ich   ar ap p licab le  t o   n o n - is o lated   g alv an ic  a p p licatio n s   [8 ] ,   [ 9 ] .   An o th er   d is ad v an ta g o f   th e   n o n - is o lated   th r ee - p o r c o n v e r ter s   is   th at   m o s o f   th ese  co n v er ter s   h av e   a   lim ited   v o ltag g ain   s in ce   th e   f r ee d o m   o f   m o d u latio n   o f   th e   v o ltag e   co n v er s io n   r ati o   is   o n l y   th e   d u t y   cy cle .   So m r ep o r ted   p ap er s   u s co u p led - in d u cto r s   to   e x ten d   th v o ltag co n v er s io n   r atio   to   o v er co m th is   is s u [ 2 0 ] - [ 2 2 ] .   C o m p ar ed   to   th n o n - is o lated   th r ee - p o r t   co n v er ter s ,   p ar tly   is o lated   th r ee - p o r c o n v e r ter s ,   wh ich   u s e   tr an s f o r m e r   to   is o late  o n p o r f r o m   th e   o th er   two   co m m o n - g r o u n d e d   p o r ts ,   ca n   o b tain   h i g h er   v o ltag g ain   with   lar g er   tu r n s   r atio   o f   th tr an s f o r m er .   Ho wev er ,   th e   en e r g y   s to r ag e   s y s tem   in   th ese  co n v er ter s   c o n tin u es  o p e r atin g   in   all  o p er a tin g   m o d es,  wh ich   ca n   s h o r ten   th life s p an   o f   th e   en er g y   s y s tem   an d   lo we r   th r eliab ilit y   o f   th o v e r all  s y s tem   [ 2 3 ] .   W h en   u s in g   h ig h - f r eq u e n cy   tr a n s f o r m e r ,   it  is   ea s ier   to   ac h iev v o ltag e   m atch in g   b etwe en   th s o u r ce s   co n n ec ted   to   th in d iv id u al   p o r ts   [ 1 9 ] .   Ho wev e r ,   th e   n u m b er   o f   co m p o n en ts   u s ed   in   th is   k in d   o f   co n v er ter   is   v er y   lar g e   s in ce   th co m p o n e n ts   ar n o o f ten   s h ar ed   [ 9 ] .   Alth o u g h   b o t h   p ar tly   is o lated   an d   is o lated   co n v er ter s   ca n   b o p er ated   with   s o f s witch in g   o n   th s witch es  u s in g   ap p r o p r iate  co n tr o an d   m o d u latio n   m eth o d s ,   h ig h   p o wer   lo s s   m ay   s till   o cc u r   d u to   th e   leak ag e   in d u cta n ce   o f   th tr a n s f o r m er   [ 2 3 ] .   Als o ,   th e   u s o f   tr a n s f o r m e r   m a y   m ak th co n v er ter   b u lk y   an d   r ed u ce   th o v er all  p o wer   d e n s ity .   I n   m o s s itu atio n s ,   th r ee   p o r co n v er ter s   co n s is o f   s ev er al  f u ll/h alf - b r id g co n v er ter s   an d   r ec tifie r s ,   an d   all  th r ee   p o r ts   ar is o lated   f r o m   o n an o t h er   u s in g   o n o r   two   tr a n s f o r m er s   [ 2 4 ] - [ 2 7 ] .   T h m o r e   in d ep en d en co n v er ter s   we   h a v in   th is   th r ee - p o r s y s tem ,   t h ea s ier   it  is   to   c o n tr o l   en er g y   f lo ws,  a n d   it   is   p o s s ib le  to   ac h iev m o r co m p lex   alg o r ith m s   f o r   c o n tr o ll in g   f lo ws  th r o u g h o u th s y s tem .   I n   th r ee - p o r s y s tem ,   it  i s   p o s s ib le  to   en s u r th at  wh en   en er g y   is   tr an s f er r ed   b etwe en   two   o f   th p o r ts ,   th th ir d   p o r is   n o ac tiv e.   W h en   u s in g   h ig h - f r e q u en cy   tr a n s f o r m er   a n d   wid r an g o f   g ain   ch an g es  d u r i n g   en er g y   tr an s f er ,   th ef f icien cy   co ef f icien m ay   b r ed u ce d   as  r esu lt  o f   lo s s es  in   th tr an s f o r m er   wh en   o p er atin g   at  d if f er en t   f r eq u e n cies.  Ho wev er ,   th er i s   b ar r ier   to   th e   wid esp r ea d   p r o m o tio n   o f   th ese  clea n   en er g y   s o u r ce s   b ec au s e   o f   th i n ter m itten ch ar ac te r   o f   r en ewa b le  s o u r ce s   an d   th u n p r ed ictab le  n atu r e   o f   l o ad   d e m an d .   I n   o r d er   to   ad d r ess   th ch allen g es  o f   in te r m itten r en ewa b le  e n er g y   an d   u n p r ed ictab le  lo a d ,   p o wer   e lectr o n ic  co n v er ter s   with   en er g y   s to r ag s y s tem s   ar ty p ically   u s ed   to   co n v er PV  p an el  o u tp u p o wer   to   m atch   lo ad   d em an d ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A   th r ee   is o la ted   p o r t D C /DC   c o n ve r ter fo r   a n   en erg s to r a g e   s ystem     ( F a r u A h meti )   535   im p r o v th d y n am ic  a n d   s tead y - s tate  ch ar ac ter is tics   o f   g r ee n   g en er atio n   s y s tem s ,   p r o v id MPPT  co n tr o l,  an d   in teg r ate  th e n er g y   s to r a g s y s tem .   T h co n v e n tio n al  m eth o d   in v o lv es  co n n ec tin g   t h r en ewa b le  en er g y   s o u r ce   to   th e   lo ad   th r o u g h   a   tr ad itio n al   DC - DC   co n v er te r .   Fo llo win g   th is ,   t h e n er g y   s to r ag e   s y s tem   is   co n n ec ted   to   th in p u o r   o u tp u p o r o f   th co n v en tio n al   DC - D C   co n v er ter   v ia  b id ir ec tio n al  DC - DC   co n v er ter   f o r   c h ar g i n g   an d   d is ch ar g in g .   Du e   to   th e   ad d itio n a co n v e r ter   n ee d ed   f o r   th e n er g y   s to r a g s y s tem ,   th p r im ar y   d r awb ac k   o f   th ese  co n v en tio n al  m eth o d s   is   th eir   lo ef f icien cy .   Fu r th er m o r e,   th m u lti - s tag e   ar ch itectu r m ig h t le ad   to   la r g er   u n it,  a   lo wer   p o wer   d e n s ity ,   an d   co m p ar ativ ely   h i g h er   p r ice  [ 2 8 ] - [ 3 0 ] .     Ap p licatio n s   r eq u ir in g   th in teg r atio n   o f   v a r io u s   d is tin ct  in p u en er g y   s o u r ce   ty p es,  s u ch   as  f u el  ce lls ,   win d   tu r b in es,  an d   s o lar   PV,  ca n   b s atis f ied   b y   u s i n g   m u lti - in p u co n v er ter .   W ith   s in g le - s tag e   ap p r o ac h ,   th is   k in d   o f   co n v er t er   ca n   s u p p l y   th r eq u ir ed   p o wer   f o r   th l o ad h o we v er ,   s in ce   th ese  m u lti - in p u t   co n v er ter s   lac k   an   en e r g y   s to r ag s y s tem ,   th e   s y s tem   m ig h t   n o b e   ab le   to   s u p p ly   t h r e q u i r ed   lo a d   d e m an d   in   s itu atio n s   wh er th o u tp u t   p o wer   ex ce ed s   th e   in p u p o we r .   T h is   ca n   o cc u r   d u r in g   f u el  ce l o p er atio n   if   t h er e   is   s u d d en   r is in   lo a d   an d   th f u el  ce ll' s   ch em ical  r ea ctio n   ca n n o k ee p   u p   with   th in c r e ase  in   lo ad   q u ick ly   en o u g h   [ 3 1 ] .   W h en   u s in g   f u l l - b r id g c o n v e r ter s ,   it  is   ea s ier   to   o b tai n   s y m m etr ical  cu r r en wav ef o r m s   an d   b id ir ec tio n al  e n er g y   tr an s f er ,   b u th c o n tr o l   s y s tem   f o r   co n tr o llin g   th e   d ir ec tio n   o f   en e r g y   f lo ws  b ec o m es  m o r co m p lex   [ 3 2 ] .   Sch em a tic  co n f ig u r atio n   s o lu ti o n s   t h at  h av e   b ee n   ap p lied   to   h y b r id   s y s tem s   with   h y d r o g en   f u el  ce lls   ca n   also   b ap p lied   to   o th er   h y b r id   s y s tem s ,   s u ch   as  th o s with   p h o to v o ltaics.  Af ter   th e   in tr o d u ctio n   o f   th is   co n v er ter ,   it  h as  g ain ed   lo o f   atten tio n   f r o m   o th e r   r esear ch e r s ,   in   te r m s   o f   th e   an aly s is   o f   th p er f o r m a n ce s   o f   th c o n v er ter ,   th c o n tr o m eth o d s ,   t h lo s s   ev alu atio n s ,   an d   its   ap p licatio n s   [ 3 3 ] - [ 4 0 ] .   T o   r ed u ce   th r ip p les  o f   th i n p u cu r r e n t,  an   in d u cto r   h as  b ee n   ad d ed   b etwe en   th in p u t   s o u r ce   an d   th f u ll - b r id g s tr u ctu r in   th in p u p o r [ 4 1 ] .   n ew  f u ll - b r id g e - b ased   th r ee - p o r DC - DC   co n v er ter   is   r ep o r ted   in   [ 4 2 ] .   C o m p ar ed   to   th at  co n v er ter ,   th is   co n v er ter   in cl u d es   two   ad d itio n al  s er ies  r eso n an cir cu its   in   th p r im ar y   s id o f   th e   tr an s f o r m er ,   to   im p lem en th e   s o f s witch in g   o f   t h s witch es  to   r ed u ce   th s witch in g   lo s s es.  An o th er   b en ef it  o f   th is   co n v er ter   o v er   th p r e v io u s   o n is   th at  th is   co n v er ter   ca n   o p er ate  with   h ig h   s witch in g   f r eq u e n cy   with   r ea li za b le  co m p o n en v alu es [ 4 3 ] - [ 4 6 ] .       2.   M E T H O AND  E XP E R I M E NT AL   I M P L E M E NT A T I O N   T h p r o p o s ed   th r ee - p o r DC /DC   co n v er ter   u s ed   to p o lo g y   with   two   p ai r s   o f   lim itin g   d io d es.  T h is   th r ee - p o r co n v e r ter ' s   to p o lo g y   co n s is ts   o f   th r ee   p o r ts   th at  a r p h y s ically   an d   elec tr ically   i s o lated   b y   th r ee - win d in g   h ig h - f r eq u en cy   elec t r ical  tr an s f o r m er .   T h f ir s p o r h as  an   L L C   r eso n an tan k   an d   d u al  lim itin g   d io d es  co u p led   with   d u al  M OSFET   h alf - b r id g e   tr an s is to r s   o p p o s ite  ea ch   o th er ,   wh ich   s er v as  th 4 8 - v o lt  v o ltag s o u r ce ' s   in itial in ter f ac ( Fig u r e   2 ) .           Fig u r 2 .   Sch em atic  o f   th r ee - p o r t c o n v er te r   with   lim itin g   d io d es a n d   v al u es o f   co m p o n en ts       T h o th e r   p ar t   o f   t h cir cu it  h as  an o th er   p o r t,   p o r t   2 ,   w h ich   is   k n o wn   as  th e   lo ad   p o r a n d   f u n ctio n s   as  s ig n al  d r iv er   b y   r ec tify i n g   th DC   v o ltag f o r   th lo a d   co n n ec ted   to   th e n d   o f   th p o r t.  Po r 3   is   an o th er   co m p o n en o f   th cir c u it  k n o wn   as  th s u p er ca p ac ito r   p o r t,   wh ich   h an d les  b id ir ec tio n al  en er g y   f l o f r o m   t h e   en er g y   s to r ag s y s tem .   T h is   p ar o f   th cir cu it  tr an s f er s   en er g y   in   two   way s ,   ac tin g   as  h alf - b r id g L L C   cir cu it  an d   r ec tifie r   wh en   th en er g y   co m es  f r o m   d ir ec t c u r r en s o u r ce .   T h is   en e r g y   s to r ag is   ac h iev e d   b 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 E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r c h   20 2 6 :   533 - 5 52   536   co n n ec tin g   6   s u p er ca p ac ito r   ce lls   o f   2   v o lts   ea ch   in   s er ies  to   p r o d u ce   v o ltag o f   1 2   v o lts   at  th o u tp u t.  Similar   to   p o r t   1 ,   th is   p o r co n tain s   th L L C   r eso n an cir cu it,  wh ich   is   co n n ec ted   with   h a lf - b r id g tr a n s is to r s   an d   th e n   in ter f ac ed   t o   th e   o th er   p o r ts   u s in g   3   W in d in g   elec tr ical  tr a n s f o r m er .   T h is   h ig h - f r eq u e n cy   tr an s f o r m er   with   th r ee   win d in g s   s er v es  f o r   th r ee   b asic  f u n ct io n s elec tr ical  is o latio n ,   m ag n etica lly   co m b in in g   in p u DC   s o u r ce s ,   an d   s tep p in g   u p   v o ltag f r o m   th lo v o l tag s id ( L VS)   to   th h ig h   v o ltag s id ( HVS) .   T h elem en ts   o f   en er g y   tr an s f er   h av d iv e r s ity   th at  leak s   in d u ctan ce   f r o m   th em .   T h is   co n v er ter   m ain tain s   s tab le  s tate  b y   s witch in g   f r eq u en cies  ab o v e   th r eso n an ce   f r eq u en c y .   MO SF E T   tr an s is to r s   ar u s ed   to   c r ea te   s witch es,  wi th   Po r t   1   s en d in g   en er g y   o n ly   in   o n d ir ec tio n   a n d   Po r 3   en ab lin g   b id ir ec tio n al  cu r r en f lo b y   ch ar g in g   an d   d is ch ar g in g   th s u p er ca p ac ito r   b a n k .   T h e   ex p er im en tal  s etu p   d e p icted   in   Fig u r 3   is   lab o r ato r y - s ca le  test   d esig n ed   to   co n tr o an d   an al y ze   th e   b eh av io r   o f   a   th r ee - s tag e   r eso n an co n v e r ter   s y s tem   u s in g   c o m p u ter - b ased   in ter f ac e.   At  th e   f r o n en d ,   a   co m p u ter   r u n n i n g   L ab VI E W   is   e m p lo y ed   f o r   s ig n al   g en er atio n ,   d ata  ac q u is itio n ,   a n d   co n tr o l.  I in ter f ac es  with   c o m p ac d ata  ac q u is itio n   d e v ice  f r o m   Natio n al   I n s tr u m en ts   ( DAQ - NI ),   wh ic h   s er v es  as  b r id g b etwe en   th d ig ital  co m m an d s   an d   th p h y s ical  cir cu its .   C o n tr o s ig n als  ar p ass ed   to   o p to co u p ler   d r i v er   cir cu its   ( HC PL - 3 1 2 0 )   to   en s u r elec tr ica is o latio n   an d   s af s ig n al  tr an s m is s io n   to   th p o wer   s tag es.  E ac h   o p to co u p ler   d r iv er   is   p o wer e d   b y   d ed ica ted   1 5   Vd c   ex ter n al   s u p p ly ,   en a b lin g   th e   s af s witch in g   o f   p o wer   d ev ices a cr o s s   all  s tag es o f   th co n v er ter   ( Fi g u r 3 ) .           Fig u r 3 .   B lo ck   s ch em atic  o f   e x p er im en tal  s etu p   a n d   im p lem en tatio n       T h th r ee   s tag es  o f   th r eso n a n co n v er ter   ar clea r l y   v is u ali ze d   as:  i)   Stag e   1   co n s is ts   o f   a   4 8   DC   p o wer   s u p p ly   f ee d in g   r es o n an cir cu it  th r o u g h   d r iv er - co n tr o lled   s witch in g   m ec h an is m th is   s ec t io n   r ep r esen ts   th m ain   p o wer   i n p u t ii)   Stag e   2   is   t h lo a d   ci r cu it ,   wh ich   is   co n n ec ted   v ia   Hig h - Fre q u en cy   T r an s f o r m e r   to   en s u r g alv a n ic  is o latio n   an d   v o ltag tr an s f o r m atio n   b etwe e n   th s tag e s an d   iii)   Stag 3   in v o lv es  s u p er ca p ac ito r   cir c u it  ( S.C . ) ,   wh ich   f u n ctio n s   as  an   en er g y   s to r ag b u f f er ,   p r o v id in g   s u p p o r to   th e   s y s tem   d u r in g   tr a n s ien lo ad   d em an d s   o r   r eg en e r ativ p h a s es.  T h in teg r atio n   o f   L ab V I E W ,   o p to co u p ler s ,   an d   in d iv id u al  s tag co n tr o ls   en ab les  f in e - tu n ed   r ea l - ti m an aly s is   an d   ex p er im en tatio n   with   p o wer   elec tr o n ics b eh av io r   u n d er   d if f er en t o p er atin g   s ce n ar i o s .   T h ex p er im en tal   s etu p ,   illu s tr ated   in   Fig u r e   4 ,   is   th e   p h y s ical  im p lem en tatio n   o f   th e   s ch em atic   s h o wn   p r e v io u s ly   in   Fig u r 3 .   I v alid ates  th e   o p e r atio n   o f   t h p r o p o s ed   th r ee - p o r t r eso n an t   DC - DC   co n v er ter   u n d er   v ar io u s   lo a d   an d   s o u r ce   co n d itio n s .   T h s y s tem   is   co n tr o lled   th r o u g h   L ab VI E W - b ased   v ir tu al   in s tr u m en t,   wh ic h   en a b les  r e al - tim m o n ito r in g   an d   co n t r o l.  T h is   in ter f ac is   c o n n ec te d   to   c o m p ac d ata  ac q u is itio n   u n it  ( DAQ - NI )   th at   p r o v id es  d i g ital  o u tp u s ig n als  to   th g ate  d r iv e r   cir cu i tr y .   T h ese  co n t r o l   s ig n als  ar o p tically   is o lated   u s in g   HC PL - 3 1 2 0   o p to co u p ler   d r iv er s ,   en h an cin g   elec tr ical  s af ety   an d   en s u r in g   ac cu r ate  s witch in g   o f   t h p o w er   s em ico n d u cto r s .   As  we   ca n   s ee ,   th c o n v e r ter   is   d iv id ed   i n to   th r ee   h a r d war s tag es  cir cled   with   wh ite  co lo r Stag 1   co r r esp o n d s   to   th e   in p u s ec tio n   co n n ec ted   to   a   DC   p o wer   s u p p ly ;   Stag 2   f o r m s   th r eso n an t   ci r cu it  an d   s witch in g   in ter f ac e ,   an d   th e   h i g h - f r eq u e n cy   tr an s f o r m er   an d   r ec tifie r   b lo ck   p r o v id es  g al v an ic  is o la tio n   an d   v o ltag c o n v er s io n .   T h s u p er ca p ac ito r   b a n k ,   c o n n ec ted   as  p o r t   3 ,   s er v es  as  th b id i r ec tio n al  en er g y   s to r ag e   elem en t,  a n d   its   v o ltag is   m o n ito r e d   th r o u g h   a   d ed icate d   v o ltm eter .   An   e x ter n al  1 5   Vd c   p o wer   s u p p ly   p o wer s   th g ate   d r iv er   cir c u itry .     E xt e r n a l   1 5   V d P ow e r   S u p p l y   E xt e r n a l   1 5   V d P ow e r   S u p p l y   E xt e r n a l   1 5   V d P ow e r   S u p p l y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A   th r ee   is o la ted   p o r t D C /DC   c o n ve r ter fo r   a n   en erg s to r a g e   s ystem     ( F a r u A h meti )   537   At  th o u tp u t,  v ar iab le  lo a d   r esis to r   an d   d ig ital  o s cillo s co p ar e   u s ed   to   ev alu ate  o u tp u v o ltag e   an d   cu r r en wav e f o r m s .   T h v o ltag is   also   d is p lay ed   f o r   s o m s tag es  u s in g   d ig ital  m u ltime ter .   T h is   s etu p   en ab les  co n tr o lled   e x p er im e n t atio n   ac r o s s   all  th r ee   o p e r atio n al  m o d es,  allo win g   co m p r eh en s iv p er f o r m a n ce   ev alu atio n   o f   e n er g y   tr an s f er   e f f icien cy ,   s witch in g   b e h av io r ,   an d   d y n am ic  r esp o n s o f   t h c o n v er ter .   Fig u r e   d em o n s tr ates  ex p er im en tally   s u cc ess f u en er g y   tr an s f er   f r o m   th DC   s o u r ce   to   th lo ad   d u r in g   mode   o p er atio n ,   in   o r d er   t o   v er i f y   th s im u latio n   r esu lts .   T h t o p   cu r v r e p r esen ts   th lo ad   v o ltag e,   wh ile  t h e   b o tto m   cu r v d is p lay s   th D C   s tag cu r r en o f   th r eso n a n tan k .   T h wav ef o r m s   o p er ate  at  s tab le  h ig h   f r eq u e n cy   o f   4 0   k Hz,   with   m ea s u r ed   tim in ter v al  ( t)   o f   2 5 . 0 0   µs  b etwe en   k ey   tr an s itio n   p o in ts ,   co r r esp o n d in g   to   t h ex p ec ted   r eso n an t   b eh a v io r   o f   th s y s tem .   T h e   clea n ,   p er io d ic  wav ef o r m s   with   m in im a l   d is to r tio n   co n f ir m   ef f icien p o wer   tr an s f er   th r o u g h   th r e s o n an tan k   an d   HF  tr an s f o r m er ,   v alid atin g   t h e   th eo r etica d esig n .   I n   Fig u r 5 ,   th DC   o f f s et  o f   s ig n al   2   i s   d u to   t h u s o f   c u r r en t   p r o b e.   T h ese  r esu lts   p r o v id e x p er im e n tal  co n f ir m atio n   o f   th co n v er ter ' s   ab ilit y   to   m ain tain   s tab le  o p er atio n   i n   mode   1   u n d er   th e   test ed   co n d itio n s .           Fig u r 4 .   B lo ck   s ch em atic  o f   e x p er im en tal  s etu p   a n d   im p lem en tatio n           Fig u r 5 .   B lo ck   s ch em atic  o f   e x p er im en tal  s etu p   a n d   im p lem en tatio n       3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O   T h co n v er ter   ca n   b o p er ated   in   th r ee   m o d es:     3 . 1 .     M o de  1   o f   o pera t io n:  E nerg y   t ra ns f er   f ro m   t he  DC  s o urce   t o   t he  lo a d   T h is   th r ee - p o r t   DC - DC   r eso n an co n v er ter   s y s tem ' s   p er f o r m an ce   d e p en d s   o n   t h tr a n s m is s io n   o f   en er g y   f r o m   th DC   p o wer   s u p p ly   to   th lo ad .   T h is   p ar f o cu s es  o n   th p o s s ib le  m o d es  o f   o p er atio n ,   p ar ticu lar ly   th b eh av io r   o f   c u r r en ts   an d   v o ltag es  in   DC   p o wer   s u p p ly   cir c u it.  Du r in g   Mo d 1   o f   o p e r atio n ,   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 E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r c h   20 2 6 :   533 - 5 52   538   wh ich   r ep r esen ts   th p o s itiv h alf - cy cle  o f   en er g y   tr an s f e r   f r o m   th DC   s o u r ce   to   th l o ad ,   cu r r en t f o llo ws th e   r ed - co lo r ed   p ath   in d icate d   in   th cir cu it  d iag r am ,   Fig u r e   6 .   I n itially ,   t h DC   s o u r ce   en e r g izes  th r eso n an t   tan k   f o r m e d   b y   ca p a cito r   C e1   an d   in d u ct o r   L k 1 ,   in itiatin g   r eso n an t c u r r e n t f lo w.   As s wit ch   T 1   is   tu r n ed   ON   th r o u g h   th c o n tr o s ig n als,  th r eso n an cu r r en t f lo ws  th r o u g h   th p r im ar y   win d in g   w1   o f   th h ig h - f r e q u en c y   tr an s f o r m er   T r 1 .   T h is   ex cites  th m ag n etic  co r e,   i n d u cin g   a   co r r esp o n d in g   v o ltag o n   th s ec o n d ar y   s id e.   O n   th s ec o n d a r y ,   t r an s is to r   T 5   i s   s y n ch r o n o u s ly   s witch ed   to   co n d u ct,   allo win g   th t r an s f er r ed   en e r g y   to   f lo w   th r o u g h   it   an d   in to   th o u tp u f ilter   ca p ac ito r   C f 2 ,   wh ich   s m o o th s   th wav ef o r m   b ef o r d eliv er in g   it  to   th e   lo ad .   T h is   cy cle  en s u r es  h ig h - f r e q u en c y   p o wer   tr an s f er   f r o m   th e   DC   s o u r ce   to   th lo ad   s tag wh ile   m in im izin g   s witch in g   lo s s es  t h an k s   to   r eso n an s o f s witch in g   p r in cip les ,   an d   at  th s am tim e ,   s tag 3   is   n o t   ac tiv ated   th r o u g h   th e   co n tr o l sy s tem   at  all  ( Fig u r 6 ) .           Fig u r 6 .   T h p o s itiv h al f - cy cle  o f   en er g y   tr a n s f er   f r o m   th e   DC   s o u r ce   to   th lo ad   f o r   Mo d 1   o f   o p e r atio n       Fig u r 7   illu s tr ates  th cu r r en t   an d   v o ltag wav ef o r m   ch a r ac ter is tics   o b tain ed   d u r in g   s im u latio n s   f o r   s tag e   1 ,   DC   p o wer   s u p p ly   p o r t .   T h e   DC   p o wer   s u p p ly ,   wh ich   is   th m ajo r   en e r g y   s o u r ce   f o r   t h en tire   co n v er ter   s y s tem ,   p r o d u ce s   co n s tan v o ltag o u tp u t,  as  illu s tr ated   in   th f ig u r e.   T h r ed   cu r v in   Fig u r 7 ( a)   d ep icts   th v o ltag ac r o s s   th tr an s is to r   s im u lated   as  FET D1   ( T1 ) ,   wh ich   s er v es  as  a   c o n tr o lled   s witch   b y   tu r n in g   o n   an d   o f f .   Fig u r 7 ( b )   s h o ws  th cu r r e n f lo win g   th r o u g h   th r eso n an tan k ,   wh ich   h as  n ea r - s in u s o id al  wav ef o r m   d u to   th L C   r eso n an ce .   T h is   s m o o th   alter n atin g   cu r r en co n f ir m s   p r o p er   r eso n a n t   o p er atio n   a n d   ef f ec tiv f ilter in g   o f   th h ig h - f r eq u e n cy   s witch in g   h ar m o n ics  g en er ated   b y   T 1 .   Fig u r 7 ( c)   illu s tr ates  th r eso n an cu r r en with in   th r eso n an tan k ,   wh ich   is   s y n ch r o n ized   with   th o p er atio n   o f   tr an s is to r   T 1   o n   t h s am p o r t.  Fig u r 7 ( d )   s h o ws  th v o l tag ac r o s s   th tr an s f o r m er ' s   W in d in g s   1   an d   2 ,   wh ich   r ef lects  th en er g y   tr a n s f er   p r o ce s s .   Fin ally ,   th las g r ap h   in   Fig u r e   7 ( e) ,   wh ich   is   o n o f   th m o s t   im p o r tan c o m p o n en ts   o f   th is   r esear ch ,   s h o ws  th o u tp u v o ltag tr an s m itted   f r o m   t h DC   s o u r ce .   I s tab ilizes   at  ab o u t 1 2   Vd with   s witch i n g   f r e q u en c y   o f   1 1 1   k Hz,   wh i ch   is   m u ch   h i g h er   t h an   th r eso n an t f r eq u e n cy .   T h cu r r en d r awn   f r o m   th DC   p o wer   s o u r ce   f lu ctu ates  with   th lo ad   r eq u ir em e n ts ,   as  s ee n   in   Fig u r e   8 .   T h is   g r ap h   em p h asiz es th d y n am ic  tr e n d   o f   th lo ad   cu r r e n t,  d em o n s tr atin g   v a r i atio n s   in   th s u p p ly   cu r r en as  l o ad   d em an d s   alter   o v er   tim e.   T r a n s is to r   1   ( T 1 )   p l ay s   cr itical  r o le   in   r eg u latin g   en er g y   f lo f r o m   th p o wer   s o u r ce   to   th e   co n v e r ter ,   allo win g   th in d u ce d   en e r g y   to   p ass   th r o u g h   an d   b e   f ilter ed   b y   th e   o u tp u t   ca p ac ito r   C f 2 .   T h e   g e n er ated   wav ef o r m s   s h o t h at  th e   cu r r en d r awn   f r o m   th e   p o we r   s u p p ly   h as  h alf   th e   s witch in g   f r eq u en c y   o f   t r an s is to r   T 1 .   T h is   b eh av i o r   o cc u r s   b ec au s th r em ain in g   cu r r en i s   co n d u cted   b y   th e   co m p lem en tar y   tr an s is to r ,   t r an s is to r   2   ( T 2 ) ,   with in   th p air .   I n   th is   s ec tio n   o f   th s tu d y ,   we  an aly ze d   th e   o p er atio n al  m o d es  o f   th " th r ee - p o r DC - to - DC   co n v er ter s y s tem ,   n am ely   th e n er g y   tr a n s f er   f r o m   th DC   p o wer   s u p p ly   to   th l o ad .   T h e   s tead y - s tate  o u tp u t   v o ltag e   s en f r o m   t h p o wer   s u p p ly   to   t h lo ad   r esis tan ce ,   to g eth er   with   t r an s is to r   1 ' s   r e g u lated   s witch in g   an d   th o s cillato r y   d y n am ics  o f   th r eso n an tan k   in   th e   L L C   cir cu it,  p r o v id es th f o u n d atio n   f o r   h ig h - ef f icien cy   en er g y   c o n v er s io n .     3 . 2 .     M o de  2   o f   o pera t io n:  P o wer   t ra ns f er   f ro m   t he  s up er ca pa cit o s t o ra g po rt   t o   t h lo a d   T h o p er atio n al  m o d f o r   t r an s f er r in g   en er g y   f r o m   th s u p er ca p ac ito r   to   th lo a d   in v o lv es  s p ec if ic  cir cu it  ar r an g em e n th at  m ax im izes  th u s o f   th s u p er ca p ac ito r   b an k ' s   s to r ed   en er g y .   T h is   s ec tio n   co n s is t s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A   th r ee   is o la ted   p o r t D C /DC   c o n ve r ter fo r   a n   en erg s to r a g e   s ystem     ( F a r u A h meti )   539   m o r i n to   t h s ec o n d   m o d e   o f   o p er atio n ,   f o cu s in g   o n   th b eh a v io r   o f   in d i v id u al   co m p o n e n ts   an d   th eir   in f lu en ce   o n   th cir cu it.  D u r in g   m o d 2   o f   o p er atio n ,   th en er g y   is   tr an s m itted   f r o m   th s u p er ca p ac ito r   ( SC )   to   th lo ad ,   r ep r esen tin g   th e   p o s itiv h alf - cy cle   o r   an   a u x ili ar y   p o wer   d eliv er y   m o d ( Fig u r 9 ) .   T h c u r r en t   p ath   is   h ig h lig h ted   in   r ed   i n   t h p r o v id ed   d iag r am .   I n   th is   m o d e,   th s u p er ca p ac ito r   b an k   d is ch ar g es  th r o u g h   th r eso n an tan k   f o r m e d   b y   C e2   an d   L k 2 ,   i n itiatin g   r eso n an o s cillatio n .   T h d r iv e r - co n tr o lled   s witch   T 3   is   tu r n ed   ON,   d ir ec tin g   th e   r eso n an cu r r en th r o u g h   th p r im ar y   win d in g   w2   o f   th e   tr an s f o r m er   T r 1 ,   wh ic h   th e n   in d u ce s   co r r esp o n d i n g   v o lta g o n   t h s ec o n d a r y   s id e.           Fig u r 7 .   Simu lated   v o ltag a n d   cu r r en t w av ef o r m s   o f   s tag 1   ( DC   p o wer   s u p p ly   p o r t) : ( a )   v o ltag ac r o s s   tr an s is to r   T 1   an d   its   cu r r en t,  ( b )   r eso n a n t ta n k   c u r r en t,   ( c)   r e s o n an t c u r r e n t a n d   tr an s is to r   c u r r en t c o m p ar is o n ,   ( d )   v o ltag ac r o s s   th p r im ar y   an d   s ec o n d a r y   win d i n g s   o f   t h e   tr an s f o r m er ,   an d   ( e)   r eg u lated   o u tp u v o ltag wav ef o r m   at  1 1 1   k Hz  s witch in g   f r e q u en c y       ( a)   ( b )   ( c )   ( d )   ( e )   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 E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r c h   20 2 6 :   533 - 5 52   540       Fig u r 8 .   C u r r e n t f r o m   th DC   s o u r ce   an d   cu r r en t th r o u g h   t r an s is to r   1           Fig u r 9 .   T h p o s itiv h al f - cy cle  o f   en er g y   tr a n s f er   f r o m   th e   DC   s o u r ce   to   th lo ad   f o r   m o d e   2   o f   o p e r atio n       Simu ltan eo u s ly ,   th e   s ec o n d a r y   s witch   T 5   is   ac tiv ated ,   allo win g   th e   in d u ce d   e n er g y   to   p ass   th r o u g h   an d   b tu n n eled   b y   th o u tp u t   ca p ac ito r   C f 2 .   T h is   en s u r es  a   s m o o th   an d   c o n tin u o u s   p o we r   f lo to   th lo ad .   Mo d 2   is   ess en tial  in   a p p licatio n s   r eq u ir in g   b ac k u p   o r   au x il iar y   en e r g y   s u p p l y ,   u tili zin g   s to r ed   e n er g y   in   th e   s u p er ca p ac ito r   t o   m ain tain   p o wer   d eliv er y   with o u in te r r u p t io n ,   wh ile  also   b en ef itin g   f r o m   s o f t - s witch in g   t o   r ed u ce   s tr ess   o n   s witch in g   d ev ices.  T h in ter ac tio n   o f   t h ese  co m p o n e n ts   is   tu n ed   in   th at   way   to   en s u r th e   en er g y   is   s u cc ess f u lly   tr an s f e r r ed   f r o m   th s u p e r ca p ac ito r   b an k   to   th l o ad   wh ile  m ain t ain in g   lo y alty .   T h is   cir cu it  h as  p air   o f   d io d es  k n o wn   as  lim itin g   d io d es,  D3   an d   D4 ,   wh o s p u r p o s is   to   lim it  th am o u n o f   p o wer   t h at  m a y   b e   tr a n s f er r e d   f r o m   th s to r a g b an k   to   th lo ad .   W h en   th r esis tiv lo ad   is   v e r y   lo an d   clo s to   s h o r cir cu it,  th ese  d io d es  will  co n d u ct  lar g cu r r en t.  W h en   th r esis tiv lo ad   r e ac h es  5   Oh m s f o r   ex am p le,   at  2 0   o r   5 0   Oh m s   th ese  lim itin g   d io d es  will  n o p r ev en elec tr icity   f r o m   th s u p er ca p ac ito r   b an k   f r o m   r ea ch i n g   th lo ad .   Fig u r 1 0   s h o ws  th v o ltag an d   c u r r en m ea s u r e d   at  th lo ad   with   lo ad   r esis tan ce   o f   5   Oh m s .   T h is   f ig u r s h o ws   h o t h lo a d   b e h av es  u n d er   v ar io u s   o p er atin g   s itu atio n s ,   with   f o c u s   o n   th e   v o ltag e cu r r en ch a r ac ter is tics .   T h en er g y   is   s to r ed   in   s u p er ca p ac ito r   b a n k   m a d u p   o f   s ix   co m p letely   ch ar g ed   s u p er ca p ac ito r s ,   ea ch   with   m ax im u m   v o ltag o f   2   V.   T h is   en er g y   is   s u cc ess f u lly   tr an s f er r ed   f r o m   th e   s to r ag e   b a n k   to   th e   lo ad   v ia  th e   r eso n a n tan k   o f   p o r t   3 ,   th tr an s f o r m er ,   a n d   th r ec tifie r   cir cu it o n   p o r t   2 .   T h en er g y   f lo tr a v els th r o u g h   th cir cu its   o f   p o r ts   3   an d   2 ,   e x clu d in g   th cir cu i o f   p o r t   1 .   T h b lo c k   d iag r a m   illu s tr atin g   th p o wer   tr an s m is s io n   cir cu it  is   s h o wn   in   Fig u r 1 0 .   Simu latio n   s tu d ies  wer co n d u cted   with   s u p er ca p ac ito r   v o ltag o f   U SC   1 6   V,   lo ad   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A   th r ee   is o la ted   p o r t D C /DC   c o n ve r ter fo r   a n   en erg s to r a g e   s ystem     ( F a r u A h meti )   541   r esis tan ce   o f   R   L o ad   1 0   Ω ,   an d   s witch in g   f r eq u e n cy   o f   5 3   k Hz.   Fig u r 1 0 ( a)   s h o ws  th cu r r e n p u lled   f r o m   t h s u p er ca p ac ito r   b an k ,   wh ich   co r r esp o n d s   to   th e   v o l tag at  th p o wer   b an k ' s   o u tp u t.  I n   th is   m o d e   o f   o p er atio n ,   th e n er g y   d r awn   f r o m   th e   DC   s o u r ce   is   ze r o ,   as   s h o wn   in   Fig u r e   1 0 ( b ) .   T h is   g r ap h   in d icate s   th at   n o   en er g y   is   ex tr ac ted   f r o m   th DC   s o u r ce ,   as  th cu r r e n th r o u g h   th r eso n an tan k   ( L K1 )   an d   tr a n s is to r   T 1   ( FET D1 )   b o th   r em ain   ze r o .   Fig u r es  1 0 ( c) - 1 0 ( e )   co n f ir m   th at  p o r t   1   r em ain s   co m p letely   in ac tiv d u r in g   th is   m o d o f   o p er atio n .   T h DC   s o u r ce   cu r r en in   Fig u r e   1 0 ( c)   is   ze r o   th r o u g h o u th en tire   i n ter v al,   in d icatin g   th at  n o   en e r g y   is   ex tr ac ted   f r o m   th DC   s u p p ly .   Similar ly ,   th r eso n an i n d u cto r   cu r r en L k 1   is   s h o wn   in   Fig u r e   1 0 ( d )   r em ai n s   ze r o ,   d e m o n s tr atin g   t h at  th e   r eso n an t   tan k   ass o ciate d   with   p o r t   1   is   n o en g ag ed   in   th e   p o wer   tr an s f er   p r o ce s s .   I n   ad d itio n ,   th tr an s is to r   T 1   cu r r e n in   Fig u r e   1 0 ( e)   is   also   ze r o ,   v er if y in g   th at  th e   s witch in g   d ev ice  d o es  n o c o n d u ct.   T o g eth e r ,   th ese  r esu lts   co n f ir m   th at  en e r g y   tr an s f er   o cc u r s   ex clu s iv ely   b etwe en   p o r 3   an d   p o r t 2 ,   wh i le  p o r t 1   is   elec tr ically   is o lated   in   th is   o p e r atin g   m o d e.   Fig u r 1 1   d is p lay s   th o v er al r esu lts   f o r   th cu r r e n o f   t r an s is to r   1   an d   th cu r r en f r o m   th DC   s u p p ly   s o u r ce .   Fig u r 1 1 ( a )   d ep icts   th cu r r en th r o u g h   th e   r eso n an tan k   an d   lim itin g   d i o d e   1 .   T h c u r r en t   th r o u g h   th r eso n an tan k   s h o u ld   h av e   n ea r l y   s in u s o id al  wav ef o r m ,   wh ich   is   ty p ical  o f   r eso n an ci r cu it.   L im itin g   Dio d 1   will  co n d u ct  wh en   th v o ltag ac r o s s   it  ex ce ed s   its   f o r war d   v o ltag e   d r o p o t h er wis e,   th e   cu r r en t   is   ze r o .   An aly zi n g   th is   f ig u r r ev ea ls   in f o r m atio n   ab o u th e   en e r g y   tr an s m is s io n   b etwe en   th r eso n an t   tan k   an d   th f i r s lim itin g   d i o d e.   Fig u r e   11 ( b )   d ep icts   th e   cu r r en t   th r o u g h   lim itin g   d io d e   D3 .   T h cu r r en t   th r o u g h   lim itin g   d io d e   3   s h o u ld   b ze r o   u n til  th v o ltag e   ac r o s s   it  h its   th th r esh o ld .   W h en   th v o ltag s u r p ass es  th is   th r esh o ld ,   lim iti n g   d io d e   D3   c o n d u cts,  en ab li n g   c u r r en t   to   f lo in   th e   o p p o s ite  d ir ec tio n   to   th e   DC   s o u r ce   an d   p r ev en tin g   o v er v o ltag at  th lo ad .   T h is   d iag r am   illu s tr ates  th p o in at  wh ich   lim itin g   d io d e   D3   b eg in s   to   c o n d u ct  an d   th q u an tity   o f   cu r r en it  allo w s .   Fig u r e   11 ( c )   d ep icts   th r e s o n an cu r r e n an d   tr an s is to r   cu r r en t.   T h r eso n an cu r r en s h o u ld   o s cillate  as  en er g y   is   p ass ed   b et wee n   th r eso n a n t   co m p o n en ts ,   wh er ea s   th tr a n s is to r   cu r r en t   ex h i b its   th tr an s is to r 's  s witch in g   ca p ab ilit y   b y   co n tr o llin g   th e   en er g y   f lo w.   Fig u r 1 1 ( d )   d e p icts   th cu r r en t   th r o u g h   lim itin g   d i o d D4 .   T h is   g r ap h ,   s im ilar   to   Fig u r e 11 ( b ) ,   g iv es  in f o r m atio n   ab o u t   th lim itin g   d io d e   D4   c o n d u ctio n   c h ar ac ter is tics .   I in d icate s   wh en   th lim itin g   d io d e   D4   b eg in s   to   co n d u ct  an d   th q u an tity   o f   c u r r en it  allo ws.  T h ese  f in d in g s   ar b ased   o n   th n o r m al  b e h av io r   o f   co m p o n e n ts   in   r eso n a n t e n er g y   t r an s f er   s y s tem .             Fig u r 1 0 .   Po wer   tr an s f er   f r o m   p o r t   3   to   p o r t   2   u n d er   USC   1 6   V,   R l oad   1 0   Ω ,   an d   f s   5 3   k Hz:    ( a)   s u p er ca p ac ito r   cu r r en t d eli v er in g   e n er g y   to   th l o ad ,   ( b )   r eg u lated   s u p er ca p ac ito r   v o ltag e,     ( c)   ze r o   DC   s o u r ce   c u r r e n t,  ( d )   ze r o   L k 1   cu r r en t,  a n d   ( e)   ze r o   T 1   cu r r en t,  c o n f ir m in g   th at  p o r t   1   r em ain s   in ac tiv d u r in g   th is   m o d e       Fig u r 1 2   p r esen ts   th k e y   ch ar ac ter is tics   o f   th r eso n an L L C   tan k   cir cu it  f o r   p o r t   3 ,   illu s tr atin g   th e   en er g y   f lo f r o m   th s u p e r ca p ac ito r   b a n k   to   th l o ad .   T h s u b f ig u r es  d is p lay   m o r d etail s   f o r   ( a ) tr an s is to r   cu r r en a n d   v o ltag e.   Fig u r e   1 2 ( a)   d is p lay s   th cu r r en t   in   th r eso n an t   in d u ct o r .   T h c u r r en in   th e   r eso n a n t   in d u cto r   s h o u ld   h av s in u s o i d al  wav ef o r m ,   as in   r eso n an t   cir cu it.      ( a )   ( b )   ( c )   ( d )   ( e )   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 E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r c h   20 2 6 :   533 - 5 52   542   Peak s   in   th c u r r en t   co r r elate   to   th e   p o i n ts   at  wh ich   th in d u cto r   s to r es  m o s o f   th e   en e r g y .   T h is   wav ef o r m   g iv es  u s ef u in f o r m atio n   o n   th e   en er g y   tr an s f e r   d y n am ics  b etwe en   t h s u p e r ca p ac ito r   b a n k ,   th e   lo ad ,   an d   th r eso n a n tan k .   Fig u r 1 2 ( b )   s h o ws  th c u r r en f lo win g   th r o u g h   th t r an s is to r .   T h cu r r en t   f lo win g   th r o u g h   t h tr an s is to r   s h o u ld   ap p ea r   as  s er ies  o f   p u ls es  o r   s q u ar wav es,  i n d icatin g   its   o n - o f f   s witch in g   ch ar ac ter is tic.   W h en   th tr an s is to r   is   tu r n ed   o n ,   t h cu r r en in c r ea s es  r ap id ly ,   s ig n if y in g   t h en er g y   tr an s f er   p h ase.   W h en   th tr an s is to r   is   tu r n ed   o f f ,   th cu r r en d r o p s   to   ze r o ,   in d icatin g   b r ea k   in   en er g y   tr an s f er .   Fig u r 1 2 ( c )   in   lef d o wn   s id illu s tr ates  th v o ltag ac r o s s   th tr an s is to r .   T h v o ltag ac r o s s   th e   tr an s is to r   s h o u ld   f o llo p att er n   co n s is ten with   its   o n - o f f   s witch in g .   W h en   th tr an s is to r   is   tu r n ed   o n ,   t h e   v o ltag d r o p   ac r o s s   it  is   m in im al,   s u g g esti n g   ef f ec tiv e   co n d u ctio n .   W h en   th tr a n s is to r   is   tu r n ed   o f f ,   th e   v o ltag in cr ea s es  d u to   th en er g y   s to r e d   in   th r eso n an t   tan k   s ee k in g   d is ch ar g p ath .   Mo n ito r i n g   th is   v o ltag is   cr itical  f o r   d eter m i n in g   th s tr ess   lev els  o n   th tr an s is to r   an d   m ain tain in g   ap p r o p r iate  o p er atio n .   Fig u r 1 2 ( d ) ,   u p p er   r ig h t,  d ep i cts   th s tead y - s tate  v o ltag ac r o s s   th lo ad ,   wh ich   ap p r o ac h e s   co n s tan v alu e.   T h is   r ep r esen ts   th v o ltag lev el  th at  th lo ad   r ec eiv es  wh ile  in   s tead y - s tate  o p er atio n .   An aly zin g   th is   f ig u r e   o f f er s   in f o r m atio n   o n   v o ltag r eg u latio n   a n d   s y s tem   s tab ilit y .   Fig u r 1 2 ( e)   d ep icts   th o u tp u cu r r e n t,  wh ich   r ea ch es a   m ax im u m   o f   1 . 2   A,   in d icatin g   th m a x im u m   l o ad   cu r r en t.            ( a)   ( b )       ( c)   ( d )     Fig u r 1 1 .   Stag 1   s im u lated   c u r r en t w av e f o r m s : ( a)   r eso n an t ta n k   an d   D1   cu r r en ts ,   ( b )   D3   cu r r en t,    ( c)   r eso n an t   an d   T 1   cu r r en ts ,   a n d   ( d )   D4   cu r r en d u r in g   r eso n an t o p er atio n       Mo d 2   o f   th r eso n an t e n er g y   tr an s f er   s y s tem ,   s im ilar   to   M o d 1 ,   en a b les co n tr o lled   p o w er   d eliv er y   f r o m   th s u p er ca p ac ito r   s to r ag b an k   to   th lo ad   wh ile  m ain t ain in g   r eg u lated   1 2   DC   o u tp u t.  I n   th is   m o d e ,   th r eso n an L L C   tan k   in   Po r t   3   s h ap es  th en er g y   tr an s f er   b y   p r o d u cin g   n ea r - s in u s o id a r eso n an in d u cto r   cu r r en t,   wh ich   s u p p o r ts   e f f icien h ig h - f r eq u en c y   p o wer   tr a n s m is s io n .   T h lim itin g   d io d e s   p r o v id e   c u r r en t   p ath   o n ly   wh en   th eir   f o r war d - b ias  co n d itio n   is   s atis f ied ,   wh ich   h elp s   p r e v en r e v er s en er g y   f lo an d   p r o tects  th cir cu it  ag ain s ab n o r m al  v o ltag co n d itio n s .   At   th s am tim e,   th tr an s is to r   o p er ates  as  th m ain   s witch in g   elem en th at  co n tr o ls   wh en   en er g y   is   in jecte d   in t o   th r eso n an n etwo r k ,   d e f in in g   th co n d u ctio n   in ter v als  an d   th d eliv er ed   p o wer   lev el.   As  r esu lt,  th co n v er ter   ac h iev es  s tab le  o u tp u o p er atio n   with   r ed u ce d   s witch in g   s tr ess   an d   im p r o v e d   o v er all  r eliab ilit y   d u r in g   th s u p er ca p ac ito r - to - lo a d   tr an s f er   p r o ce s s .         3 . 3 .     M o de  3   o f   o pera t io n:  Si m ulta neo us   ener g y   t ra ns f er   f ro m   t he  DC  po wer   s up ply   a nd   po wer   ba nk   t o   t he  lo a d   I n   th is   s ec tio n ,   we  an aly ze   th i s   th r ee - p o r DC - DC   co n v er ter   o p er atio n al  d y n a m ics,  with   f o cu s   o n   th th ir d   m o d e   o f   o p e r atio n .   T h is   m o d d em o n s tr ates  th c o n v er ter ' s   ca p ab ilit y   to   ef f icie n tly   tr an s f er   en er g y   ac r o s s   s ev er al  p o r ts th e   DC   p o wer   s o u r ce   ( p o r t   1 ) ,   th e   lo ad   ( p o r t   2 ) ,   an d   th s u p e r ca p ac ito r   ( p o r 3 ) .   I n   Mo d 3   o f   o p e r atio n ,   en e r g y   is   s im u ltan eo u s ly   d eliv er e d   f r o m   b o th   th DC   p o wer   s u p p ly   an d   th s u p er ca p ac ito r   s to r ag b an k   to   th lo ad ,   en h a n cin g   th o v er all  p o we r   ca p ac ity   an d   im p r o v i n g   tr an s ien r e s p o n s e.   T h is   h y b r id   m o d is   cr u cial  d u r in g   h ig h   l o ad   d em an d s   o r   s tar tu p   c o n d iti o n s .   As  s h o wn   in   th d ia g r am ,   b o th   th u p p e r   an d   lo wer   co n v er ter   s tag es  o p e r at in   p ar allel.   T h DC   s o u r ce   d r iv es  cu r r en t   in   p o s itiv h al f   cy cles,  as  s h o wn   i n   r ed   lin e   d ir ec tio n s   in   Fig u r 1 2 ,   t h r o u g h   th r eso n an t   co m p o n en ts   C e1   an d   L k 1 ,   wh ile   th s u p er ca p ac ito r   d is ch ar g es  th r o u g h   its   r esp ec tiv r eso n an p ath   co n s is tin g   o f   C e2   an d   L k 2 .   Po wer   s witch es  T 1 ,   T 3 ,   an d   T 5   ar ap p r o p r iately   co n t r o lled   to   s y n ch r o n ize  th p r im ar y   s id o p er atio n   o f   b o th   i n p u ts ,   en er g izin g   tr an s f o r m er   win d in g s   w1   an d   w2   s im u ltan eo u s ly .   On   th s ec o n d ar y   s id e ,   s witch es  T 5   an d   T 6   ( f o r   b o th   cy cles)   co o r d in ate  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.