This paper introduces a bidirectional full-bridge converter with new active damp structure. The proposed active damp circuit can damp the oscillating voltage across the rectifier diodes with a smaller voltage stress of the damping capacitor and eliminate the circulating current. In addition, the proposed converter can achieve additional advantages such as nearly ZCS switching for leading-leg switches and no recovery current for rectifier-bridge by the suitable design of the damp capacitor to resonate with leakage inductor. Since the ZVS is achieved for both leading-leg and lagging-leg switches by the magnetizing current of the transformer, it can be achieved regardless of the load variation. A 3.3 kW prototype converter is implemented for vehicle-to-grid (V2G) application and the advantages of the proposed converter are verified by the experiments. The maximum efficiencies of 98.2% and 97.6% have been achieved for the buck mode and boost mode operation, respectively.
This paper proposes a soft-switching bidirectional dc-dc converter (BDC) with an auxiliary circuit. The proposed BDC can achieve the zero-voltage switching (ZVS) using an auxiliary circuit in the buck and boost operations. The auxiliary circuit supplies optimal energy for the ZVS operation of the main switches. The auxiliary circuit consists of a resonant inductor, a back-to-back switch and two capacitors. A small-sized resonant inductor and an auxiliary switch with a low-rated voltage can be used in the auxiliary circuit. Zero-current switching (ZCS) turn-on and turn-off of the auxiliary switches are possible. The proposed soft-switching scheme has a look-up table for optimal switching of the auxiliary switches. The proposed strategy properly adjusts the turn-on time of the auxiliary switch according to the load current. The proposed BDC is verified by the results of PSIM simulations and experiments on a 3-kW ZVS BDC system.
DC/DC switching power converters are commonly used to generate a regulated DC output voltages with high efficiencies from different DC input sources. The voltage mode DC/DC converter utilizes MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor), inductor, and a PWM (pulse-width modulation) controller with oscillator, amplifier, and comparator, etc. to efficiently transfer energy from the input to the output at periodic intervals. The fundamental boost converter and a buck converter containing a switched-mode power supply are studied. In this paper, the electrical characteristics of DC/DC power converters are simulated by program of SPICE, and the PWM controller is implemented to check the operation. In addition, power efficiency is analyzed based on the specification of each component.
On the basis of the traditional ZSI (Z-source inverter), this paper presents a ESL-${\Gamma}$-ZSI, which uses a unique ${\Gamma}$-shaped impedance network and an extended SL network for boosting its output voltage in addition to their usual voltage-buck behavior. The inverter can increase the boost factor through adjusting shoot-through duty ratio and increasing the number of inductors. Capacitor voltage stress of ESL-${\Gamma}$-ZSI is a constant when 1>D>0, and ESL-${\Gamma}$-ZSI has small inductor current stress. The working principle of ESL-${\Gamma}$-ZSI and comparison with the classical ZSI and SL- ZSI are analyzed in detail. The power loss comparison between ESL-${\Gamma}$-ZSI and Cuk converter is analyzed detailedly. Simulation and experimental results are given to demonstrate the operation features of the inverter.
In this paper, a unified control strategy using the current space vector modulation (CSVM) technique is proposed and applied to a bidirectional three-phase DC/AC converter. The operation of the converter changes with the direction of the power flow. In the charging mode, it works as a buck type rectifier; and during the discharging mode, it operates as a boost type inverter, which makes it suitable as an interface between high voltage AC grids and low voltage energy storage devices. This topology has the following advantages: high conversion efficiency, high power factor at the grid side, tight control of the charging current and fast transition between the charging and discharging modes. The operating principle of the mode analysis, the gate signal generation, the general control strategy and the transition from a constant current (CC) to a constant voltage (CV) in the charging mode are discussed. The proposed control strategy has been validated by simulations and experimental results obtained with a 1kW laboratory prototype using supercapacitors as an energy storage device.
A family of non-isolated DC-DC three-port converters (TPCs) that allows for a more flexible power flow among a renewable energy source, an energy storage device and a current-reversible DC bus is introduced. Most of the reported non-isolated topologies in this area consider only a power consuming load. However, for applications such as hybrid-electric vehicle braking systems and DC microgrids, the load power generating capability should also be considered. The proposed three-port family consists of one unidirectional port and two bi-directional ports. Hence, they are well-suited for photovoltaic (PV)-battery-DC bus systems from the power flow viewpoint. Three-port converters are derived by combining different commonly known power converters in an integrated manner while considering the voltage polarity, voltage levels among the ports and the overall voltage conversion ratio. The derived converter topologies are able to allow for seven different modes of operation among the sources and load. A three-port converter which integrates a boost converter with a buck converter is used as a design example. Extensions of these topologies by combining the soft-switching technique with the proposed design example are also presented. Experiment results are given to verify the proposed three-port converter family and its analysis.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.24
no.4
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pp.279-285
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2019
This study proposes an enhanced switching pattern that can improve energy transfer efficiency in an active cell-balancing circuit using a multiwinding transformer. This balancing circuit performs cell balancing by transferring energy stored in a specific cell with high energy to another cell containing low energy through a multiwinding transformer. The circuit operates in flyback and buck-boost modes in accordance with the energy transfer path. In the conventional flyback mode, the leakage inductance of the transformer and the stray inductance component of winding can transfer energy to an undesired path during the balancing operation. This case results in cell imbalance during the cell-balancing process, which reduces the energy transfer efficiency. An enhanced switching pattern that can effectively perform cell balancing by minimizing the amount of energy transferred to the nontarget cells due to the leakage inductance components in the flyback mode is proposed. Energy transfer efficiency and balancing speed can be significantly improved using the proposed switching pattern compared with that using the conventional switching pattern. The performance improvements are verified by experiments using a 1 W prototype cell-balancing circuit.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.25
no.1
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pp.82-91
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2017
This paper is a study on the bi-directional DC-DC converter, one of the key elements of 48V-12V dual systems in mild hybrid electric vehicles. Mild hybrid electric vehicles require a bi-directional DC-DC converter that can efficiently transmit power in two directions between a 48V battery and a 12V battery. To develop a bi-directional DC-DC converter with better price competitiveness, upgraded fuel economy, excellent performance and smaller size, this study designed, produced and presented a circuit that improved on the existing one. In the proposed 8-phase bi-directional DC-DC converter, the size of the passive element was reduced through the 8-phase interleaved topology, whereas downscaling had previously posed a difficulty. This study also designed and produced a 2.5kW class prototype. Based on the proposed 8-phase interleaved topology, a size of 227.5 (W) * 172 (L) * 64.35 (H) was achieved. In the boost mode operation and buck operation modes, the maximum efficiency was recorded at 94.04 % and 95.78 %, respectively.
Kim, Seung-Min;Choi, Ju-Yeop;Choy, Ick;Song, Seung-Ho;Lee, Sang-Cheol;Lee, Dong-Ha
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.18
no.1
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pp.45-53
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2013
Fuel cell power system is one of the most promising energy source for the alternative energy because it has unique advantages such as high energy density, no power drop during operation, and feasible to make compact size. However, due to very low response time, fuel cell is difficult to correspond to drastic load changes and start-up operation. For solving these problem, fuel cell power system must include energy storage device such as Li-Poly battery or super capacitor. Therefore, bi-directional DC-DC converter must be required for this storage device and fuel cell-PCS control. This paper presents a design and modeling of the bi-directional DC/DC converter. Firstly, we present modeling the boost and buck mode of the bi-directional converter through both PWM switch model and state space averaging technique. Secondly, in order to minimize output ripple and transient response overshoot, we have two identical DC-DC converters interleaved and adopt two-loop voltage-current controller. The proposed bi-directional DC-DC converter's modeling method and control design have been verified with computer simulation and experimentation.
Zhang, Yun;Gao, Yongping;Li, Jing;Sumner, Mark;Wang, Ping;Zhou, Lei
Journal of Power Electronics
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v.16
no.6
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pp.2035-2044
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2016
In order to match the voltages between high voltage battery stacks and low voltage super-capacitors with a high conversion efficiency in hybrid energy sources electric vehicles (HESEVs), a high ratio bidirectional DC-DC converter with a synchronous rectification H-Bridge is proposed in this paper. The principles of high ratio step-down and step-up operations are analyzed. In terms of the bidirectional characteristic of the H-Bridge, the bidirectional synchronous rectification (SR) operation is presented without any extra hardware. Then the SR power switches can achieve zero voltage switching (ZVS) turn-on and turn-off during dead time, and the power conversion efficiency is improved compared to that of the diode rectification (DR) operation, as well as the utilization of power switches. Experimental results show that the proposed converter can operate bidirectionally in the wide ratio range of 3~10, when the low voltage continuously varies between 15V and 50V. The maximum efficiencies are 94.1% in the Buck mode, and 93.6% in the Boost mode. In addition, the corresponding largest efficiency variations between SR and DR operations are 4.8% and 3.4%. This converter is suitable for use as a power interface between the battery stacks and super-capacitors in HESEVs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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