An analysis of overload conditions in mosfet-based power resonant DC-DC step-up converters in switched capacitor voltage multiplier topology

• Autorzy: Stala R. , Mondzik A. , Kawa A. , Penczek A. , Piróg S.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2016.05.15

Warianty tytułu

PL

Analiza stanu przeciążenia przekształtników rezonansowych DC-DC o przełączanych kondensatorach podwyższających napięcie zrealizowanych w technice Mosfet w topologii powielacza napięcia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents an analysis of operation of resonant DC-DC converter in topology of Switched Capacitor Voltage Multiplier (SCVM) under overload conditions. The SCVM operates as a charge pump, thus the energy transfer rate is limited and depends on the switched capacitance and the switching frequency. However an overload of the converter introduces specific operation conditions that can require a special control. The presented research results have an important significance for selection of components of SCVM as well as switching strategy, because the overload can occur as a result of load decrease as well as during the start of the converter. In the paper analytical, simulation and experimental results are presented for the Mosfet-based 200 Watt SCVM.

PL

W artykule przedstawiono analizę możliwości pracy w stanie przeciążenia układu rezonansowego przekształtnika mocy DC-DC podwyższającego napięcie w topologii powielacza napięcie (SCVM – Switched Capacitor Voltage Multiplier). Układ o przełączanych kondensatorach działający na zasadzie pompy ładunku ma ograniczaną moc zdeterminowaną pojemnością przełączanych kondensatorów oraz częstotliwością przełączeń. Jednak przeciążenie przekształtnika wywołuje specyficzny stan pracy, który może wymagać specjalnego sterowania. Badania mają istotny wpływ na dobór sterowania w układzie SCVM, ponieważ przeciążenie może występować jako skutek wpływu odbiornika, ale również przy starcie układu. W artykule przedstawiono badania analityczne, symulacyjne oraz eksperymentalne przekształtnika tranzystorowego SCVM z tranzystorami Mosfet, w zakresie mocy do 200 watów.

Słowa kluczowe

EN

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

PL

przekształtnik wielopoziomowy; przekształtnik DC/DC; pompa ładunku; kondensator przełączany

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 92, nr 5
• Strony: 78--83
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Stala R.

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

autor

Mondzik A.

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

autor

Kawa A.

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

autor

Penczek A.

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

autor

Piróg S.

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

Bibliografia

• [1] 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, 44 (1997), n.8, 684-691
• [2] 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, 21-25 Feb. 2010, .1365,1372
• [3] Yuanmao Ye; Cheng, K.W.E., A Family of Single-Stage Switched-Capacitor–Inductor PWM Converters, IEEE Trans. on Power Electron., 28 (2013), n.11, 5196-5205
• [4] 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., 30 (2015), n.2, 644-656
• [5] Keiser O.; Steimer P.K.; Kolar J.W., High power resonant Switched-Capacitor step-down converter, Power Electron. Spec. Conf., PESC 2008,. 15-19 June 2008, 2772-2777
• [6] Cervera A.; Evzelman M.; Peretz M.; Ben-Yaakov S., A High Efficiency Resonant Switched Capacitor Converter with Continuous Conversion Ratio, IEEE Trans. on Power Electron., 30 (2015), n.3, 1373-1382
• [7] Andersen R.L.; Lazzarin T.B.; Barbi I., A 1-kW Step-Up/Step-Down Switched-Capacitor AC–AC Converter, IEEE Trans. on Power Electron., 28 (2013), n.7, 3329-3340
• [8] Lazzarin T.B.; Andersen R.L.; Martins G.B.; Barbi I., A 600-W Switched-Capacitor AC–AC Converter for 220 V/110 V and 110 V/220 V Applications, IEEE Trans. on Power Electron., 27 (2012), n.12, 4821-4826
• [9] 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., 61 (2014), n.3, 1622-1631
• [10] Kiratipongvoot S.; Siew-Chong Tan; Ioinovici A., Phase-Shift Interleaving Control of Variable-Phase Switched-Capacitor Converters, Industrial Electronics, IEEE Trans. on Ind. Electron., 60 (2013), n.12, 5575-5584
• [11] Surma P., Dobór wartości indukcyjności przekształtnika DCDC o przełączanych kondensatorach, Przegląd Elektrotechniczny (2015), n.3, 190
• [12] 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., (2013), n.99, 1-1 (early access)
• [13] Stala R; Pirog S.; Baszynski, M.; Mondzik A.; Penczek A.; Czekonski J.; Gasiorek S., Results of Investigation of Multicell Converters With Balancing Circuit—Part I, IEEE Trans. On Ind. Electron., 56 (2009), 2610-2619
• [14] Stala R; Pirog S.; Baszynski M.; Mondzik A.; Penczek A.; Czekonski J.; Gasiorek S., Results of Investigation of Multicell Converters With Balancing Circuit—Part II”, IEEE Trans. on Ind. Electron., 56 (2009), 2620-2628
• [15] Stala R., The Switch-Mode Flying Capacitor DC/DC Converters With Improved Natural Balancing, IEEE Trans. on Ind. Electron., 57 (2010), 1369-1382.

Uwagi

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