Design and Implementation of an Analog Controller Based on K-factor Design Method for a Novel Isolated Z-Source DC-DC Converter with High Voltage Gain

Öz

In this study, an analog control circuit design and implementation are performed by using the K-factor design method for a novel isolated Z-source dc-dc converter with high voltage gain. The closed loop system created by the control circuit ensures a constant output voltage at the converter output although there is a step change in input voltage and load within certain limits. The K-factor design method used to design the control circuit allows obtaining the design of the feedback circuit with a certain flow of mathematical equations. The mathematical method used to calculate the control circuit elements increases the reliability of the closed loop system. In this study, firstly, theoretical study of a closed loop control of a novel Z-source dc-dc converter topology is completed with K-factor design method. Secondly, the theoretical study results are analyzed by implementing a simulation study in PLECS. Lastly, by conducting an experimental study, simulation results and experimental results are compared. As a result, the verification of the experimental study that results in 1% error margin of the simulation study has formed the basis of a reliable control method for a new generation dc-dc converter.

Anahtar Kelimeler

• K-factor
• DC-DC converter
• Z-source
• Analog controller

Yeni Nesil Yüksek Gerilim Kazançlı ve İzoleli Z-Kaynak DA-DA Dönüştürücü için K-Faktör Tasarım Yöntemi ile Analog Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması

Öz

Bu çalışmada yeni nesil yüksek gerilim kazançlı ve izoleli Z-kaynak da-da dönüştürücü için K-faktör tasarım yöntemi kullanılarak analog kontrol devresi tasarımı ve uygulaması yapılmıştır. Kontrol devresi ile oluşturulan kapalı çevrim sistem giriş geriliminde ve yükte belirli sınırlar içerisinde değişim meydana gelmesine rağmen dönüştürücü çıkışında sabit çıkış gerilimi elde edilmesini sağlar. Kontrol devresini tasarlamak için kullanılan K-faktör tasarım yöntemi geri besleme devresinin tasarımını belirli bir matematiksel denklem akışı ile elde etmeyi sağlar. Kontrol devresi elemanlarını hesaplamak için kullanılan matematiksel yöntem kapalı çevrim sistemin güvenilirliğini arttırmaktadır. Bu çalışmada ilk olarak K-faktör tasarım yöntemi ile yeni nesil bir Z-kaynak da-da dönüştürücü topolojisinin kapalı döngü denetiminin teorik çalışması yapılmıştır. İkinci olarak PLECS de teorik çalışma sonuçları benzetim çalışması yapılarak incelenmiştir. Son olarak deneysel çalışma da yapılarak benzetim sonuçları ve deneysel sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak deneysel çalışma sonuçlarının %1 hata payı ile benzetim çalışması sonuçlarını doğrulaması yeni nesil bir da-da dönüştürücü için güvenilir bir kontrol yönteminin altyapısını oluşturmuştur.

Anahtar Kelimeler

• K-faktör
• DA-DA dönüştürücü
• Z-kaynak
• Analog denetleyici

Kaynakça

1. Referans 1 Soheli S.N., Sarowar G., Hoque A., Hasan S., “Design and Analysis of a DC-DC Buck Boost Converter to Achieve High Efficiency and Low Voltage Gain by using Buck Boost Topology into Buck Topology”, International Conference on Advancement in Electrical and Electronic Engineering (ICAEEE), Bangladesh, 1-4, (2018), DOI: 10.1109/ICAEEE.2018.8643001.
2. Referans 2 Wu T., Chen Y., “Modeling PWM DC/DC Converters Out of Basic Converter Units”, IEEE Transactions on Power Electronics, 13(5): 870-881, (1998), DOI: 10.1109/63.712294.
3. Referans 3 Hendawi E., Salem M.M., “A New Simple High Performance Control Method for DC-DC Converters”, Eighteenth International Middle East Power Systems Conference (MEPCON), Egypt, 288-292, (2016), DOI:10.1109/MEPCON.2016.7836904.
4. Referans 4 Evran F., “Yüksek Gerilim Kazançlı Kuplajlı Endüktör Kullanan Z-Girişli DA-DA Dönüştürücü Topolojileri”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, (2012).
5. Referans 5 Evran F., Aydemir M.T., “A Coupled-Inductor Z-Source Based Dc-Dc Converter With High Step Up Ratio Suitable For Photovoltaic Applications”, 3rd IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), Denmark, 647-652, (2012), DOI: 10.1109/PEDG.2012.6254071.
6. Referans 6 Evran F., Aydemir M.T.,” Isolated High Step-Up DC–DC Converter With Low Voltage Stress”, IEEE Transactions on Power Electronics, 29(7): 3591-3603, (2014), DOI: 10.1109/TPEL.2013.2282813.
7. Referans 7 Demirtaş M., Akkoyun N., Akkoyun E., Çetinbaş İp., “Akıllı Şebekelerde Güneş Enerjisi Üretiminin Zamana Bağlı Olasılıksal Tahmini”, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 7(2): 411-424, (2019).
8. Referans 8 Tür M.R., Yaprakdal F., “Yenilenebilir Enerji Kaynaklarına Dayalı Bir Sistemde Güç Kalitesinin İncelenmesi”, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 8(3): 572-587, (2020).

9. Referans 9 Pashaei A., Haque M.T., Alizadeh S., “Control of Output Voltage of Simple DC-DC Converters”, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, UK, 1-5, (2006), DOI: 10.1109/VPPC.2006.364314.
10. Referans 10 Jeung Y., Choi I., Lee D., “Robust Voltage Control of Dual Active Bridge DC-DC Converters using Sliding Mode Control”, IEEE 8th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC-ECCE Asia), China, 629-634, (2016), DOI: 10.1109/IPEMC.2016.7512358.
11. Referans 11 Sharma K., Palwalia D.K., “Robust Controller Design for DC-DC Converters Using Fuzzy Logic”, 4th International Conference on Signal Processing, Computing and Control (ISPCC), India, 477-481, (2017), DOI: 10.1109/ISPCC.2017.8269726.
12. Referans 12 Kurokawa F., Maruta H., Mizoguchi T., Nakamura A., Osuga H., “A New Digital Control DC-DC Converter with Multi–layer Neural Network Predictor”, International Conference on Machine Learning and Applications, USA, 638-643, (2009), DOI: 10.1109/ICMLA.2009.106.
13. Referans 13 Mechernene A., Alaoui L.C., Zerikat M., Benharir N., Benderradji H., “VGPI Controller for High Performance Speed Tracking of Induction Motor Drive”, International Conference on Systems and Control, Algeria, 472-477, (2013), DOI: 10.1109/ICoSC.2013.6750901.
14. Referans 14 Das R., UddinChowdhury A., “PI Controlled Bi-Directional DC-DC Converter (BDDDC) and Highly Efficient Boost Converter for Electric Vehicles”, International Conference on Electrical Engineering and Information Communication Technology (ICEEICT), Bangladesh, 1-5, (2016), DOI: 10.1109/CEEICT.2016.7873094.
15. Referans 15 Inoue S., Akagi H., “Voltage Control of a Bi-Directional Isolated DC/DC Converter for Medium-Voltage Motor Drives”, Power Conversion Conference, Japan, 1244-1250, (2007), DOI: 10.1109/PCCON.2007.373125.
16. Referans 16 Li H., Ye X., “Sliding-Mode PID Control of DC-DC Converter”, IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, Taiwan, 730-734, (2010), DOI: 10.1109/ICIEA.2010.5516952.
17. Referans 17 Vangari A., Haribabu D., Sakamuri J.N., “Modeling and Control of DC/DC Boost Converter using K-Factor Control for MPPT of Solar PV System”, International Conference on Energy Economics and Environment (ICEEE), India, 1-6, (2015), DOI: 10.1109/EnergyEconomics.2015.7235087.
18. Referans 18 Prasad P.H.K., Rao M.V.G., “Control of DC-DC Converters”, International Journal of Electrical Engineering, 4(1): 131-141, (2011).
19. Referans 19 Mohan N., Undeland T.M., Robbins W.P., “Power Electronics Converters, Applications and Design”, Control of Switch-Mode dc Power Supplies, John Wiley&Sons Inc., Third Edition, (2003).
20. Referans 20 Venkataramana S., “Small Signal Modeling of Non-Isolated High Gain DC-DC converter”, International Conference for Emerging Technology (INCET), India, 1-5, (2020), DOI: 10.1109/INCET49848.2020.9154171.
21. Referans 21 Ramchandra D.S., Sreedevi V.T., “Small Signal Analysis and Closed Loop Control Design of Z-source DC-DC Chopper”, International Conference on Advances in Recent Technologies in Communication and Computing, India, 424-430, (2013), DOI: 10.1049/cp.2013.2192.
22. Referans 22 D’Amico M.B., Gonzalez S.A., “A small-signal averaged model of a coupled-inductor boost converter”, IEEE 8th Latin American Symposium on Circuits & Systems (LASCAS), Argentina, 1-4, (2017), DOI: 10.1109/LASCAS.2017.7948090.
23. Referans 23 Liu J., Hu J., Xu L., “Dynamic Modeling and Analysis of Z SourceConverter—Derivation of AC Small Signal Model and Design-Oriented Analysis”, IEEE Transactions on Power Electronics, 22(5): 1786-1796, (2007), DOI: 10.1109/TPEL.2007.904219.
24. Referans 24 Muhamad N.D., Sahid M.R., Yatim A.H.M., Idris N.R.N., Ayob M.S., “Design of Power Stage and Controller for DC-DC Converter Systems Using PSPICE”, International Conference on Power Electronics and Drives Systems, Malaysia, 903-908, (2005), DOI: 10.1109/PEDS.2005.1619816.
25. Referans 25 Das M., Agarwal V., “Generalized Small Signal Modeling of Coupled Inductor Based High Gain, High Efficiency DC-DC Converters”, IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), USA, 2691-2695, (2015), DOI: 10.1109/APEC.2015.7104731.
26. Referans 26 Das M., Agarwal V., “Generalized Small Signal Modeling of Coupled-Inductor-Based High-Gain High-Efficiency DC–DC Converters”, IEEE Transactions on Industry Applications, 53(3): 2257-2270, (2017), DOI: 10.1109/TIA.2017.2657488.