The multilevel switched capacitor power converter. Experimental proof of concept

• Autorzy: Kawa A. , Stala R.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2017.09.03

Warianty tytułu

PL

Wielopoziomowy przekształtnik o kondensatorach przełączanych. Eksperymentalna weryfikacja koncepcji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The main scope of the paper is experimental assessment of feasibility of the switched capacitor multilevel converter (MLSCC). The converter operates as a resonant charge pump and represents the specific relationships between the resonant circuit parameters, and performance of the converter. Thus, measurements of performance of the converter for the different sets of the LC components are presented. The impact of the specific features of the ceramic capacitors is shown and analyzed. The limitations of the real converter are analyzed and design guidelines are formulated. The measurements and the analysis of the experimental setup include voltage gain, efficiency, voltage ripple, as well as resonant circuit operation.

PL

Przedmiotem artykułu jest eksperymentalne sprawdzenie wykonalności przekształtnika DC-DC typu MLSCC (Multi Level Switched Capacitor Converter). Przekształtnik pracuje, jako rezonansowa pompa ładunku i charakteryzuje się szczególnymi zależnościami pomiędzy parametrami układu rezonansowego a osiągami. Z tego powodu przeprowadzono pomiary przekształtnika dla kilku parametrów obwodu LC. W artykule zaprezentowano i przenalizowano wpływ właściwości kondensatorów ceramicznych na pracę przekształtnika. Przeanalizowano ograniczenia przekształtnika i przedstawiono zalecenia projektowe. Pomiary i analiza układu laboratoryjnego obejmowały wzmocnienie napięciowe, sprawność, tętnienie napięcia jak i warunki pracy układu rezonansowego.

Słowa kluczowe

EN

multilevel converter; DC-DC converter; switched-capacitor; voltage multiplier; charge pump

PL

przekształtnik wielopoziomowy; przekształtnik DC/DC; przełączalne kondensatory; pompa ładunku

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 93, nr 9
• Strony: 16--19
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kawa A.

• AGH University of Science and Technology, Department of Power Electronics and Energy Control Systems, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Stala R.

• AGH University of Science and Technology, Department of Power Electronics and Energy Control Systems, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Kawa, A. H., Stala, R., "A multilevel switched capacitor DC-DC converter : an analysis of resonant operation conditions", Power Electronics and Drives, 2016 vol. 1 no. 2, p. 35–53
• [2] Makowski, M.S., "Realizability conditions and bounds on synthesis of switched-capacitor DC-DC voltage multiplier circuits," IEEE Trans. on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 44, no. 8, pp. 684-691, Aug. 1997.
• [3] Shen M., Peng F.Z., Tolbert L.M., Multilevel DC-DC Power Conversion System With Multiple DC Sources, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23 , no. 1, pp. 420-426, 420–426, 2008
• [4] Peng F.Z., Zheng F., Qian Z., A magnetic-less DC-DC converter for dual-voltage automotive systems, Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 39, no. 2, 511–518, 2003
• [5] Dong Cao; Fang Zheng Peng, "A family of zero current switching switched-capacitor dc-dc converters," Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2010 Twenty- Fifth Annual IEEE, vol., no., pp.1365,1372, 21-25 Feb. 2010.
• [6] Parastar, A.; Seok, Jul-Ki, "High-Gain Resonant Switched-Capacitor Cell-Based DC/DC Converter for Offshore Wind Energy Systems," IEEE Trans. on Power Electron., vol. 30, no. 2, pp. 644-656, Feb. 2015.
• [7] Cervera, A.; Evzelman, M.; Mordechai Peretz, M.; Ben-Yaakov, S., "A High Efficiency Resonant Switched Capacitor Converter with Continuous Conversion Ratio," IEEE Trans. on Power Electron., vol. 30, no. 3, pp. 1373-1382, March 2015.
• [8] Beck, Y., Singer, S., Martinez-Salamero, L., "Modular Realization of Capacitive Converters Based on General Transposed Series–Parallel and Derived Topologies,", IEEE Trans. on Ind. Electron., vol. 61, no. 3, pp.1622-1631, March 2014.
• [9] Surma P.: ”Dobór wartości indukcyjności przekształtnika DC-DC o przełączanych kondensatorach”, Przegląd Elektrotechniczny 03/2015, Str. 190.
• [10] Kawa, A.; Stala, R.; Mondzik, A.; Pirog, S.; Penczek, A., "High Power Thyristor-Based DC-DC Switched-Capacitor Voltage Multipliers. Basic Concept And Novel Derived Topology with A Reduced Number of Switches.," IEEE Trans. on Power Electron., vol. 31, no. 10, pp. 6797-6813,
• [11] A. Mondzik, Z. Waradzyn, R. Stala, A. Penczek: High Efficiency Switched Capacitor Voltage Doubler With Planar Core-Based Resonant Choke, 2016 10th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPE-POWERENG), 29 June – 1 July 2016, Bydgoszcz, Poland. pp. 402 - 409,
• [12] Z. Waradzyn, R. Stala, A. Mondzik and S. Pirog: Switched Capacitor-Based Power Electronic Converter—Optimization of High Frequency Resonant Circuit Components in Advanced Control of Electrical Drives and Power Electronic Converters, ser. Studies in Systems, Decision and Control, vol. 75. Switzerland: Springer International Publishing Switzerland 2017, pp. 361-378.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).