Investigation and improvement of the smooth mode transition technique for quasi-single-stage four-switch buck-boost inverter

Abstract

In recent decades, given the world's inevitable energy scarcity, increasing energy demand and green energy concerns, high efficiency energy conversion has become more important and attractive than ever, and researchers have directed their interest to energyefficient converters. Inverters are a commonly utilized type of converter, which can be classified into two categories: single and two-stage inverters. Considering the inherent drawbacks of traditional inverters, a quasi-single-stage inverter (QSSI) has emerged. The QSSI uses a DC-DC converter to shape the rectified version of the desired AC waveform in the first stage and, in the second stage, it switches only once to alternate the polarity. It stands forward in terms of efficiency, control simplicity, and system stability. Among QSSI, a non-inverting buck-boost converter has drawn attention due to its capability to perform both step-up and down modes and its bidirectional power transfer feature. In the first stage of the QSS non-inverting buck-boost converter; smooth transitions between the buck and boost modes and efficient conversion cannot be achieved by the traditional two-mode control method when the output voltage level is close to the input voltage level due to various limitations, non-idealities, and disturbances. Many methods have been applied and studied in the literature to minimize or eliminate the effects of the region which is called the “dead zone”. In this thesis study, further efficiency and THD improvement for the QSSI is targeted by employing a four-mode control method. The study incorporates a comparative study of the dead zone effects on inverter systems, which have not been previously documented in the literature. Moreover, it places a priority on optimizing efficiency and minimizing distortion in various applications— ranging from motor control and solar energy systems to grid-tied wind turbines and switched-mode power supplies—by comparing existing methods with open-loop voltage control. In conclusion, the theoretical results are verified with experimental studies.

Son yıllarda, dünyanın kaçınılmaz enerji kıtlığı, artan enerji talebi ve yeşil enerji kaygıları dikkate alındığında, yüksek verimli enerji dönüşümü her zamankinden daha önemli ve çekici hale geldi ve araştırmacılar ilgilerini enerji verimli dönüştürücülere yönelttiler. Eviriciler, enerji dönüşümünde yaygın olarak kullanılan bir dönüştürücü türüdür ve tek ve iki kademeli evirici olarak iki kategoriye ayrılabilir. Geleneksel eviricilerin doğasından gelen dezavantajları hesaba katılarak, yarı-tek aşamalı evirici (YTAE) ortaya çıkmıştır. YTAE, ilk aşamada doğrultulmuş AC dalgayı şekillendirmek için DC-DC dönüştürücü kullanır ve ikinci aşamada sadece bir kez anahtarlayarak polariteyi değiştirir. Verimlilik, kontrol basitliği ve sistem kararlılığı açısından öne çıkar. YTAE’ler içinde hem yükseltme hem de alçaltma modlarını gerçekleştirme yeteneği ve çift yönlü güç transfer özelliği nedeniyle, terslemeyen alçaltıcı-yükseltici dönüştürücü ilgi çekmektedir. YTA terslemeyen alçaltıcı-yükseltici dönüştürücünün ilk aşamasında, çıkış gerilim seviyesi giriş gerilim seviyesine yakın olduğu yerlerde, pals doluluk oranı sınırlamaları, ideal olmayan durumlar ve aktif ve pasif bileşenlerdeki çeşitli bozukluklardan kaynaklı geleneksel iki-mod kontrol yöntemiyle pürüzsüz geçiş ve verimli dönüşüm sağlanamaz. “Ölü bölge” olarak adlandırılan bu kısmın etkilerini en aza indirmek ya da ortadan kaldırmak için literatürde birçok yöntem uygulanmış ve incelenmiştir. Bu tez çalışmasında, YTAE için daha yüksek verimlilik ve düşük THD iyileştirmesi, dört-mod kontrol yöntemi kullanılarak hedeflenmektedir. Çalışma, daha önce literatürde belgelenmemiş olan evirici sistemlerindeki ölü bölge etkilerinin karşılaştırmalı bir çalışmasını içerir. Ayrıca, mevcut yöntemleri açık-çevrim gerilim kontrolü ile karşılaştırarak, motor kontrolünden güneş enerjisi sistemlerine, şebekeye bağlı rüzgâr türbinlerinden anahtarlamalı güç kaynaklarına kadar çeşitli uygulamalarda verimliliği optimize etmeyi ve bozulmayı en aza indirmeyi öncelikli bir konu olarak ele alır. Sonuç kısmında, deneysel çalışmalar ile ortaya koyulan teorik sonuçlar doğrulanır.