Implementation of a Highly Boosted Converter with High Efficiency Integral Sliding Mode Control for Photovoltaic Applications

Subject Areas : Power Engineering

Ali Mohamed Ghadoori ¹ , Majid Moazzami ^{2 *}

1 - Department of Engineering, North Refineries Company (N.R.C), Baghdad, Iraq
2 - Department of Electrical Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran

Received: 2024-11-09 Accepted : 2025-03-29 Published : 2026-09-22

Keywords: High boost converter, Soft switching, Sliding mode control, Low current ripple.,

Abstract :

Non-isolated step-up converters have wide applications such as photovoltaics, fuel cells, hybrid vehicle, etc. In many applications, it is very important to stabilize the output voltage despite changes in load or input voltage, so a suitable control circuit for the converter should be designed so that its dynamic response to load changes is fast. To reduce losses and increase efficiency, soft switching techniques are also provided. In this paper, a new high boost converter with an innovative sliding mode control circuit is presented. The converter has high voltage gain, low stress and zero current switching. Also, the energy of the leakage inductor is well absorbed by the clamp capacitor and the voltage spike at both ends of the switch is not observed. All diodes are switched at zero current, so they don't have reverse recovery problem. The converter has been fully analyzed and a 130 W sample has been simulated and built to confirm the circuit analysis.

References:

[1] D. Renwal and M. Kumar, "Hybrid PI-fuzzy logic controller based DC-DC converter," 2015 International Conference on Green Computing and Internet of Things (ICGCIoT), Greater Noida, India, 2015, pp. 753-757, doi: 10.1109/ICGCIoT.2015.7380563.
[2] M. Rezaie and V. Abbasi, "Ultrahigh Step-Up DC–DC Converter Composed of Two Stages Boost Converter, Coupled Inductor, and Multiplier Cell," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 69, no. 6, pp. 5867-5878, June 2022, doi: 10.1109/TIE.2021.3091916.
[3] S. Prajapati, M. M. Garg and B. Prithvi, "Design of Fractional-Order PI controller for DC-DC Power Converters," 2018 8th IEEE India International Conference on Power Electronics (IICPE), Jaipur, India, 2018, pp. 1-6, doi: 10.1109/IICPE.2018.8709430.
[4] F. Ghasemi, M. R. Yazdani and M. Delshad, "Step-Up DC-DC Switching Converter with Single Switch and Multi-Outputs Based on Luo Topology," IEEE Access, vol. 10, pp. 16871-16882, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3150316.
[5] M. Delshad and H. Farzanehfard, "A soft switching flyback current-fed push pull Dc-Dc Converter with active clamp circuit," 2008 IEEE 2nd International Power and Energy Conference, Johor Bahru, Malaysia, 2008, pp. 203-207, doi: 10.1109/PECON.2008.4762471.
[6] G. Wu, X. Ruan and Z. Ye, "High Step-Up DC–DC Converter Based on Switched Capacitor and Coupled Inductor," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 7, pp. 5572-5579, July 2018, doi: 10.1109/TIE.2017.2774773.
[7] A. M. S. S. Andrade, E. Mattos, L. Schuch, H. L. Hey and M. L. da Silva Martins, "Synthesis and Comparative Analysis of Very High Step-Up DC–DC Converters Adopting Coupled-Inductor and Voltage Multiplier Cells," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 7, pp. 5880-5897, July 2018, doi: 10.1109/TPEL.2017.2742900.
[8] M. Delshad and E. Shahri, "A new soft switching interleaved boost converter with high voltage gain," The 8th Electrical Engineering/ Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI) Association of Thailand - Conference 2011, Khon Kaen, Thailand, 2011, pp. 744-747, doi: 10.1109/ECTICON.2011.5947947.
[9] P. Jia and Y. Mei, "Derivation and Analysis of a Secondary-Side LLC Resonant Converter for the High Step-Up Applications," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 9, no. 5, pp. 5865-5882, Oct. 2021, doi: 10.1109/JESTPE.2020.3037960.
[10] M. Delshad, A. T. Harchegani, M. Karimi and M. Mahdavi, "A new ZVT Multi Input Converter for hybrid sources systems," 2016 International Conference on Applied Electronics (AE), Pilsen, Czech Republic, 2016, pp. 61-64, doi: 10.1109/AE.2016.7577242.
[11] M. Minami and K. Tomoeda, "An Analysis of Operation in Single-Switch High Step-up DC-DC Converter with Three-winding Coupled Inductor," 2019 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Anaheim, CA, USA, 2019, pp. 2135-2137, doi: 10.1109/APEC.2019.8722320.
[12] S. Shabani, M. Delshad, R. Sadeghi and H. H. Alhelou, "A High Step-Up PWM Non-Isolated DC-DC Converter with Soft Switching Operation," IEEE Access, vol. 10, pp. 37761-37773, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3163146.
[13] T. Nouri, N. V. Kurdkandi and M. Shaneh, "A Novel Interleaved High Step-Up Converter With Built-In Transformer Voltage Multiplier Cell," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 6, pp. 4988-4999, June 2021, doi: 10.1109/TIE.2020.2992944.
[14] M. F. Guepfrih, G. Waltrich and T. B. Lazzarin, "High Step-Up DC-DC Converter Using Built-In Transformer Voltage Multiplier Cell and Dual Boost Concepts," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 9, no. 6, pp. 6700-6712, Dec. 2021, doi: 10.1109/JESTPE.2021.3063060.
[15] M. Hajilou and H. Farzanehfard, "Soft-Switched High Step-Up Quasi Z-Source Converter With Low Switch Voltage Stress," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 71, no. 12, pp. 15610-15617, Dec. 2024, doi: 10.1109/TIE.2024.3383032.
[16] T. Nouri, M. Shaneh and A. Ghorbani, "Interleaved high step-up ZVS DC–DC converter with coupled inductor and built-in transformer for renewable energy systems applications," IET Power Electronics, vol. 13, pp. 3537-3548, 2020, doi: 10.1049/iet-pel.2020.0162.
[17] S. -W. Seo, J. -H. Ryu, Y. Kim and J. -B. Lee, "Ultra-High Step-Up Interleaved Converter with Low Voltage Stress," IEEE Access, vol. 9, pp. 37167-37178, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3061934.
[18] M. -K. Nguyen, Y. -C. Lim, J. -H. Choi and G. -B. Cho, "Isolated High Step-Up DC–DC Converter Based on Quasi-Switched-Boost Network," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 12, pp. 7553-7562, Dec. 2016, doi: 10.1109/TIE.2016.2586679.

Full-Text:



علی محمد قدوری، مجید معظمی

 

 

Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System

Research Article                                                                         (2026) 5(2):97-110

 

Implementation of a Highly Boosted Converter with High Efficiency Integral Sliding Mode Control for Photovoltaic Applications

Ali Mohamed Ghadoori1, MSc, Majid Moazzami2,3, Associate Professor

 

1 Department of Engineering, North Refineries Company (N.R.C), Baghdad, Iraq

2 Department of Electrical Engineering, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran

3 Smart Microgrid Research Center, Najafabad Branch, Islamic Azad University, Najafabad, Iran

 

Abstract:

Non-isolated step-up converters have wide applications such as photovoltaics, fuel cells, hybrid vehicle, etc. In many applications, it is very important to stabilize the output voltage despite changes in load or input voltage, so a suitable control circuit for the converter should be designed so that its dynamic response to load changes is fast. To reduce losses and increase efficiency, soft switching techniques are also provided. In this paper, a new high boost converter with an innovative sliding mode control circuit is presented. The converter has high voltage gain, low stress and zero current switching. Also, the energy of the leakage inductor is well absorbed by the clamp capacitor and the voltage spike at both ends of the switch is not observed. All diodes are switched at zero current, so they don't have reverse recovery problem. The converter has been fully analyzed and a 130 W sample has been simulated and built to confirm the circuit analysis.

Keywords: High boost converter, Soft switching, Sliding mode control, Low current ripple.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Received: 09 November 2024

Revised: 04 March 2025

Accepted: 29 March 2025

Corresponding Author: Dr. Majid Moazzami, [e-mail]

DOI: https://doi.org/10.71691/teeges.2026.1189931

 

 

فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز

         ..مقاله پژوهشی...       

 

پیاده سازی یک مبدل بسیار افزاینده با کنترل مد لغزشی انتگرالی با راندمان بالا برای کاربردهای فوتوولتاییک

علی محمد قدوری1، کارشناسی ارشد، مجید معظمی2و3، دانشیار 

1- بخش مهندسی، شرکت پالایشگاه شمال، وزارت نفت عراق، بغداد، عراق

2- دانشکده مهندسي برق، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ايران

3- مرکز تحقیقات ریزشبکه­های هوشمند، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ايران

 

چكيده: مبدلهای بسیار افزاینده غیر ایزوله دارای کاربردهای وسیعی نظیر فوتوولتاییک، پیل سوختی، خودروهای هیبریدی و غیره هستند. در بسیاری از کاربردها تثبیت ولتاژ خروجی علی رغم تغییرات بار و یا ولتاژ ورودی بسیار اهمیت دارد، لذا بایستی یک مدار کنترل مناسب برای مبدل طراحی نمود تا پاسخ دینامیکی آن به تغییرات بار سریع باشد. برای کاهش تلفات و افزایش راندمان نیز تکنیکهای کلیدزنی نرم ارایه شده اند. در این مقاله یک مبدل بسیار افزاینده جدید با مدار کنترل مد لغزشی ابتکاری ارایه گردیده است. مبدل دارای بهره ولتاژ بالا، استرس پایین و کلیدزنی در جریان صفر است. همچنین انرژی سلف نشتی به خوبی جذب خازن کلمپ می شود و اسپایک ولتاژ دو سر سوییچ مشاهده نمی گردد. کلیه دیودها در جریان صفر کلیدزنی می گردند، لذا مشکل بازیابی معکوس ندارند. مبدل بطور کامل تحلیل گردیده و یک نمونه 130 وات از آن شبیه سازی و ساخته شده است تا تحلیلهای مدار را تایید نماید.

 

واژه هاي كليدي: مبدل بسیار افزاینده، کلیدزنی نرم، کنترل مد لغزشی، ریپل جریان پایین.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تاریخ ارسال مقاله: ۱۹/0۸/140۳

تاریخ بازنگری مقاله: 14/۱2/140۳

تاریخ پذیرش مقاله: 0۹/01/140۴

نویسنده­ی مسئول: دکتر مجید معظمی، [e-mail]

DOI: https://doi.org/10.71691/teeges.2026.1189931

 

 

1- مقدمه

مبدل‌های افزاینده به خاطر کاهش استرس ولتاژ روی سوئیچ و دیود و کاهش تلفات هدایتی و افزایش راندمان مورد توجه ویژه قرار گرفته‌اند. علاوه بر داشتن بهره ولتاژ بالا ریپل جریان ورودی پایین لازم است که مبدل پاسخ دینامیکی مناسبی در برابر تغییرات بار و ولتاژ ورودی داشته باشد زیرا اکثر این مبدل‌ها در سیستم‌های پیل سوختی و فوتوولتائیک استفاده می‌شوند که دارای تغییرات ولتاژ زیاد هستند و با تغییر جریان، ولتاژ آنها تغییر می‌کند. کنترل کننده‌های 1PID و 2PD نمی‌توانند کنترل سریع و بدون بالا زدگی روی ولتاژ خروجی داشته باشند]1-3[.

در مبدل های 3PWM فرکانس کلیدزنی ثابت می باشد و کنترل توان خروجی با کنترل ضریب وظیفه انجام می گیرد. به همين دليل مبدل هاي کلیدزنی نرم PWM بيشتر از مبدل های رزونانسی و شبه رزونانسی مورد توجه قرار گرفته‌اند. در این مبدل ها برای ایجاد کلیدزنی نرم اغلب یک مدار کمکی به سوئیچ های مبدل افزوده می شود به طوری که کنترل مبدل همچنان PWM باقی می ماند ]۵,۴[.

در مبدل های PWM برای اعمال سوئیچینگ نرم، معمولاً یک مدار کمکی شامل المانهای رزونانسی(سلف و خازن) که عناصر غیر فعال هستند و دیود و گاهی عناصر فعال مانند انواع سوئیچ ها به مدار اصلی اضافه می شود تا ولتاژ یا جریان سوئیچ اصلی را در موقع نیاز صفر کنند. برخی از این مدارهای کمکی اکتیو کلمپ]6[ می باشند، که با استفاده از یک یا چند سوئیچ اضافه و المان پسیو شرایط کلیدزنی نرم را برای سوئیچ های اصلی مبدل فراهم می کنند. دراین مبدل ها زمانی که جریان گردشی به حداقل می رسد کلیدزنی نرم ایجاد می گردد و بازده تبدیل توان نسبتاً افزایش می یابد. اما استرس المان های نیمه هادی و تلفات ضریب وظیفه استفاده از این تکنیک را محدود می کند.

برخی از مدارهای کمکی دیگر با ایجاد یکی از حالت های کلیدزنی نرم4 ZVS ،5 ZCS و یا6 ZVZCS ، و ولتاژ، جریان و یا هر دو را در لحظات کلیدزنی سوئیچ صفر می کنند، و رزونانس میان سلف و خازن در طول زمان پریود کاری سوئیچ اتفاق می افتد که این منجر به کاهش هم پوشانی ولتاژ و جریان سوئیچ می شود و در نتیجه تلفات کلیدزنی کاهش می یابد] 7-9[.

در مبدل های7 ZVT و8 ZCT، نیز علاوه براینکه سعی می شود خواص مبدل های PWM حفظ شود، رزونانس بصورت بسیار کوتاه و گذرا، قط در زمانهای روشن شدن کلید اصلی و یا خاموش شدن آن اتفاق می افتد]10-12 [. به این ترتیب شرایط کلیدزنی نرم برای المان های نیمه هادی فراهم می گردد. معمولاً در این مبدل ها استرس ولتاژ و جریان اضافی به سوئیچ اعمال نمی شود. اما عیب عمده آنها استفاده از یک سوئیچ کمکی برای صفر کردن ولتاژ و یا جریان سوئیچ اصلی در لحظات کلید زنی مبدل می باشد.

مبدل هاي مدرن امروزي داراي فرکانس عملکرد بالا و حجم و وزن پایین می باشند. لذا استفاده از تکنیک هاي سوئیچینگ نرم در این مبدل ها اجتناب ناپذیر است زیرا موجب می گردد تلفات کلیدزنی کاهش یافته و امکان افزایش فرکانس کلیدزنی و راندمان مبدل فراهم گردد]13-17[. همچنین مبدل هاي ایزوله به طور گسترده به عنوان منابع تغذیه توان درکاربرد هاي مختلف به کار برده شده اند. مبدل هاي سوئچینگ ایزوله از ترانسفورمر هاي ایزوله کننده بهره می برند و با کمک نوار هاي عایق ایزولاسیون خود را انجام می دهد. بنابراین توانایی تحمل ولتاژ هاي بالاتر را دارند]18[.

در این مقاله یک مبدل بسیار افزاینده با مدار کنترل مد لغزشی مجتمع شده9 ارائه شده است. مبدل دارای بهره ولتاژ بالا، ریپل جریان ورودی پایین و پاسخ دینامیکی مناسب می‌باشد لذا برای کاربردهای انرژی سبز بسیار مناسب است. در ابتدا در 2 مبدل پیشنهادی توصیف و عملکرد آن شرح داده می‌شود سپس در بخش 3 مبدل آنالیز شده و در بخش 4 نتایج شبیه‌سازی و عملی آن آورده می‌شود. در نهایت در بخش 5 پاسخ دینامیکی10 مبدل به تغییرات بار نشان داده می‌شود تا تحلیل‌های تئوری تایید گردد.

2- معرفی مبدل بسیار افزاینده پیشنهادی

مبدل بسیار افزاینده در شکل (1) آورده شده است. مبدل تنها دارای یک سوئیچ، سه دیود D1، D2 و Do و سه خازن افزاینده C1 و C2 و C3 و خازن خروجی Co، یک سلف کوپل شده L3-L2 برای افزایش بهره استفاده شده است که با سلف مغناطیس کنندگی Lm و سلف نشتی LK مدل شده است. سلف ورودی L1 نیز موجب کاهش ریپل جریان ورودی می‌گردد از آنجایی که خازن‌های C1-C3 مقدار بزرگی دارند ولتاژ آنها در یک سیکل ثابت می‌باشد. جریان سلف ورودی نیز مقدار ثابت Iin در نظر گرفته می‌شود.

 

شکل (1): نمای شماتیک مبدل افزاینده

 

1-2- عملکرد مبدل بسیار افزاینده

 مبدل دارای ۴ وضعیت در سیکل کلیدزنی است. قبل از وضعیت اول سوئیچ M خاموش است و دیود خروجی Do روشن است و انرژی Lm و خازن C3 از طریق آن به خروجی منتقل می‌شود. شکل موج‌های کلیدی در شکل (2) نشان داده شده است و مدارهای معادل وضعیت‌ها در شکل‌های (3) تا (6) آورده شده است. 

 

شکل (2): شکل موجهای اصلی تئوری مبدل افزاینده پیشنهادی

 وضعیت اول:

 در این وضعیت سوئیچ M روشن شده و جریان آن خطی افزایش می‌یابد. در این وضعیت دیودهای D1 و D2 خاموشند. با رسیدن سطح جریان سوئیچ به مقدار Iin یا همان IL1 این وضعیت پایان می‌پذیرد.

 

 

شکل (3): مدار معادل وضعیت اول مبدل

وضعیت دوم:

 این وضعیت با خاموش شدن دیود خروجی آغاز می‌شود. در این وضعیت دیود D2 روشن شده و انرژی خازن C2 به خازن C3 انتقال می‌یابد. از طرفی جریان بار توسط خازن Co تامین می‌شود. نسبت جریان سوئیچ M در این وضعیت برابر جریان ورودی است.

(1)

 

شکل (4): مدار معادل وضعیت دوم مبدل

وضعیت سوم:

 با خاموش شدن سوئیچ M و روشن شدن دیود خروجی این وضعیت شروع می‌شود. دیود D1 بلافاصله روشن شده و انرژی سلف نشتی در خازن C2 تخلیه می‌شود. از طرفی جریان D2 کاهش می‌یابد تا به صورت ZC خاموش شود. در انتهای این وضعیت و با اتمام انرژی Lk، دیود D1 نیز به صورت ZC خاموش می‌شود.

 

شکل (5): مدار معادل وضعیت سوم مبدل

وضعیت چهارم:

 با خاموش شدن دیود D1 انرژی L1 و Lm از طریق دیود خروجی به خروجی منتقل می‌شود. خازن C3 نیز که در وضعیت دوم شارژ شده بود در این وضعیت انرژی خود را به خروجی منتقل می‌کند. این وضعیت با روشن شدن سوئیچ M پایان می‌پذیرد.

 

شکل (6): مدار معادل وضعیت چهارم مبدل

 

3- آنالیز مبدل پیشنهادی

 در این قسمت ابتدا بهره مبدل و استرس ولتاژ المان‌های نیمه هادی محاسبه می‌شود سپس طراحی سلف­ها و خازن‌های مبدل ارائه می‌گردد.

1-3- بهره مبدل

به سادگی با نوشتن رابطه بالانس ولت - ثانیه برای L1، ولتاژ خازن C2 به دست می‌آید و با نوشتن بالانس ولت – ثانیه برای Lm، ولتاژ خازن‌های C1و C3 محاسبه می‌شود و نهایتاً بهره مبدل به دست می‌آید.

برای L1:

(2)

  برای Lm:

(3)
(4)

شکل (7) بهره مبدل به ازای مقادیر مختلف n و D را نشان می‌دهد.

 

2-3- استرس ولتاژ المان‌ها

 برای محاسبه استرس ولتاژ المان‌ها بایستی یک KVL در حلقه المان وقتی خاموش است نوشته شود.

(5)
(6)
(7)
(8)

نمودار شکل (8) نمودار نرمالیزه شده استرس ولتاژ سوئیچ و دیودها را نشان می‌دهد. همانطور که مشخص است با افزایش n، استرس ولتاژ سوئیچ و دیود D1 کاهش می‌یابد ولی استرس Do و D2 افزایش می‌یابد. بنابراین در طراحی نمی‌توان n را زیاد بزرگ در نظر گرفت تا ولتاژ استرس دیود خروجی بسیار زیاد نگردد. محدوده 2 تا 3 محدوده مناسب برای طراحی است.

 

 

شکل (7): بهره ولتاژ مبدل برحسب تغییرات ضریب وظیفه و نسبت دور

 

شکل (8): استرس ولتاژ المانهای نیمه هادی مبدل برحسب تغییرات نسبت دور

 

4-نتایج شبیه سازی و عملی مبدل بسیار افزاینده پیشنهادی

 با توجه به آنالیز مبدل پیشنهادی در قسمت قبل، المان های مبدل برای توان 130 وات طراحی و شبیه سازی می­گردد. مدار شبیه سازی شده در نرم افزار PSPICE در شکل (9) آورده شده است. مقادیر محاسبه شده برای پارامترهای مبدل نیز در جدول (1) نشان داده شده است. شکل (10)، شکل موجهای شبیه سازی ولتاژ و جریان سوییچ مبدل پیشنهادی را نشان می دهد. همانطور که مشخص است در لحظه روشن شدن سوییچ جریان با شیب بالا می رود لذا بصورت ZC روشن می شود. شکل (11)، جریان دیودهای D1 و D2 را نشان می دهد به خاطر شیب جریان ر زمان خاموش شدن، شرایط ZC برقرار بوده و در نتیجه دیودها مشکل بازیابی معکوس ندارند. شکل (12)، شکل موج جریان دیود Do را نشان می دهد که بیانگر ZC روشن و خاموش شدن آن است و در نتیجه مشکل بازیابی معکوس ندارد. شکل (13)، نیز جریان ورودی را نشان می دهد که نشان دهنده ریپل پایین جریان در مبدل پیشنهادی است.

جدول (1): مشخصات مبدل پیشنهادی و مقادیر المان­های آن

(9)
(10)
(11)

مقدار/نام قطعه	المان ها/ مشخصات
40V	Vin
350V	VO
IRF740	Power switch
MUR860	Diode
0.92	K
2	Turns ratio=N
200 µH	L1
10µF	C3-C1
47µF	Co
130W	PO
100kHz	fS

 

شکل (9): مدار پیشنهادی شبیه سازی شده در PSPICE

 

شکل (10): شکل موج ولتاژ و جریان شبیه سازی شده سوییچ مبدل پیشنهادی(2A/div, 50V/div,1 µs)

 

 

شکل (11): شکل موج شبیه سازی شده جریان دیودهایD2, (بالا)D1 (پایین) مبدل پیشنهادی ((2A/div, 1 µs

 

شکل (12): شکل موج شبیه سازی شده جریان دیودDo مبدل پیشنهادی (2A/div, 1 µs)

 

شکل (13): شکل موج شبیه سازی شده جریان ورودی مبدل پیشنهادی (2A/div, 1 µs)

 

در شکل (14) مدار پیاده سازی شده نشان داده شده است. شکل موج جریان و ولتاژ سوییچ و دیودهای D1،D2 ،Do و جریان ورودی در شکل (15) آورده شده است و نتایج عملی نتایج شبیه سازی و تحلیلهای انجام شده را تایید می کنند. شرایط ZC روشن شدن سوییچ به خاطر شیب جریان مشخص است. جریان دیودها نیز همگی با شیب کاهش یافته ودر نتیجه بصورت ZC خاموش می گردند. شکل جریان ورودی در شکل (15د) آورده شده است. همانطور که از شکل مشاهده می گردد ریپل جریان پایین و در حدود یک آمپر است.

 

 

شکل (14): مدار ساخته شده مبدل پیشنهادی

 

 

شکل (15): نتایج عملی مبدل الف-ولتاژ (بالا) و جریان (پایین) سوییچ ب- جریان دیودهای D1 (بالا) و D2(پایین)

 ج-جریان دیود خروجی د-جریان ورودی

 

5- راندمان مبدل پیشنهادی تحت تغییرات بار خروجی

 در شکل (16) راندمان مبدل پیشنهادی نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می­گردد در بار کامل، بهترین راندمان 95.5 درصد حاصل شده است و با توجه به ثابت بودن جریان گردشی در مدار کمکی با کاهش بار از راندمان مبدل کاسته شده است.

 

شکل (16): نمودار بازده مبدل پیشنهادی  

 

6-کنترل مبدل بسیار افزاینده پیشنهادی به روش کنترل مدلغزشی انتگرالی

برای تثبیت ولتاژ خروجی مبدل در لحظه­های تغییر بار، از کنترل کننده مد لغرشی انتگرالی استفاده شده است. با تنظیم ضرایب کنترل کننده و نمونه­گیری از ولتاژ خروجی توسط آن و مقایسه نمونه ولتاژ با سطح ولتاژ مورد نیاز برای مبدل، ضریب وظیفه کلیدها توسط کنترل کننده تغییر داده شده تا ولتاژ خروجی در سطح مورد نظر ثابت بماند. شکل (17)، بلوک دیاگرام کنترل کننده مد لغزشی انتگرالی را نشان داده که در خروجی مبدل پیشنهادی اعمال شده است.

شکل (17): بلوک دیاگرام کنترل کننده مد لغزشی انتگرالی

 

عملکرد کنترل کننده با شبیه سازی در نرم افزار متلب بررسی شده ونتایج آن در شکل (18) ارائه شده است. با توجه به شکل (18)، توان خروجی مبدل به ترتیب در لحظه­های t=1s و t=2s از 130 وات به 65 وات و از 65 وات به 130 وات تغییر کرده است.  ولتاژ مرجع مبدل 350 ولت بوده که با خط آبی رسم شده، و جریان خروجی مبدل با رنگ قرمز مشخص شده است. همانطور که مشاهده می­شود در لحظه­های تغییر بار کنترل کننده به خوبی عمل کرده و ولتاژ خروجی را با ریپل کم­تر از 3% در سطح مورد نظر ثابت نگه می­دارد.

 

شکل (18): ولتاژ و جریان خروجی مبدل پیشنهادی در لحظه­های تغییر بار خروجی

 

9- مقایسه مبدل بسیار افزاینده پیشنهادی با مبدلهای مشابه پیشین 

در جدول (2) مبدل بسیار افزاینده پیشنهادی با مبدلهای مشابه پیشین از نظر بهره ولتاژ، تعداد المان، استرس ولتاژ روی سوییچ اصلی و نوع کلیدزنی نرم مقایسه گشته است. همانطور که از جدول مشخص است مبدلهای ]15[ و ]17[ دارای جریان ورودی گسسته می باشند که برای کاربردهای فوتوولتاییک مناسب نیستد و موجب کاهش طول عمر منابع می گردند. مبدل پیشنهادی دارای کمترین المان است و دارای کلیدزنی نرم است در نتیجه راندمان بهتری نسبت به مبدلهای ]13[ و ]15[ دارد که دارای سوییچینگ سخت هستند. مبدل ]17[ بهترین بهره و پایینترین استرس ولتاژ را در مبدلهای جدول دارد ولی تعداد المان آن بالا است و پیچیدگی مبدل بالا است در ضمن مبدل دارای دو سوییچ است.  مبدل ]16[ دارای بهره بهتری نسبت به مبدل پیشنهادی است ولی تعداد المان آنها بسیار بالا است و تلفات هدایتی در آن نیز بالا است. از طرفی دارای چهار سوییچ می باشد که کنترل آن را مشکل می سازد.

 

جدول(2): مقايسه پارامترهاي مبدل بسیار افزاینده پیشنهادی با مبدلهاي ارايه شده پيشين

مبدل پيشنهادي	]17[	]16[	]15[	]13[	مرجع پارامتر
10	20	22	12	17	تعداد المان
ZC	ZV	ZV	سخت	سخت	نوع كليدزني
(n+2)/(1-D)	(2n+4)/(1-D)	(2n+2)/(1-D)	(1+D+2n) /(1-D)	(2n+4)/(1-D)	بهره ولتاژ
Vo/(n+2)	Vo/(2n+4)	Vo/(2n+2)	Vo/(1+D+2n)	Vo/(2n+4)	استرس ولتاژ روي سوييچ
پیوسته	گسسته	پیوسته	گسسته	پیوسته	جریان ورودی

 

8- نتیجه گیری

در این مقاله یک مبدل بسیار افزاینده غیر ایزوله با کنترل مد لغزشی انتگرالی ارایه شده است. علاوه بر کلیدزنی درجریان صفر مبدل فاقد سوییچ اضافی و پیچیدگی عملکرد می باشد. به طور كلي مبدل پیشنهادی داراي ويژگيهاي زير است.

كليدزني در جریان صفر سوييچ مبدل در هنگام روشن

استفاده از مدار کلمپ بدون تلفات و انتقال انرژی آن به خروجی بطور غیر مستقیم

پایین بودن ریپل جریان ورودی به خاطر عدم وجود سلف تزویج شده در ورودی

عدم وجود مشكل بازيابي معكوس در ديودهاي مدار به خاطر خاموش شدن بصورت ZC

استرس ولتاژ پايين روي سوييچ

كنترل بصورت PWM

عدم استفاده از سوییچ کمکی

بهره ولتاژ بسیار بالا

همچنين به طور كلي عيبهاي اصلي مبدل پيشنهادي عبارتند از

بالا بودن استرس ولتاژ دیود خروجی

وجود تلفات روشن شدن خازنی در سوییچ

 

مراجع

[1]       D. Renwal and M. Kumar, "Hybrid PI-fuzzy logic controller based DC-DC converter," 2015 International Conference on Green Computing and Internet of Things (ICGCIoT), Greater Noida, India, 2015, pp. 753-757, doi: 10.1109/ICGCIoT.2015.7380563.

[2]       M. Rezaie and V. Abbasi, "Ultrahigh Step-Up DC–DC Converter Composed of Two Stages Boost Converter, Coupled Inductor, and Multiplier Cell," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 69, no. 6, pp. 5867-5878, June 2022, doi: 10.1109/TIE.2021.3091916.

[3]       S. Prajapati, M. M. Garg and B. Prithvi, "Design of Fractional-Order PI controller for DC-DC Power Converters," 2018 8th IEEE India International Conference on Power Electronics (IICPE), Jaipur, India, 2018, pp. 1-6, doi: 10.1109/IICPE.2018.8709430.

[4]       F. Ghasemi, M. R. Yazdani and M. Delshad, "Step-Up DC-DC Switching Converter with Single Switch and Multi-Outputs Based on Luo Topology," IEEE Access, vol. 10, pp. 16871-16882, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3150316.

[5]       M. Delshad and H. Farzanehfard, "A soft switching flyback current-fed push pull Dc-Dc Converter with active clamp circuit," 2008 IEEE 2nd International Power and Energy Conference, Johor Bahru, Malaysia, 2008, pp. 203-207, doi: 10.1109/PECON.2008.4762471.

[6]       G. Wu, X. Ruan and Z. Ye, "High Step-Up DC–DC Converter Based on Switched Capacitor and Coupled Inductor," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 65, no. 7, pp. 5572-5579, July 2018, doi: 10.1109/TIE.2017.2774773.

[7]       A. M. S. S. Andrade, E. Mattos, L. Schuch, H. L. Hey and M. L. da Silva Martins, "Synthesis and Comparative Analysis of Very High Step-Up DC–DC Converters Adopting Coupled-Inductor and Voltage Multiplier Cells," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 7, pp. 5880-5897, July 2018, doi: 10.1109/TPEL.2017.2742900.

[8]       M. Delshad and E. Shahri, "A new soft switching interleaved boost converter with high voltage gain," The 8th Electrical Engineering/ Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI) Association of Thailand - Conference 2011, Khon Kaen, Thailand, 2011, pp. 744-747, doi: 10.1109/ECTICON.2011.5947947.

[9]       P. Jia and Y. Mei, "Derivation and Analysis of a Secondary-Side LLC Resonant Converter for the High Step-Up Applications," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 9, no. 5, pp. 5865-5882, Oct. 2021, doi: 10.1109/JESTPE.2020.3037960.

[10]       M. Delshad, A. T. Harchegani, M. Karimi and M. Mahdavi, "A new ZVT Multi Input Converter for hybrid sources systems," 2016 International Conference on Applied Electronics (AE), Pilsen, Czech Republic, 2016, pp. 61-64, doi: 10.1109/AE.2016.7577242.

[11]       M. Minami and K. Tomoeda, "An Analysis of Operation in Single-Switch High Step-up DC-DC Converter with Three-winding Coupled Inductor," 2019 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Anaheim, CA, USA, 2019, pp. 2135-2137, doi: 10.1109/APEC.2019.8722320.

[12]       S. Shabani, M. Delshad, R. Sadeghi and H. H. Alhelou, "A High Step-Up PWM Non-Isolated DC-DC Converter with Soft Switching Operation," IEEE Access, vol. 10, pp. 37761-37773, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3163146.

[13]       T. Nouri, N. V. Kurdkandi and M. Shaneh, "A Novel Interleaved High Step-Up Converter With Built-In Transformer Voltage Multiplier Cell," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 68, no. 6, pp. 4988-4999, June 2021, doi: 10.1109/TIE.2020.2992944.

[14]       M. F. Guepfrih, G. Waltrich and T. B. Lazzarin, "High Step-Up DC-DC Converter Using Built-In Transformer Voltage Multiplier Cell and Dual Boost Concepts," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 9, no. 6, pp. 6700-6712, Dec. 2021, doi: 10.1109/JESTPE.2021.3063060.

[15]       M. Hajilou and H. Farzanehfard, "Soft-Switched High Step-Up Quasi Z-Source Converter With Low Switch Voltage Stress," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 71, no. 12, pp. 15610-15617, Dec. 2024, doi: 10.1109/TIE.2024.3383032.

[16]       T. Nouri, M. Shaneh and A. Ghorbani, "Interleaved high step-up ZVS DC–DC converter with coupled inductor and built-in transformer for renewable energy systems applications," IET Power Electronics, vol. 13, pp. 3537-3548, 2020, doi: 10.1049/iet-pel.2020.0162.

[17]       S. -W. Seo, J. -H. Ryu, Y. Kim and J. -B. Lee, "Ultra-High Step-Up Interleaved Converter with Low Voltage Stress," IEEE Access, vol. 9, pp. 37167-37178, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3061934.

[18]       M. -K. Nguyen, Y. -C. Lim, J. -H. Choi and G. -B. Cho, "Isolated High Step-Up DC–DC Converter Based on Quasi-Switched-Boost Network," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 12, pp. 7553-7562, Dec. 2016, doi: 10.1109/TIE.2016.2586679.

 

زیرنویس‏ها

 

1Proportional Integral Derivative Controller

2Proportional Derivative Controller

3Pulse Width Modulation

4Zero Voltage Switching

5Zero Current Switching

6Zero Voltage Zero Current Switching

7Zero Voltage Transition

8Zero Current Transition

9Integral Sliding Mode Controller

10Dynamic Response

 

 

 

 

   فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز، سال پنجم، شماره ۲، تابستان ۱۴۰۵                                   15