High gain DC-DC dual converter integrating with coupled inductor and diode capacitor switches

• Autorzy: Billy, Ibraheem Jawad , Hussein, Jasim Farhood

Warianty tytułu

PL

Podwójny konwerter DC-DC o wysokim wzmocnieniu integrujący się ze sprzężonymi cewkami indukcyjnymi i przełącznikami kondensatorów diodowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Many researchers have made great efforts to develop DC converter designs, to study how to increase voltage gain with low voltage stress and low ripple current. This paper proposed a DC-DC converter with a high conversion ratio, low voltage stress, and low ripple current based on the combination of two parallel boost converters. Using the interleaving approach, two converters, an inductor-coupled converter, and a conventional converter are connected on both sides of the input source to reduce the ripple of the source current, and the load is shared between them. Voltage gain and voltage stresses across power semiconductors were determined using steady-state analysis. In addition, Input current and output voltage ripple were analyzed. The inductors of this converter operate in continuous conduction mode (CCM). Higher voltage gain does not entail maximum duty cycle levels, which eliminates issues such as diode reverse recovery. The use of a passive clamp circuit reduces the voltage stress of the switch. This allows the use of low-voltage rated switches with low "on-case" impedance, which increases overall system efficiency. Theoretical analysis and mathematical relationships were performed. Finally, to validate the theoretical calculations, this converter was simulated in MATLAB / SIMULINK program. The results were good and largely identical to the theoretical calculations.

PL

Wielu badaczy włożyło wiele wysiłku w opracowanie konstrukcji konwerterów prądu stałego, aby zbadać, jak zwiększyć wzmocnienie napięcia przy niskim napięciu napięciowym i niskim prądzie tętnienia. W artykule zaproponowano konwerter DC-DC o wysokim współczynniku konwersji, niskim naprężeniu napięciowym i niskim prądzie tętnienia opartym na połączeniu dwóch równoległych konwerterów boost. Stosując podejście z przeplotem, dwa konwertery, konwerter sprzężony z cewką indukcyjną i konwerter konwencjonalny są połączone po obu stronach źródła wejściowego w celu zmniejszenia tętnienia prądu źródłowego, a obciążenie jest między nimi dzielone. Wzmocnienie napięciowe i naprężenia napięciowe w półprzewodnikach mocy określono za pomocą analizy stanu ustalonego. Ponadto przeanalizowano tętnienia prądu wejściowego i napięcia wyjściowego. Cewki indukcyjne tego przetwornika działają w trybie przewodzenia ciągłego (CCM). Wyższe wzmocnienie napięcia nie pociąga za sobą maksymalnych poziomów cyklu pracy, co eliminuje problemy, takie jak odzyskiwanie wsteczne diody. Zastosowanie pasywnego obwodu zaciskowego zmniejsza naprężenie napięciowe przełącznika. Pozwala to na stosowanie przełączników niskonapięciowych o niskiej impedancji „w obudowie”, co zwiększa ogólną wydajność systemu. Przeprowadzono analizę teoretyczną i zależności matematyczne. Ostatecznie, aby zweryfikować obliczenia teoretyczne, konwerter ten został zasymulowany w programie MATLAB / SIMULINK. Wyniki były dobre iw dużej mierze identyczne z obliczeniami teoretycznymi.

Słowa kluczowe

PL

przetwornica DC-DC; cewka sprzężona; tętnienie prądu; naprężenie napięciowe

EN

high gain; DC-DC coupled inductor; current ripple; switches voltage stress

• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 2
• Strony: 140--146
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Billy, Ibraheem Jawad

• University of Technology, Baghdad, Iraq,

autor

Hussein, Jasim Farhood

• University of Technology, Baghdad, Iraq,

Bibliografia

• [1] Y. Tang, T. Wang and Y. He, "A Switched-Capacitor-Based Active-Network Converter With High Voltage Gain," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 6, pp. 2959-2968, June 2014, https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2272639.
• [2] ScholarWorks, U., & Mueedh Alharbi, B. (2020). Robust Control of a Multi-phase Interleaved Boost Converter for Robust Controlof a Multi-phase Interleaved Boost Converter for Photovoltaic Application using µ-Synthesis Approach Photovoltaic Application using µ-Synthesis Approach. https://scholarworks.uark.edu/etd
• [3] Hu, X., & Gong, C. (2014). A high voltage gain DC-DC converter integrating coupled-inductor and diode-capacitor techniques. IEEE Transactions on Power Electronics, 29(2), 789–800. https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2257870
• [4] Yang, J., Yu, D., Alkahtani, M., Yuan, L., Zhou, Z., Zhu, H., & Chiemeka, M. (2019). Dual-coupled inductor high gain dc/dc converter with ripple absorption circuit. Journal of Power Electronics, 19(6), 1366–1379. https://doi.org/10.6113/JPE.2019.19.6.1366
• [5] Kazimierczuk, M. K. (2015). Pulse-width modulated DC-DC power converters. John Wiley & Sons.
• [6] Javidan, J. (2016). Design of a ZVS PWM C-DC converter for high gain applications. International Journal of Circuit Theoryand Applications, 44(5), 977–995. https://doi.org/10.1002/cta.2117
• [7] P. Alavi, V. Marzang, E. Nazari, M. Dezhbord, and E. Babaei, “New interleaved structure with high voltage-gain and low voltage-stress on semiconductors,” in 2019 10th International Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC), 2019, pp. 498–503.
• [8] Energy Conversion Congress and Exposition, 2009. ECCE, IEEE. (2009). IEEE. https://doi.org/10.1109/ECCE.2009.5316450
• [9] Rosas-Caro JC, Ramirez JM, Peng FZ, Valderrabano A. A DC–DC multilevel boost converter. IET Power Electronics. 2010 Jan 1;3(1):129-37 https://doi.org/10.1049/iet-pel.2008.0253
• [10] Selvaraju N, Shanmugham P, Somkun S. Two-phase interleaved boost converter using coupled inductor for fuel cell applications. Energy Procedia. 2017 Oct 1;138:199-204. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.10.150
• [11] Do, H. L. (2010). A soft-switching dc/dc converter with high voltage gain. IEEE Transactions on Power Electronics, 25(5),1193–1200. https://doi.org/10.1109/TPEL.2009.2039879
• [12] IECON 2020 The 46th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. (2020). IEEE. https://doi.org/10.1109/IECON43393.2020.9254468
• [13] Das, P., Mousavi, S. A., & Moschopoulos, G. (2010). Analysis and design of a nonisolated bidirectional ZVS-PWM DC-DC converter with coupled inductors. IEEE Transactions on Power Electronics, 25(10), 2630–2641. https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2049863
• [14] Yang, L. S., Liang, T. J., Lee, H. C., & Chen, J. F. (2011). Novel high step-up dc-dc converter with coupled-inductor and voltage doubler circuits. IEEE Transactions on Industrial Electronics,58(9),4196–4206. https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2098360
• [15] J, D. N., K, V., & R, J. (2017). Study on High Step-up DC-DC Converter with High Gain Cell for PV Applications. Procedia Computer Science, 115, 731–739. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.procs.2017.09.109
• [16] Liang, T.-J., Lee, J.-H., Chen, S.-M., Chen, J.-F., & Yang, L.-S. (2011). Novel Isolated High-step-up DC-DC Converter with Voltage Lift. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2177789
• [17] Farakhor, A., Abapour, M., Sabahi, M., Farkoush, S. G., Oh, S. R., & Rhee, S. B. (2020). A study on an improved three-winding coupled inductor based DC/DC boost converter with continuous input current. Energies, 13(7). https://doi.org/10.3390/en13071780
• [18] SSN College of Engineering Department of Electrical and Electronics Engineering, Institute of Electrical and Electronics Engineers Madras Section, IEEE International Conference on Electrical Energy Systems 2 2014.01.07-09 Chennai, & ICEES 2 2014.01.07-09 Chennai. (n.d.). IEEE 2nd International Conference on Electrical Energy Systems (ICEES), 2014 7-9 Jan. 2014, Chennai, India. https://doi.org/10.1109/ICEES.2014.6924165
• [19] Luo, F. Lin., & Ye, H. (2006). Essential DC/DC converters.Taylor & Francis.
• [20] Kazimierczuk, M. K. (2015). Pulse-width modulated DC-DC power converters. John Wiley & Sons.
• [21] IEEE Power Electronics Society, IEEE Industry ApplicationsSociety, & Institute of Electrical and Electronics Engineers. (n.d.). ECCE 2015 : IEEE Energy Conversion Congress & Expo : Montreal, Canada, September 20-24, 2015. https://doi.org/10.1109/ECCE.2015.7310027
• [22] Frivaldsky, M., Morgos, J., Hanko, B., & Prazenica, M. (2019). The study of the operational characteristic of interleaved boost converter with modified coupled inductor. Electronics (Switzerland), 8(9). https://doi.org/10.3390/electronics8091049
• [23] R. Seyezhai, B.L. Mathur, Design and implementation of interleaved boost converter for fuel cell systems, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 37, Issue 4, 2012, Pages 3897-3903, ISSN 0360-3199, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.09.082.
• [24] Wai, R. J., & Jheng, K. H. (2013). High-efficiency single-input multiple-output DC-DC converter. IEEE Transactions on PowerElectronics,28(2),886–898. https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2205272
• [25] Do, H. L. (2010). A soft-switching dc/dc converter with high voltage gain. IEEE Transactions on Power Electronics, 25(5),1193–1200. https://doi.org/10.1109/TPEL.2009.2039879
• [26] M. Das and V. Agarwal, "Design and Analysis of a High Efficiency DC–DC Converter With Soft Switching Capability for Renewable Energy Applications Requiring High Voltage Gain," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 5, pp. 2936-2944, May 2016, https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2515565

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.02.24