Investigation and Efficiency Analysis of Dual-Boost Bridgeless PFC Converter

Year 2024, EARLY VIEW, 1 - 1

Aybüke Ertürk , Ramazan Akkaya

Abstract

The increase in electricity consumption makes the electrical efficiency of the systems more important day by day. This situation necessitated the search for high efficiency in Power Factor Correction (PFC) converters, which offer solutions to power quality problems caused by rectifiers. In this study, Bridgeless Boost PFC Converters with high efficiency advantage are examined. The advantages and disadvantages of these converters are presented. Dual-Boost Bridgeless PFC Converter (D-BBPFC), which is a type of bridgeless converters, is introduce and converter is simulated in the PSIM environment. The obtained total harmonic distortion of input current (Iin(THD)), power factor and efficiency values are compared with the Conventional Boost PFC Converter (CBPFC), which is designed in our previous studies with the same parameters. By operating the Dual-Boost Bridgeless PFC Converter at different power levels, the change of power factor and total harmonic distortion is presented in graphic form. For a more detailed efficiency analysis, the converters are rerun by using MOSFETs which have different ON-resistances. As a result, the efficiency advantage of Bridgeless Boost PFC Converters is proven. In addition, the importance of MOSFETs with low ON-resistance such as SiC has been understood for these converters.

Keywords

Power factor correction, harmonic distortions, effiency, SiC-GaN MOSFET’s

Ethical Statement

The authors of this article declare that the materials and methods used in this study do not require ethical committee permission and/or legal-special permission

Dual-Boost Köprüsüz PFC Dönüştürücünün İncelenmesi ve Verimlilik Analizi

Abstract

Artan enerji tüketimi ile birlikte elektrik sistemlerinde verimlilik günden güne daha da önemli hale gelmektedir. Bu durum doğrultuculardan kaynaklanan güç kalitesi sorunlarına çözüm sunan Güç Faktörü Düzeltmeli dönüştürücülerde yüksek verim arayışını zorunlu kılmıştır. Bu çalışmada yüksek verim sunan Köprüsüz Boost PFC Dönüştürücüler incelenmiştir. Bu dönüştürücülerin olumlu ve olumsuz özellikleri sunulmuştur. Köprüsüz dönüştürücülerin bir türü olan Dual-Boost Köprüsüz PFC Dönüştürücü tanıtılmış ve dönüştürücünün PSIM ortamında simülasyonu yapılmıştır. Elde edilen giriş akımı harmonik içeriği, güç faktörü ve verimlilik değerleri, daha önceki çalışmalarımızda aynı parametrelerle tasarlanan Klasik Boost PFC Dönüştürücü ile karşılaştırılmıştır. Dual-Boost Köprüsüz PFC Dönüştürücü farklı güç seviyelerinde çalıştırılarak güç faktörünün ve toplam harmonik bozulmanın değişimi grafiksel olarak sunulmuştur. Daha detaylı bir verim analizi için dönüştürücüler farklı iletim dirençlerine sahip MOSFET'ler kullanılarak tekrar çalıştırılmıştır. Sonuç olarak Köprüsüz PFC Dönüştürücülerin verimlilik avantajı kanıtlanmıştır. Ayrıca SiC gibi düşük iletim direncine sahip MOSFET'lerin bu dönüştürücüler için önemi anlaşılmıştır.

Keywords

Güç faktörü düzeltme, harmonik bozulmalar, verimlilik, SiC- GaN MOSFET’ler

References

• [1] Pan L., Zhang C., “An integrated multifunctional bidirectional AC/DC and DC/DC converter for electric vehicles applications”, Energies, 9(7): 493, (2016).
• [2] Akkaya R., Gürbüz Y., “Design, Implementation and Comparison of Flyback Type Power LED Drivers with External and Internal PFC in Terms of Harmonics and Power Factor”, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, 13493-13505, (2014).
• [3] Kabalcı E., Taşdemir O., “Mikro şebekelerde güç kalitesinin iyileştirilmesi için D-STATCOM tasarımı ve analizi” Politeknik Dergisi, 24(2), 361-372, (2021).
• [4] Şahin E., Büyükkatırcı O., Akın B., “AC-DC Dönüştürücü Tabanlı Güç Faktörü Düzeltme Devresi Tasarımı ve Uygulaması”, ELECO Electrical– Electronics–Computer and Biomedical Engineering Symposium, 243-249, (2014).
• [5] Habib S., Khan M. M., Abbas F., Tang H., “Assessment of electric vehicles concerning impacts, charging infrastructure with unidirectional and bidirectional chargers, and power flow comparisons” International Journal of Energy Research, 42(11): 3416-3441, (2018).
• [6] Akın B., “Elektrikli Arabalarda Kullanılan Li-ion Akülerin Tek Fazdan Hızlı ve Verimli Şarjı için Güç Faktörü Düzeltmeli Yükselticilerin Karşılaştırması”, EMO Bilimsel Dergi, 2(4), 87-93, (2012).
• [7] Kürker F., Taşaltın R., “Elektrik Tesislerinde Harmoniklerin Meydana Getirdiği Kayıpların Analizi”, Adıyaman University Journal of Engineering Sciences, 5:1–38, (2016).
• [8] Özdentürk A., “Elektrikli Araç Şarj Cihazlarında Kullanılan Tek Fazlı Aktif Doğrultucuların Şebekeye Etkilerinin Karşılaştırılması”, Master’s Thesis, Konya Technical University-Institute of Science and Technolog, (2021).
• [9] Ertürk A., Akkaya R., “Köprüsüz Boost PFC Dönüştürücünün Simülasyon Ortamında Performans Değerlendirmesi”, ELECO, (2022).
• [10] Park G., Kee-Yong K., Tae-Woong K., "PFC dual boost converter based on input voltage estimation for DC inverter air conditioner." Journal of Power Electronics, 10.3 293-299, (2010).
• [11] 61000-3-2, “2004IEC”, IEEE, International Electro technical Commission Geneve, Switzerland, (1998).
• [12] Karasu S., Saraç Z., “Güç kalitesi bozulmalarının hilbert-huang dönüşümü, genetik algoritma ve yapay zeka/makine öğrenmesi yöntemleri ile sınıflandırılması” Politeknik Dergisi, 1219-1229. (2020).
• [13] Obdan A. H., Çınar A.O., “Güç Kaynakları İçin Yüksek Verimli Güç Faktörü Düzeltme Devresi Tasarımı” Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi 5(4): 187–99, (2017).
• [14] Praneeth A. V. J. S., Sheldon S. W., "A review of front end AC-DC topologies in universal battery charger for electric transportation", IEEE transportation electrification conference and expo (ITEC), (2018).
• [15] Ye H., "Common mode noise modeling and analysis of dual boost PFC circuit", INTELEC. 26th Annual International Telecommunications Energy Conference., (2004).
• [16] Huber L., Jang Y., Jovanovic M. M., “Performance evaluation of bridgeless PFC boost rectifiers”, IEEE Transactions on Power Electronics, 23(3), 1381-1390, (2008).
• [17] Moriconi U., “A Bridgeless PFC Configuration Based on L4981 PFC Controller”, Application Note (AN), 1606, 18-18, (2002).
• [18] XueChao L., ZhiHao W., “UCC28070 Implement Bridgeless Power Factor Correction (PFC) Pre-Regulator Design”, Texas Instruments, (2009).
• [19] Çavdar M., “Tek Fazlı Güç Faktörü Düzeltmeli (PFC) Köprüsüz AC-DC Dönüştürücülerin İncelenmesi ve Karşılaştırılması”, Master’s Thesis, Yıldız Technical University-Institute of Science and Technolog, 18-21. (2017).
• [20] Kong P., Shuo W., Fred C. L., "Common mode EMI noise suppression in bridgeless boost PFC converter.", APEC 07-Twenty-Second Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition., (2007).
• [21] Gopinath M., Ramareddy S., "A brief analysis on bridgeless boost PFC converter.", International Conference on Sustainable Energy and Intelligent Systems (SEISCON 2011), 242-246, (2011).
• [22] Kong P., Shuo W., Fred C. L., "Common mode EMI noise suppression for bridgeless PFC converters", IEEE Transactions on Power Electronics, 23.1- 291-297, (2008).
• [23] Musavi F., Edington M., Eberle W., Dunford W. G., "Evaluation and efficiency comparison of front end AC-DC plug-in hybrid charger topologies." IEEE Transactions on Smart grid, 3.1 413-421. (2011).
• [24] Qi T., Xing L., Sun J., "Dual-boost single-phase PFC input current control based on output current sensing.", IEEE Transactions on Power Electronics, 24.11,2523-2530 (2009).
• [25] Enjeti P. N., Martinez R., "A high performance single phase AC to DC rectifier with input power factor correction", Proceedings Eighth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition, 190-195, (1993).
• [26] Erel M. Z., “Tek Fazlı Şebekeye Bağlı Evirici Tasarımı ve Kontrolü” Journal of Polytechnic, 25(3), (2022).
• [27] Nielsen R. Ø., Török L., Munk-Nielsen S., Blaabjerg F., “Efficiency and cost comparison of Si IGBT and SiC JFET isolated DC/DC converters.” In IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society 695-699, (2013).
• [28] Stevanovic L.D., "Recent advances in silicon carbide MOSFET power devices", Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Twenty-Fifth Annual IEEE, 401-407, (2010).