References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2024.01.062-074

alternative-2350

Research Article

I. ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 8. Энергокомплексы на основе ВИЭ

I. RENEWABLE ENERGY. 8. Energy of biomass

Энергоэффективные регуляторы напряжения альтернативных источников на основе повышающих конденсаторных DC-DC преобразователей

Energy-efficient DC-DC regulators based on resonant structures with switched capacitors

Зотов

Л. Г.

Zotov

L. G.

Зотов Леонид Григорьевич - д.т.н., профессор кафедры теоретических основ радиотехники,

630073, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Zotov Leonid -Dr. of Technical sciences, Prof., of the Theoretical Basis of Radio Engineering Department,

630073, Novosibirsk, K. Marx avenue, 20

zotovlg@mail.ru

Куратов

К. А.

Kuratov

K. A.

Куратов Константин Александрович - к.т.н., доцент кафедры конструирования и технологии радиоэлектронных средств,

630073, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Kuratov Konstantin - Ph. D. of Technical sciences, Associate professor of the Design and technology of electronic devices Department,

630073, Novosibirsk, K. Marx avenue, 20

kksan@ngs.ru

Большаков

И. М.

Bolshakov

I. M.

Большаков Иван Михайлович - аспирант кафедры теоретических основ радиотехники,

630073, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Bolshakov Ivan - graduate student of the Theoretical Basis of Radio Engineering Department,

630073, Novosibirsk, K. Marx avenue, 20

ivan_bolshakov_99@mail.ru

Новосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian Federation

2024

14052024

016274

2023

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/2350

Предложен новый принцип построения малогабаритных конденсаторных DC-DC регуляторов, обеспечивающих энергоэффективное преобразование и многозонное регулирование выходного напряжения альтернативных низковольтных источников энергии. Он заключается в поочередном изменении низковольтных поддиапазонов регулирования путем дискретного изменения количества резонансных цепочек, участвующих в преобразовании повышающего конденсаторного DC-DC преобразователя в сочетании с плавным изменением уровня заряда его первой цепочки маломощным классическим ШИМ регулятором постоянного напряжения. Улучшение энергетических свойств регулятора достигается многозонным регулированием и мягкой коммутацией транзисторов силовой цепи конденсаторного DC-DC преобразователя. Исследованы энергетические свойства предлагаемых DC-DC регуляторов. Показано, что с увеличением числа резонансных цепочек в составе конденсаторного DC-DC преобразователя, наблюдается тенденция роста КПД регулятора. Для рассмотренных в работе схем с классическими Buck и Boost ШИМ регуляторами получены и исследованы регулировочные характеристики и проведена сравнительная оценка их коэффициента полезного действия. Сравнительный анализ энергетических и конструктивных свойств показывает значительное упрощение на три полупроводниковых и два реактивных элемента, а также рост КПД, в среднем по диапазону регулирования на 1,5 % в схеме с Boost ШИМ регулятором.

The new principle of designing of small-sized capacitor DC-DC regulators providing energy-efficient conversion and multizone regulation of output voltage of the alternative low-voltage power supply sources is proposed. It consists in alternately changing the low-voltage sub-ranges regulation by discretely changing the number of resonant chains involved in the conversion of a step-up capacitor DC-DC converter combined with a smooth change of the charge level of its first chain by a classic low-power PWM DC voltage regulator. Improvement of the regulator energy characteristics is achieved by multi-zone regulation and soft switching of the power circuit transistors of the capacitor DC-DC converter. The energy properties of the proposed DC-DC regulators are examined. It is shown that with increasing the number of resonant chains in the capacitor DC-DC converter, there is a tendency of regulator efficiency growth. For the considered in this paper circuits with a classic Buck and Boost PWM regulators the regulating characteristics are obtained and investigated and their efficiency is comparatively evaluated. The comparative analysis of energy and design properties shows a significant simplification of the power circuit by three semiconductor and two reactive elements, and also an increase in efficiency, on average over the control range by 1,5 % in the circuit with Boost PWM regulator.

DC-DC преобразователиBuck и Boost ШИМ регуляторыШИМ-регулированиерезонансные структуры с переключаемыми конденсаторамиводородные топливные элементыальтернативные источники электроэнергииэнергетические показателимягкая коммутация

DC-DC convertersBuck and Boost PWM regulatorsPWM-regulatingresonant structures with switched capacitorshydrogen fuel cellsalternative power sourcesenergy performancesoft switching

References1

. Shi, M., Vasquez, J. C., Guerrero J. M. and Huang, Y. Smart communities – Design of integrated energy packages considering incentive integrated demand response and optimization of coupled electricitygas-cooling-heat and hydrogen systems / M. Shi, J. C. Vasquez, J. M. Guerrero, Y. Huang // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 80. – P. 31063-31077.

. Hassan, Q., Sameen, A. Z., Olapade, O., Alghoul, M., Salman H. M., Jaszczur, M. Hydrogen fuel as an important element of the energy storage needs for future smart cities / Q. Hassan, A. Z. Sameen, O. Olapade, M. Alghoul, H. M. Salman, M. Jaszczur // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 78. – P. 30247-30262.

. Hou, G., Xu, L., Taherian, H., Jiang, W., Song, Y. Performance analysis of a hybrid solar-hydrogenretired EV batteries (REVB) energy system with thermal-electrical loops / G. Hou, L. Xu, H. Taherian // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 72. – P. 27827-27840.

. Boynuegri, A. R., Tekgun, B. Real-time energy management in an off-grid smart home: Flexible demand side control with electric vehicle and green hydrogen production / A. R. Boynuegri, B. Tekgun // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 60. – P. 23146-23155.

. Torgaeva, D. S., Kabirov, V. A., Semenov, V. D., Akhtyrskiy, K. A., Otto, A. I. Construction of continuous simulation models of pulse converters of spacecraft electrical power systems with hydrogen energy storage / D. S. Torgaeva, V. A. Kabirov, V. D. Semenov, K. A. Akhtyrskiy, A. I. Otto // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 49. – P. 18918-18929.

. Kabirov, V. A., Semenov, V. D., Torgaeva, D. S., Otto, A. I. Miniaturization of spacecraft electrical power systems with solar-hydrogen power supply system / V. A. Kabirov, V. D. Semenov, D. S. Torgaeva, A. I. Otto // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 24. – P. 9057-9070.

. Bahri, R., Zeynali, S., Nasiri, N., Keshavarzi, M. R. Economic-environmental energy supply of mobile base stations in isolated nanogrids with smart plug-in electric vehicles and hydrogen energy storage system / R. Bahri, S. Zeynali, N. Nasiri, M. R. Keshavarzi // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48, iss. 10. – P. 3725-3739.

. Андреев, М. В., Бай, Ю. Д., Малюта, Б. Д. Новая методика настройки релейной защиты энергосистем, содержащих возобновляемые источники энергии и водородные накопители энергии / М. В. Андреев, Ю. Д. Бай, Б. Д. Малюта // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2023. – № 3. – С. 69-92.

. Andreev, M. V., Bai, YU. D., Malyuta, B. D. Novaya metodika nastroiki releinoi zashchity ehnergosistem, soderzhashchikh vozobnovlyaemye istochniki ehnergii i vodorodnye nakopiteli ehnergii / M. V. Andreev, YU. D. Bai, B. D. Malyuta // Al’ternativnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE). – 2023. – № 3. – S. 69-92.

. Елистратов В. В., Денисов Р. С. Развитие изолированных энергосистем на основе возобновляемых источников энергии и водородного аккумулирования / В. В. Елистратов, Р. С. Денисов // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE– 2023. – № 1. – С. 12-22.

. Elistratov V. V., Denisov R. S. Razvitie izolirovannykh ehnergosistem na osnove vozobnovlyaemykh istochnikov ehnergii i vodorodnogo akkumulirovaniya / V. V. Elistratov, R. S. Denisov // Al’ternativnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE– 2023. – № 1. – S. 12-22.

. Hossain, M. B., Islam, M. R., Muttaqi, K. M., Sutanto, D., Agalgaonkar, A. P. Modeling and performance analysis of renewable hydrogen energy hub connected to an ac/dc hybrid microgrid / M. B. Hossain, M. R. Islam, K. M. Muttaqi, D. Sutanto, A. P. Agalgaonkar // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, iss. 66. – P. 28626-28644.

. Ahmadi, P., Khoshnevisan, A. Dynamic simulation and lifecycle assessment of hydrogen fuel cell electric vehicles considering various hydrogen production methods / P. Ahmadi, A. Khoshnevisan // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, iss. 62. – P. 26758-26769.

. Dhimish, M., Schofield, N. Single-switch boost-buck DC-DC converter for industrial fuel cell and photovoltaics applications / M. Dhimish, N. Schofield // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – Vol. 47, iss. 2. – P. 1241-1255.

. Lin, R., Zhao, Y., Wu, B. Toward a hydrogen society: Hydrogen and smart grid integration / R. Lin, Y. Zhao, B. Wu, // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, iss. 39. – P. 20164-20175.

. Шульга, Р. Н., Путилова, И. В. Мультиагентные системы постоянного тока с использованием ВИЭ и водородных топливных элементов / Р. Н. Шульга, И. В. Путилова // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – № 4-6. – С. 65-82.

. Shul’ga, R. N., Putilova, I. V. Mul’tiagentnye sistemy postoyannogo toka s ispol’zovaniem VIEH i vodorodnykh toplivnykh ehlementov / R. N. Shul’ga, I. V. Putilova // Al’ternativnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE). – 2019. – № 4-6. – S. 65-82.

. Манусов, В. З., Хасанзода, Н. Оптимизация энергоэффективности ветровых ресурсов Дальнего Востока на основе алгоритма роевого интеллекта / В. З. Манусов, Н. Хасанзода // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2018. – № 19-21. – С. 12-22.

. Manusov, V. Z., Khasanzoda, N. Optimizatsiya ehnergoehffektivnosti vetrovykh resursov Dal’nego Vostoka na osnove algoritma roevogo intellekta / V. Z. Manusov, N. Khasanzoda // Al’ternativnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE). – 2018. – № 19-21. – S. 12-22.

. Son, G. -J., Kang, F. -S., Park, S. -J. Grid Connection Using a Structure That Combines a Buck Converter and a Push-Pull Converter to Reduce the Low-Frequency Current Ripple of the Fuel-Cell / G. -J. Son, F. -S. Kang, S. -J. Park // IEEE Access. – 2022. – Vol. 10. – P. 95804-95823.

. Janabi, A., Wang, B. Switched-capacitor voltage boost converter for electric and hybrid electric vehicle drives / A. Janabi, B. Wang // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2020. – Vol. 35, iss. 6. – P. 5615- 5624.

. Mack, R. Demystifying switching power supplies / R. Mack. – Newnes, 2005. –339 p.

. Erickson, R. W. Fundamentals of Power Electronics. 2ed / R. W. Erickson, D. Maksimovic. – Springer, 2001. – 904 p.

. Erickson, R.W., Maksimovic, D. Fundamentals of Power Electronics. 2ed / R. W. Erickson, D. Maksimovic. – Springer, 2001. – 904 p.

. Muntean, C., Astudillo, M., Serrano, D., Vasić, M. Capacitive-Based Isolated 1:1 Resonant Switched Capacitor DC–DC Converter / C. Muntean, M. Astudillo, D. Serrano, M. Vasić // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2023. – Vol. 38, no. 11. – P. 13507-13520.

. Li, Y., Wang, Y., Guan, Y., Xu, D. Design and Optimization of High-Gain Bidirectional DC– DC Converter for Electric Vehicles, / Y. Li, Y. Wang, Y. Guan, D. Xu // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2023. – Vol. 38, no. 9. – P. 11221-11232.

. Ellis, N. M., Amirtharajah, R. Large Signal Analysis on Variations of the Hybridized Dickson Switched-Capacitor Converter / N. M. Ellis, R. Amirtharajah // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2022. – Vol. 37, no. 12. – P. 15005-15019.

. Li, Y., Wei, M., Lyu, X., Ni, Z., Cao, D. Analysis and Design of High-Efficiency Modular Multilevel Resonant DC-DC Converter / Y. Li, M. Wei, X. Lyu, Z. Ni, D. Cao // IEEE Open Journal of Power Electronics. – 2022. – Vol. 3. – P. 755-771.

. Folmer, S., Stala, R. DC-DC High Voltage Gain Switched Capacitor Converter With Multilevel Output Voltage and Zero-Voltage Switching / S. Folmer, R. Stala // IEEE Access. – 2021. – Vol. 9. – P. 129692- 129705.

. Krstic, M., Eren, S., Jain, P. Analysis and Design of Multiphase, Reconfigurable SwitchedCapacitor Converters / M. Krstic, S. Eren, P. Jain // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. – 2020. – Vol. 8, no. 4. – P. 4046-4059.

. Krstic, M., Eren, S., Jain, P. Analysis and Design of Multiphase, Reconfigurable Switched-Capacitor Converters / M. Krstic, S. Eren, P. Jain // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. – 2020. – Vol. 8, no. 4. – P. 4046-4059.

. Ye, Z., Lei, Y., Pilawa-Podgurski, R. C. N. The Cascaded Resonant Converter: A Hybrid SwitchedCapacitor Topology With High Power Density and Efficiency / Z. Ye, Y. Lei, R. C. N. Pilawa-Podgurski // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2020. – Vol. 35, no. 5. – P. 4946-4958.

. Zotov, L. G., Razinkin, V. P., Atuchin, V. V. Controllable electronic transformer based on the resonance structure with switching capacitor for low-rise buildings residential area power supply stabilization systems / L. G. Zotov, V. P. Razinkin, V. V. Atuchin // International Journal of Electrical Power and Energy Systems. – 2017. – Vol. 91. – P. 117–120.

. Пат. 2734101 Российская Федерация, МПК H 02 M 3/18. Регулируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения / Зотов Л. Г.; заявитель и патентообладатель Новосибирский государственный технический университет. – № 2020117224; заявл. 26.05.2020; опубл. 13.10.20, Бюл. № 29. – 8 с.

. Pat. 2734101 Rossiiskaya Federatsiya, MPK H 02 M 3/18. Reguliruemyi povyshayushchii preobrazovatel’ postoyannogo napryazheniya / Zotov L.G.;zayavitel’ i patentoobladatel’ Novosibirskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet. – №2020117224; zayavl. 26.05.2020; opubl. 13.10.20, Byul. № 29. – 8 s.

. Кобзев, А. В. Модуляционные источники питания РЭА / А. В. Кобзев, Г. Я. Михальченко, Н. М. Музыченко. – Томск: Радио и связь, 1990. – 336 с.

. Kobzev, A. V. Modulyatsionnye istochniki pitaniya REHA / A. V. Kobzev, G. YA. Mikhal’chenko, N. M. Muzychenko. – Tomsk: Radio i svyaz’, 1990. – P. 336

. Пат. 2 746 272 Российская Федерация, МПК H 02 M 3/18. Способ регулирования выходного напряжения повышающего преобразователя постоянного напряжения / Зотов Л. Г.; заявитель и патентообладатель Новосибирский государственный технический университет. – № 2020135310; заявл. 28.10.2020; опубл. 12.04.21, Бюл. № 11. – 11 с.

. Pat. 2 746 272 Rossiiskaya Federatsiya, MPK H 02 M 3/18. Sposob regulirovaniya vykhodnogo napryazheniya povyshayushchego preobrazovatelya postoyannogo napryazheniya / Zotov L. G.; zayavitel’ i patentoobladatel’ Novosibirskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet. – №2020135310; zayavl. 28.10.2020; opubl. 12.04.21, Byul. № 11. – 11 s.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.