I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv S y s t em s   ( I J P E DS)   Vo l.  1 6 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 2 5 ,   p p .   3 5 5 ~ 3 6 8   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 6 . i1 . p p 3 5 5 - 368         355     J o ur na l ho m ep a g e :   h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Power  factor co rr ection con v ert ers  o v ervi ew  with  PS IM   sim ula tion - ba sed  sy stema tic  co ntro l desig n f o the  t o tem - po le  topo lo g y       M a j d G ha zi  B a t a rseh,  Ra j a ie  Na s s a r,   Z a id Adwa n,   I bra him   Abui s hm a is   El e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   D e p a r t m e n t ,   P r i n c e ss S u m a y a   U n i v e r si t y   f o r   Te c h n o l o g y ,   A mm a n ,   Jo r d a n       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   6 ,   2 0 2 4   R ev is ed   No v   5 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   No v   2 8 ,   2 0 2 4       Th e   n e e d   fo p o we fa c to c o rre c ti o n   (P F C)  is i n e v it a b le d u e   t o   th e   d isto rti o n   o th e   su p p ly   c u rre n th a re su lt f ro m   th e   wid e ly   u se d   sw it c h e d   m o d e   p o we su p p l ies   (S M P S s).  Th is   p a p e r   first   in tr o d u c e th e   e ffe c ts  o S M P S s   o n   t h e   g r id   a n d   th e   c o n c e p o P F C ,   fo l lo we d   b y   a   re v iew   o th e   d iffere n wa y t o   a c h iev e   th is  c o rre c ti o n .   Du e   t o   it s   n u m e ro u b e n e fit s,  t h e   to tem - p o le  t o p o lo g y   is   c h o se n .   c o m p lete   d e sig n   o a   t o tem - p o le  p o we fa c to r   c o rre c ti o n   (TP P F C)   c o n v e rter  f o u n iv e rsa u se   is  d e m o n stra ted   wit h   t h e   a id   o t h e   P S I M   so ftwa re   a n d   it S m a rtCt rl  t o o fo a   ste p - by - ste p   d e sig n ,   a c h ie v in g   a   sim u lat e d   p o we fa c to (P F )   a h ig h   a 0 . 9 9 9 8 4   fo n o rm a fu ll   lo a d i n g   a n d   a   sin u s o id a l   in p u t   c u rre n with   a   to tal  h a rm o n ic  d ist o rti o n   (THD)  a lo a 1 . 8 0 3 8 % .   Th is  wo rk   is  th e   f irst  c o m p lete ,   c o n c ise ,   a n d   e a sy - to - fo ll o w   P S I M   sim u lat io n - b a se d   d e sig n   g u id e   f o th e   TP P F C   c o n v e rter.   K ey w o r d s :   Activ PF C   B r id g eless   PF C   GaN  t r an s is to r s   Po wer   f ac to r   co r r ec tio n   Sin g le - p h ase  PF C   T o tem   p o le  PF C   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ma jd   Gh az i Batar s eh   E lectr ical  E n g in ee r in g   Dep ar t m en t,  Prin ce s s   Su m ay Un iv e r s ity   f o r   T ec h n o lo g y   Kh alil A l - Sak et  St,  Am m an ,   J o r d an   E m ail:  m . b atar s eh @ p s u t.e d u . j o       1.   I NT RO D UCT I O N   T h d em an d   f o r   DC   lo ad s   lik PC s ,   lap to p s ,   elec tr o n ic  d ev ic es,  an d   h o m ap p lian ce s   is   r is i n g .   T h ese   lo ad s   o b tain   p o wer   f r o m   AC   m ain s   in   two   s tag es,  a s   s h o wn   in   Fig u r e   1 ( a) .   First,  AC   i s   r ec tifie d   in to   DC   u s in g   f u ll - wav b r id g e   r ec tifie r   a n d   th en   f ilter ed   with   a   ca p ac ito r   [ 1 ] .   T h e   s ec o n d   s tag e,   th DC - DC   s tag e,   u tili ze s   s witch es  to   ad ju s th v o ltag e   ac co r d i n g   to   th e   ap p licatio n .   T h ese  s u p p lies   ar e   r ef e r r ed   to   as  s witch ed - m o d e   p o wer   s u p p lies   ( SMPSs )   an d   b o ast  h ig h   ef f icien cies  th at  s u r p ass   9 0 %,  lead in g   to   th r ep lace m en o f   lin ea r ly   r eg u lated   p o wer   s u p p lies .   T h DC   lin k   in   SMPS,  C in ,   h el p s   m ain tain   t h o u tp u t   DC   v o l tag clo s to   th p ea k   v alu e   o f   th in p u t   v o ltag u n til  th e   n ex t   ch ar g in g   cy cle.   As  r esu lt,  th e   ca p ac ito r   ex p e r ien ce s   b r ief   m o m en ts   o f   h ig h   in p u v o ltag f o r   ch a r g in g .   T h is   ca u s es  cu r r en s p ik es  ar o u n d   th in p u v o ltag p ea k s ,   as  d ep icted   in   Fig u r 1 ( b ) .   T h n o n - s in u s o id al  n atu r o f   th is   in p u cu r r en t,  lead s   to   p o o r   p o wer   f ac to r   ( PF ) .   T h to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   o f   th e   in p u t c u r r en t ( T HDi)   in   Fig u r e   1 ( b )   is   1 8 4 %.   T h r elativ ely   lar g n u m b er   o f   SMPSs   u s ed   d aily   r ef lects  p o o r ly   o n   th p o wer   q u ality   an d   s tab ilit y   o f   th g r id .   T h e   r ed u ctio n   in   PF   d u to   th e   h ar m o n ic  c o n ten o f   t h d is to r ted   c u r r e n is   n o d esira b le  as  it  in cr ea s es  th cu r r en with d r awa f r o m   t h m ain s   f o r   th s am e   am o u n t   o f   r ea p o wer .   T h u s ,   th ese  s u p p lies   m u s co m p ly   with   in ter n atio n al  s tan d ar d s ,   s u ch   as  th I E C   6 1 0 0 0 3 2   an d   th I E E E - 5 1 9 ,   b ef o r co n n ec t in g   to   th g r id .   T h T HDi  m u s b less   th an   5 t o   co m p ly   with   th e   I E E E - 5 1 9   s tan d ar d   to   p r ev e n th e   c o n tin u o u s   r ed u ctio n   in   p o we r   q u ality   with   th in cr e ased   u s o f   SMPSs   an d   to   lim it th h ig h   h ar m o n ic  co n ten t g en e r ated .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   1 Ma r c h   20 25 355 - 368   356   I m p r o v in g   th PF   b y   d r awin g   s in u s o id al   cu r r e n in   p h ase   with   th e   v o ltag e   r ed u ce s   th h ar m o n i c   co n ten an d   en h an ce s   th p o we r   q u ality .   T h is   ca n   b r ea lized   t h r o u g h   p o we r   f ac to r   co r r ec tio n   ( PF C )   tech n iq u es,  wh ich   allev iate  th e   ef f ec ts   o f   p o o r   PF   o n   th g r i d .   T h is   wo r k   will  f o cu s   o n   th e   f ir s s tag o f   th ese  SMPSs ,   n am ely ,   tec h n iq u e   to   r ec tify   AC   s ig n als  in to   DC   q u an titi es  in   r elativ ely   h ar m less   way   to   th g r i d   co m p ar ed   to   th tr ad itio n ally   u s ed   b r i d g e   h ig h lig h ted   in   Fig u r 1 ( a ) .   PF C   tech n iq u es  ar class i f ied   in t o   p ass iv an d   ac tiv cir cu its ,   wh er p ass iv cir cu its   u s en er g y   s to r ag elem en ts   ( in d u cto r s   an d   ca p ac it o r s ) .   I n   co n tr ast,  ac tiv e   cir cu its   u tili ze   d if f er en p o w er   elec tr o n ic  to p o lo g ies  an d   co n tr o m eth o d s   to   co r r ec t h PF .   Activ PF C   tech n iq u es,  w h ich   will  b o v er v iewe d   in   th is   wo r k ,   ar p r ef er r ed   o v e r   p ass iv o n es  b ec a u s o f   th m u ch   h i g h e r   PF   ac h iev ed   an d   s m aller   cir c u itry   [ 1 ] .   Activ PF C   co n v er ter s   u tili ze   elec tr o n ic  elem en ts   with   f ee d b ac k   co n tr o l,  r eg u latin g   o u t p u v o ltag e   lev el  an d   co r r ec tin g   th PF   to   v alu v er y   clo s to   u n ity .   T h ey   ar s u itab le   f o r   h i g h - p o w er   ap p licatio n s   an d   ca n   o p er ate  ac r o s s   u n iv er s al  v o ltag in p u r an g e .   Usi n g   h ig h - f r eq u en cy   s witch in g ,   th ese  c o n v er ter s   s h ap t h cu r r en t to   th d esire d   s in u s o id al  f o r m ,   s ig n if ican tly   r ed u cin g   th eir   s ize  co m p ar ed   to   p ass iv tech n iq u es.  Ma n y   to p o lo g ies  a r u s ed   to   ac h iev e   ac tiv PF C ,   with   an d   with o u t   t h r ec tific atio n   b r i d g e,   as  in   co n v en tio n al   SMPSs ;   th ey   ar class if ied   in to   b r id g e d   an d   b r i d g eless   to p o lo g ies  [ 2 ] - [ 7 ] .   Fig u r 2   s h o ws  s o m o f   th m o s co m m o n   to p o lo g ies to   ac h iev ac tiv P FC .   T h to tem - p o le  t o p o lo g y   is   c h o s en   h er e   f o r   th e   d esig n   an d   s im u latio n   d u to   its   n u m er o u s   ad v an tag es   o v er   co n v en tio n al   b r i d g ed   PF C   to p o lo g ies  a n d   o th e r   b r id g e less   to p o lo g ies  [ 8 ] - [ 1 6 ] .   T h r est  o f   th p ap er   is   ar r an g e d   as  f o llo ws:   i)   Sectio n   2   p r o v i d es  b r ief   o v er v i ew  o f   th ac tiv PF C   to p o lo g ies,  p r esen ted   in     Fig u r 2 ,   with   em p h asis   o n   th r ec en tly   r e - em er g in g   t o tem - p o le  to p o lo g y   en ab le d   b y   ad v an ce m en ts   in   s tate - of - th e - a r g alliu m   n itrid ( GaN )   tr an s is to r s ;   ii)  Sectio n   3   o f f er s   s im p le  y et  th o r o u g h   s tep - b y - s tep   d esig n   g u i d e   f o r   T PP FC   co n v er ter   th at  is   ea s y   to   f o llo an d   im p lem en u s in g   th PS I s o f twar an d   t h Sm ar tC tr to o l iii)   I n   s ec tio n   4 ,   th e   p er f o r m a n ce   o f   th e   d esig n ed   T PP FC   co n v er ter   is   v alid ated   th r o u g h   s im u latio n   a n d   test e d   u n d er   d if f er en in p u v o ltag lev els  an d   lo ad in g   c o n d itio n s .   m o m en tar y   s h o r cir cu it  is   also   in tr o d u ce d   to   v er if y   th at  t h o u t p u v o ltag is   m ain tain ed   ab o v p r ed eter m in ed   lev el an d   v )   L astl y ,   th e   r e s u lts   ar d is cu s s ed ,   an d   co n clu s io n s   ar d r awn .           ( a)   ( b )     Fig u r e   1 .   T y p ical  SMPS :   ( a)   g en er al  p o wer   s u p p ly   ci r cu it d i ag r am   an d   ( b )   in p u cu r r e n t sp ik es v s   in p u v o ltag at  V in   2 3 0   V,   5 0   Hz           Fig u r e   2 .   Activ PF C   to p o lo g i es c lass if icat io n       2.   P O WE F AC T O CO RRE CT I O T O P O L O G I E S O V E RVI E W   T h ef f icien cy ,   p o wer   d en s ity ,   an d   ea s o f   co n tr o o f   AC - DC   p o wer   s u p p lies   ar co n tin u o u s ly   b ein g   ch allen g ed .   T h er ef o r e,   in   th is   s ec tio n ,   th d if f er e n PF C   to p o lo g ies  m en tio n ed   in   Fig u r e   2   a r b r ief ly   r e v iewe d   alo n g   with   d is cu s s io n   o f   th eir   p r o s   an d   co n s .   T h cir cu it  o f   ea ch   to p o l o g y   is   s h o wn   in     Fig u r 3 .   T h f ir s t to p o lo g y   to   b r ev iewe d   is   th tr a d itio n al  b r id g ed   PF C   to p o lo g y .                                                                                                                                                                     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       P o w er fa cto r   co r r ec tio n   co n ve r ters   o ve r v iew   w ith   P S I M si m u la tio n - b a s ed     ( Ma jd   G h a z i B a ta r s eh )   357       ( a)   ( b )       ( c)   ( d )     Fig u r 3 .   Dif f e r en t PFC   to p o l o g ies :   ( a)   b r i d g ed   c o n v e n tio n a l b o o s t,  ( b )   class ical  b r id g eless   b o o s t,    ( c)   d u al  b o o s t,  an d   ( d )   to tem - p o le       2 . 1 .     B ridg ed  P F C   T h m o s co m m o n   ac tiv PF C   cir cu it  is   th e   co n v en tio n al   b o o s PF C   s h o wn   i n   Fig u r e   3 ( a) ,   wh e r a   b o o s DC - DC   co n v er ter   is   co n n ec ted   in   s er ies with   th e   f u ll  b r id g d io d e   r ec tifie r .   T h e   r ea s o n   f o r   u s in g   a   b o o s co n v er ter   is   th in d u cto r   at  th e   in p u t,  wh ich   f ilter s   h ig h - f r e q u en cy   co m p o n e n ts   in   th in p u cu r r en t.  W h en   th e   s witch   is   c lo s ed ,   th in d u cto r   is   ch ar g ed   f r o m   th AC   m ain s   with   th in p u v o ltag ap p lied   ac r o s s   it  an d   p o s itiv lef t - s id p o lar ity .   W h en   th s witch   o p en s ,   th in d u ct o r   o p p o s es  th d ec r ea s i n   its   c u r r en b y   ch an g i n g     p o lar ity ,   a n d   to g eth er   with   th r ec tifie d   AC   in p u t,  c h ar g es  u p   th o u tp u t   ca p ac ito r ,   an d   t h o u tp u v o ltag is   b o o s ted   [ 2 ] .   T h is   PF C   m eth o d   is   w id ely   u s ed   f o r   its   s im p licity   an d   h ig h   P F,  r ea ch in g   u p   to   0 . 9 9 .   I n   ad d itio n ,   it  h as  less   co m m o n - m o d ( C M)   el ec tr o m ag n etic  in ter f er en ce   ( E MI )   co m p ar ed   to   o th er   b r i d g eless   to p o lo g ies.  Ho wev er ,   it  h as  s ig n if ican t   d r awb ac k s   co n ce r n in g   ef f ic ien cy ,   s ize,   a n d   c o s t.   C o m p ar ed   to   b r id g eless   to p o lo g ies,  th f u ll  b r id g r ec tifie r   in cu r s   m o r co n d u ctio n   lo s s es  d u to   th h ig h er   n u m b er   o f   d io d es  in   th co n d u ctio n   p ath   an d   th e   r el ativ ely   m o r c o m p o n en ts   u s ed h e n ce ,   it   h as   h ig h er   co s an d   l o wer     p o wer   d en s ity .   I n   ad d itio n ,   t h r ev er s e - r ec o v e r y   c h ar ac ter is tics   o f   th e   d io d es  in   th is   to p o l o g y   r esu lt  in   lo wer   ef f icien cy   [ 3 ] .     2 . 2 .     B ridg eless   P F C   T h p o o r   h ea m an a g em en o f   th b r id g e d   co n v en tio n al  b o o s PF C   m ak es  it  h ar d er   to   a ttain   h ig h   p o wer   d en s ities .   T h b r id g r ec tifie r   in   th b r id g e d   PF C   ci r cu its   r esu lts   in   2 - 3 lo s s es  o f   th o v er all  o u tp u t   p o wer   [ 4 ] .   B r id g eless   PF C   cir c u its   b ec am p o p u lar   b ec au s o f   th ab s en ce   o f   th in p u b r id g r ec tifie r ,   r esu ltin g   in   r ed u ce d   p o wer   lo s s es  d u to   th d ec r ea s o f   th e   o v e r all  co n d u ctio n   lo s s es  o f   th s em ico n d u cto r   d ev ices .   T h e   m ain   b r id g eless   PF C   to p o lo g i es in clu d e:     2 . 2 . 1 .   Cla s s ica bridg eles s   PFC   T h is   b asic  to p o lo g y   s h o wn   in   Fig u r e   3 ( b )   ca n   b e   d er iv e d   f r o m   th b r id g e   r ec tifie r   b y   r e p lacin g   th b o tto m   two   d io d es  with   MO SF E T   s witch es,  tak in g   ad v an ta g o f   t h eir   in tr in s ic  b o d y   d io d e,   an d   p lacin g   t h e   b o o s in d u cto r ,   L ,   at   th i n p u t   s id e .   I n   th e   p o s itiv h alf   c y cle ,   D 1   a n d   S 1   wo r k   to g eth er   as  a   b o o s co n v er ter   to   ch ar g an d   d is ch ar g th in d u c to r ,   with   th b o d y   d i o d o f   S 2   p r o v id i n g   th r etu r n   p ath   o f   th cu r r en t.  Similar ly ,   in   th n eg ativ h alf   c y cle,   D 2   an d   S 2   d o   th b o o s tin g   ac tio n   wh ile  th b o d y   d io d e   o f   S 1   p r o v id es  th r et u r n   cu r r en p ath .   T h co n d u ctio n   p ath   in   th b r id g eless   to p o lo g y   h as  two   s em ico n d u ct o r   d ev ices  co m p ar e d   to   th r ee   s em ico n d u cto r s   in   th co n v en tio n al  b o o s PF C .   T h is   r e s u lts   in   lo wer   v o ltag d r o p   in   th lin cu r r en p ath ,   in cr ea s ed   ef f icien cy   an d   r ed u ce d   th n u m b er   o f   c o m p o n en t s .   On   th o th er   h an d ,   th is   to p o lo g y   s u f f er s   f r o m   in cr ea s ed   C n o is co m p ar e d   to   th co n v en tio n al  b o o s PF C   [ 5 ] [ 6 ] .     2 . 2 . 2 .   Dua bo o s t   PFC   T o   r ed u ce   th C n o is e,   th class ical  b r id g eless - b o o s PF C ' s   to p o lo g y   is   m o d if ied   b y   a d d in g   two   s lo r ec o v er y   d io d es,  D 3   an d   D 4 ,   an d   an o th er   in d u cto r ,   L 2 ,   as  in   Fig u r e   3 ( c) .   T h is   ar r an g em en r ep lace s   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   1 Ma r c h   20 25 355 - 368   358   h ig h - f r eq u e n cy   p u ls atin g   v o lta g s o u r ce   with   lo w - f r eq u en c y   p ath   b etwe en   th ac   in p u an d   o u tp u ter m i n als,  r ed u cin g   th C n o is to   a   lev el  s im ilar   to   th co n v en tio n a b o o s PF C ,   b u th is   co m es  at   th ad d itio n al  co s an d   s ize  o f   th e   ex tr in d u cto r   an d   two   d io d es,  r ed u cin g   t h p o wer   d en s ity   o f   th co n v er ter   [ 7 ] .     2 . 2 . 3 .   T o t em - po le  PFC   T h to tem - p o le  PF C   ( T PP F C )   to p o lo g y   h as  s im p le  d esig n ,   as   s h o wn   in   Fig u r e   3 ( d ) .   T h is   to p o lo g y   is   s im ilar   to   th class ical  b r id g eless - b o o s PF C   b u with   th e   b o tto m   s witch   an d   o p p o s ite  d io d s wap p ed .   T h e      m       m     f     m    h    f        h       h                h                k                     f        h      h    ,        k           m                “     m -         ”  [ 4 ] .   T h e   T PP FC   to p o lo g y   h as  th e   leg   with   th e   d io d es  o p er atin g   at   lin f r eq u e n c y   an d   th e   s witch es  o p er atin g   at  h ig h   f r e q u en c y .   D u r in g   th p o s itiv h al f   cy cle   o f   th i n p u t   v o ltag e,   s witch   S 1   is   tu r n e d   o n   an d   o f f ,   an d   th d io d D 1   alwa y s   co n d u cts  th in p u cu r r e n t.  T h in p u in d u cto r   L ,   th s witch es  S 1   an d   S 2,   alo n g   with   th d io d D 1,   f o r m   ty p ical  b o o s co n v er ter S 1   ac ts   as   th ac tiv s witch ,   an d   th b o d y   d io d o f   S 2   as   th d io d o f   th b o o s co n v e r ter .   T h is   r e m ain s   tr u in   th n eg ativ cy c le,   with   S 1   an d   S 2   r ev er s in g   f u n ctio n ality   [ 8 ] [ 9 ] .   Fig u r es  4 ( a)   an d   4 ( b )   illu s tr ate  th c u r r en t   p ath s   d u r in g   t h p o s itiv h alf - cy cle   o f   th e   in p u v o ltag e,   wh ile   Fig u r es 4 ( c)   an d   4 ( d )   d ep ict  th cu r r en p ath s   d u r in g   th e   n eg ativ h alf - cy cle,   r esp ec tiv ely .   T h T PP FC   h as  s ev er al  ad v a n tag es  o v er   o th er   PF C   to p o lo g ies  [ 1 0 ] - [ 1 3 ] ,   th ese  m ain ly   b ein g   t h f o llo win g :   i)   a ch iev es  r elativ ely   th lo west  co n d u ctio n   lo s s es ,   ii)  b etter   C E MI   p er f o r m an ce ,   iii)  e asier   in p u t - v o ltag m ea s u r em e n t ; a n d   i v )   s im p le  cir cu itry   a t   h ig h   d e v ice  u tili za tio n ,   r esu ltin g   in   h ig h e r   p o wer   d e n s ities .   Alth o u g h   its   co n d u ctio n   lo s s es  ar am o n g   th m i n im u m   o f   all  PF C   to p o lo g ies,  th e   m ain   i s s u is   th at  th is   to p o lo g y   ca n   o n l y   b o p er ated   in   d is co n tin u o u s - c o n d u ctio n   m o d ( DC M)   o r   cr itical - co n d u ctio n   m o d e   ( C r M) .   I f   o p e r ated   in   co n tin u o u s - co n d u cti o n   m o d e   ( C C M)   with o u m o r c o m p lex   co n t r o l,  t h r ev e r s r ec o v er y   o f   th b o d y   d io d es  o f   t h s ilico n   MO SF E T s   ca n   ca u s v er y   h i g h   lo s s es.  T h is   is   d u to   t h m u ch   lo n g er   r ec o v er y     m      f    h    MO E       b     y              h       h       f                      f     - r ec o v er y   d io d e,   r esu ltin g   i n   ex ce s s iv r ev er s e   r ec o v er y   lo s s es a n d   s ig n if ican tly   r ed u cin g   th ef f icien cy .   Ho wev er ,   with   th e   d ev el o p m e n o f   wid e - b an d g ap   s em ico n d u cto r   d e v ices,  esp ec ially   g alli u m   n itrid e   ( GaN )   tr an s is to r s ,   th T PP FC   to p o lo g y   is   attr ac tin g   m u c h   m o r atten tio n   an d   b ec o m in g   th m o s p r o m is in g   to p o lo g y .   T h ab s en ce   o f   an   i n tr in s ic  b o d y   d io d e,   an d   ef f ec tiv ely   an y   PN ju n ctio n   in   th GaN   d ev ice,   lead s   to   n o   m in o r ity   ca r r ier   in jectio n   a n d ,   as  r esu lt,  n o   s to r e d   ch a r g e.   T h is   tr an s lates  to   ze r o   r ec o v er y   ch ar g ( Q rr     0 )   in   GaN   tr an s is to r s   an d   n o   r ev er s r ec o v er y   o p e r atio n   wh en   u s ed   as  r ec tifie r   [ 1 4 ] .   F u r th er m o r e ,   th later al  s tr u ctu r o f   GaN   s witch es,  to g eth er   with   th r ed u ctio n   in   t h ch ip   s ize  an d   th r ed u ce d   R on ,   r esu lts   in   th e   r ed u ctio n   o f   th e   ju n ctio n   ca p a citan ce   an d   th t o tal  ca p ac itan ce   o f   th d ev ice.       ( a)     ( b )     ( c)     ( d )       Fig u r e   4 .   C u r r e n t p ath   d u r i n g   t h p o s itiv lin cy cle  wh e n   S1   is   ( a)   o n ( b )   o f f ,   d u r i n g   th n eg ativ lin cy cle  wh en   S2   is   ( c)   o n ,   an d   ( d )   o f f       T h is   m ak es  th GaN   h ig h - elec tr o n   m o b ilit y   tr an s is to r   ( HE MT )   o p e r ate  m o r lik e   an   id ea l     h ig h - f r eq u e n cy   s witch   b y   d e cr ea s in g   th g ate  ch ar g e,   wh ich   allo ws  f o r   f aster   s witch in g   an d   l o wer   d r iv   lo s s es  [ 1 4 ] - [ 1 6 ] .   T h d r i v in g   s ch em o f   GaN   HE MT s   m u s b p r o p er ly   ad d r ess ed ,   as  s ev er al  ch allen g es,  lik s ig n al  o s cillatio n s   an d   p o ten ti al  m alf u n ctio n s ,   co u ld   a r is d u to   p ar asit ic  ca p ac itan ce   [ 1 7 ] .   T h a d v an tag es   m en tio n ed   a b o v e   o f   GaN   s witch es  en ab le  th u tili za tio n   o f   th T PP FC   to p o lo g y   in   th C C M.   T h er ef o r e,   a   g r ea t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       P o w er fa cto r   co r r ec tio n   co n ve r ters   o ve r v iew   w ith   P S I M si m u la tio n - b a s ed     ( Ma jd   G h a z i B a ta r s eh )   359   d ea o f   atten tio n   is   b ein g   d ir e cted   o n to   th is   to p o lo g y h en c e,   it  is   im p o r tan to   lay   o u well - s tr u ctu r ed   an d   q u ick   d esig n   g u id f o r   th co n v er ter   to   s h if th f o cu s   in to   en h an cin g   th to p o lo g y   an d   s o lv i n g   o th er   an ticip ated   h ar d war e - r elate d   d if f icu lties .   T h d esig n   p r o ce s s   d is cu s s ed   in   th f o llo win g   s ec tio n   aid s   i n   ac h iev in g   s o lid   y et  q u ick   d esig n   o f   th T PP FC   co n v er ter .       3.   T P P F CO NVER T E CO M P L E T E   D E SI G G U I DE   T h is   s ec tio n   co v er s   im p o r tan d esig n   co n s id er atio n s   f o r   th T PP F C .   Firs t,  th p lan co m p o n en ts   o f   th lo w - f r eq u e n cy   leg   an d   t h a v ailab le  clo s ed - lo o p   co n t r o m eth o d s   ar d is cu s s ed .   T h en ,   d etailed   d esig n   p r o ce d u r f o r   th T PP FC   co n v er ter   is   p r esen ted .     3 . 1 .         Desig co ns idera t io ns   3 . 1 . 1 .   L o w - f re qu ency   leg   co m po nents   R ef er r in g   b ac k   to   Fig u r e   3 ( d )   an d   as  m en tio n ed   ea r lier ,   th T PP F C   h as  two   leg s th o n e   o n   th le f t,  co m p r is ed   o f   s witch es  S 1   an d   S 2 ,   o p er ates  at  th h ig h   s witch in g   f r eq u e n cy ,   w h ile  th o th er   leg   o n   th r ig h t,   m ad u p   o f   d io d es  D 1   an d   D 2 ,   o p er ates  at  th lo lin f r eq u en cy .   I is   co m m o n   p r ac tice  in   th is   to p o lo g y   t o   r ep lace   th d io d es  o f   th lo w - f r eq u en c y   leg   with   s ilico n   MO SF E T s   to   tak ad v an tag o f   th eir   lo wer   co n d u ctio n   lo s s es,  co m p ar ed   with   s lo r e co v er y   d io d es,   th er eb y   im p r o v in g   ef f icien cy .   Ho wev er ,   th is   ad d s   m o r co n tr o l   r eq u ir em e n ts   to   tu r n   th ese  s witch es  o n   an d   o f f   an d   in cr ea s es  th e   co s t.  An o t h er   p r o b lem   with   u s in g   tr a n s is to r s   in s tead   o f   d io d es  is   th eir   o u tp u ca p ac itan ce ,   C oss .   T h is   o u tp u ca p ac itan ce   is   o n o f   th m ain   r ea s o n s   b eh in d   th in d u cto r   cu r r en t sp ik es a t t h e   ze r o   c r o s s in g   [ 1 8 ] [ 1 9 ] .   R ef er r in g   to   Fig u r e   4 ( d ) ,   d u r i n g   th e   n e g ativ h alf   c y cle  o f   th lin v o ltag e   an d   wh en   S 2   is   o f f ,   it  is   ev id en th at   D 1   is   s u b ject  to   t h f u ll  o u tp u v o ltag e   in   r ev e r s b ias  m o d e.   I f   th er we r s witch   in s tead ,   its   o u tp u p ar asit ic  ca p ac itan ce   C oss   wo u ld   th u s   b ch ar g ed   to   th f u ll  o u tp u v o ltag e.   W h en   th in p u v o ltag e   ch an g es  p o lar ity   a f ter   t h ze r o   cr o s s in g   a n d   S 1   tu r n s   o n ,   as  i n   Fig u r e   4 ( a ) ,   t h ch a r g ed   C oss   is   n o w   allo wed   to   d is ch ar g th r o u g h   t h in d u cto r ,   cr ea tin g   p o s itiv cu r r en s p ik at  th ze r o - cr o s s in g   m o m en t.  T h s am lo g ic   ap p lies   to   th s witch in g   b etwe en   th n e g ativ an d   p o s itiv c y cles  o f   th in p u v o ltag e.   Sp i k es  o f   th is   k in d   ar e   h u g ely   allev iated   if   d io d es  a r u s ed   b ec au s t h eir   ju n ctio n   ca p ac itan ce   v alu es  a r m a g n itu d es  o f   o r d er   less   th an   in   MO SF E T s .   Ov er all,   d io d e s   o f f er   f ewe r   c o n tr o l   r eq u i r e m en ts ,   m o r e   m itig atio n   o f   ze r o - cr o s s in g   c u r r e n s p ik es,  an d   ar ch ea p er ,   wh ile   MO SF E T s   p r o v id e   h ig h er   ef f icien cy .   Fo r   th ad v a n tag es  ab o v e,   an d   s in ce   th e   in cr ea s in   ef f icien cy   is   n o t c o n s id er ab le,   d i o d es we r ch o s e n   f o r   t h is   d esig n .     3 . 1 . 2 .   Co ntr o m et ho d   I is   im p o s s ib le  to   ac h iev a   n e ar - u n ity   PF   u s in g   an   ac tiv PF C   co n v er ter   with o u t   an   a d eq u a te  co n tr o l   m eth o d .   T h is   is   ac h iev ed   b y   h av in g   two   c o n tr o lo o p s an   in n er   cu r r en lo o p   t h at  s h ap es  t h in d u cto r   c u r r en t   in to   th d esire d   s in u s o id al   wav ef o r m   w h ile  k ee p i n g   it   in   p h ase  with   th i n p u t   v o ltag e   an d   an   o u ter   v o ltag e   lo o p   to   k ee p   th e   o u t p u t   v o ltag e   at  a   co n s tan lev el.   T h e   in n e r   lo o p   ac h iev es  th e   d esire d   s in u s o id al   s h ap e   b y   p r o d u ci n g   th p u ls wid th   m o d u latio n   ( PW M)   s witch in g   s ig n als  th at   co n tr o th two   h ig h - f r e q u en cy   s witch es  o f   th T PP F C   cir cu it  [ 2 0 ] .   T h cu r r en co n tr o ller   ( in n er   c o n tr o lo o p )   ca n   r esu lt  in   an y   o f   th th r ee   co n d u ctio n   m o d es   d ep en d in g   o n   th e   d esig n   p ar am eter s .   DC an d   C r b o th   r eq u ir a   b ig g er   in p u f ilter ,   wh ich   r esu lts   in   h ig h er   in p u R MS  cu r r en th an   th C C o p er atio n   d u to   th la r g er   r ip p le  in   th cu r r en t,  m ak i n g   C C m o r d esira b le  m o d o f   o p er atio n   f o r   h ig h e r   p o wer   lev els.  C C ca n   b r ea lized   th r o u g h   d if f er en co n tr o m et h o d s ,   s u ch   as  p ea k   c u r r e n co n tr o l,  h y s ter esis   cu r r en co n tr o l,  an d   a v er ag c u r r e n co n tr o [ 2 0 ] - [ 2 2 ] .   Oth er   m eth o d s ,   s u ch   as  s lid in g   m o d e   co n tr o ( SMC )   an d   p r e d ictiv cu r r en c o n tr o ( PC C ) ,   ar also   u s ed   [ 2 3 ] - [ 2 5 ] .   T h av e r a g cu r r e n co n t r o l   m eth o d   p r o v id es  co n s tan s witch in g   f r eq u en cy ,   d o es  n o n ee d   r am p   co m p e n s ato r ,   an d   r esu lts   in   b etter   in p u cu r r en wa v ef o r m   th an   o th er   co n tr o m eth o d s th u s ,   i is   th m o s co m m o n ly   u s ed   co n tr o m et h o d   f o r   PF C   co n v er ter s   [ 2 5 ] .   Fig u r e   5   d ep icts   th is   m eth o d ' s   r esu ltin g   in d u cto r   c u r r e n an d   th e   cu r r en r ef e r en ce .   Fo r   th ese  r ea s o n s ,   o p er atio n   in   th e   C C u s in g   th av er ag cu r r e n t c o n tr o m eth o d   is   ch o s en   f o r   th is   d esig n .     3 . 2 .     Det a iled desi g n pro ce du re     h                                              y        y                                        ,                b y    h                        f            .   First  is   th s izin g   o f   th e   p la n co m p o n en ts ,   wh er e   th i n d u ctan ce ,   ca p ac itan ce ,   a n d   r esis tiv lo ad   v alu es   ar e   ca lcu lated ,   an d   s ec o n d   is   d esig n in g   th f ee d b ac k   co n tr o lo o p s .   E ac h   o f   th ese  s tep s   is   ca r r ie d   o u in   d ed icate d   s u b - s ec tio n .   T h f lo w   ch ar t   s h o wn   in   Fig u r e   6   illu s tr ates  th o v er all  d esig n   p r o ce s s   f o ll o wed   in   th is   s ec tio n .   T h is   wo r k   in clu d es a ll th d esi g n   s tep s   s h o wn   in   th f ig u r u s in g   b o ld   b o r d e r   lin es.  Ho wev er ,   th f in al  s tep   o f   p h y s ical  im p lem en tatio n ,   s h o wn   in   d ash ed   b o r d er   lin e,   is   n o t in clu d e d   d u to   lim ited   ac ce s s   to   r eso u r ce s .   S                      h     h              f                                            q         m         ,      b       1       m m       z         h                                        s p e c i f i ca t i o n s   t o   b e   a c h ie v e d   b a s e d   o n   v a l u e s   t y p i c a ll y   u s e d   i n   d i f f e r e n t   i n d u s t r i a l   a p p l i c ati o n   n o t e s   s i m i la r   t o   [ 2 6 ] - [ 2 8 ] ,   a c c o r d i n g   t o   w h i c h   th e   f i r s s t e p   o f   s i z i n g   t h e   c o m p o n e n t s   is   c a r r ie d   o u t .   F o r   t h e   c o n t r o l l e r   t o   f o ll o Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   1 Ma r c h   20 25 355 - 368   360   t h e   r e f e r e n c e   c u r r e n t   a s   c l o s e ly   a s   p o s s i b le ,   t h e   i n n e r   l o o p   m u s t   h a v e   t h e   h i g h e s t   c r o s s o v e r   f r e q u e n c y   p o s s i b l e ,                 h                               h       h     f     f     h              h         f     q         y   ( N y q                        m     ) .        f         h                                                 f r e q u e n c y ,   i t   i s   l i m i t e d   t o   o n l y   f e w   h e r t z   b e ca u s t h e   o u t p u v o l t a g e   h as   r i p p l t h a is   at   t w i ce   t h e   l i n f r e q u e n c y   ( 1 0 0 - 1 2 0   H z ) ,   w h i c h ,   i f   c o r r e c t e d   i n   t h e   v o l ta g e   l o o p ,   w il l   r e s u l t   i n   a   t h i r d   h a r m o n i c   c o m p o n e n t   i n   t h e   i n p u c u r r e n t   [ 2 0 ] .   T o   a v o i d   t h is ,   t h e   c r o s s o v e r   f r e q u e n c y   s h o u l d   b e   a t   l e as t e n   m a g n it u d e s   le s s   t h an   t h e   1 0 0   H z   r i p p l e .           Fig u r e   5 .   Av e r ag cu r r en t c o n tr o l m eth o d   wav ef o r m s       T ab le  1 .   Desig n   s p ec if icatio n s   S y st e m   S y st e c h a r a c t e r i s t i c   p a r a m e t e r s   P a r a me t e r   v a l u e s   P l a n t   I n p u t   v o l t a g e   ( A C   i n   R M S )   85 - 2 6 5   V ,   5 0 - 6 0   H z   O u t p u t   v o l t a g e   ( D C )   4 0 0   V   O u t p u t   v o l t a g e   r i p p l e   5 o f   D C   v o l t a g e   =   2 0   V pp   R a t e d   o u t p u t   p o w e r   3 0 0 0   W   I n d u c t o r   c u r r e n t   r i p p l e   1 0 a t   l o w - l i n e   v o l t a g e / f u l l   l o a d   S w i t c h i n g   f r e q u e n c y   5 0 0   k H z   C o n t r o l   l o o p s   H o l d - u p   t i m e   a n d   m i n i m u v o l t a g e   0 . 5   c y c l e   @   5 0   H z   =   1 0   ms ,   V o , m i n   =   3 5 0   V   I n p u t   p o w e r   f a c t o r   >   0 . 9 5   I n n e r   l o o p   c r o ss o v e r   f r e q u e n c y   <   2 5 0   k H z   O u t e r   l o o p   c r o ss o v e r   f r e q u e n c y   <   1 0   H z           Fig u r e   6 .   Desig n   p r o ce s s   f lo w       3 . 2 . 1 .   Co m po nents  s izing   T h th r ee   m ain   p ass iv co m p o n en ts   o f   th T PP FC   ar s h o wn   in   Fig u r e   3 ( d )   th in p u in d u cto r ,   th e   o u tp u ca p ac it o r ,   an d   th r esi s tiv lo ad .   E ac h   o f   th ese  co m p o n e n ts   h as  d etailed   d esig n   illu s tr ated   in   its   r esp ec tiv s ec tio n   b elo w.   I m p o r tan t c o n s id er atio n s   ar g iv e n   f o r   t h in d u cto r   a n d   ca p ac ito r   s izin g .   a)   I n p u i n d u cto r   T h m in im u m   in d u ctan ce   n ee d ed   f o r   C C o p er atio n   d ep en d s   o n   th d esire d   in p u t c u r r en t   r ip p le,   th e   h ig h - lin v o ltag e,   th o u tp u p o wer ,   th o u tp u v o ltag e,   an d   t h s witch in g   f r eq u en c y .   T h is   is   s h o wn   in   ( 1 )   [ 2 6 ] .     L m i n = 1 % I L V ac , HL 2 P o ( 1 2 V ac , HL V o ) 1 sw   ( 1 )     W h er e ,   I L   is   th p e r ce n tag e   in p u t   cu r r en r ip p le,   V ac, HL   is   t h h ig h - lin e   in p u t   v o ltag e,   P o   i s   th o u tp u p o wer ,   V o   is   th o u tp u v o ltag e,   an d   f sw   is   th s witch in g   f r eq u e n cy .   P lu g g in g   th d esire d   v alu es  f o r   ea ch   q u a n tity   y ield s      m     m   m                      f   6 6   μ H.   T o   en s u r o p er atio n   in   C C all  th tim an d   d ec r ea s th tim s p en in   DC ar o u n d   th ze r o -               ,    h      m     m   m                 m               b y      f             f   1 . 5 ,                        h    f                   f    b        1 0 0   μ H.     h      is   v alid   in cr em en as  th in d u ctan ce   v alu is   in   th lo r a n g es  o f   m icr o h en r ies,  m ak i n g   it  p r ac tical  ev en   if   im p lem en ted   in   r ea life .   As  r esu lt,  th cu r r en r ip p le  is   ex p ec ted   to   b e   less   th an   th in ten d ed   1 0 at  lo w - lin e   v o ltag e,   th T HD  s h o u ld   b i m p r o v e d ,   an d   th PF   s h o u ld   b clo s er   to   u n ity .   S         f              S z              m          I         I                 (   ) O                               (   )                         (   )                                              h     I                                   h     O                   S           f                  y         S m               f                   S           f                      f         S m               f                         f y   h                   h   S m                       h                         h     h y               m       m                 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       P o w er fa cto r   co r r ec tio n   co n ve r ters   o ve r v iew   w ith   P S I M si m u la tio n - b a s ed     ( Ma jd   G h a z i B a ta r s eh )   361   b )   Ou tp u ca p ac ito r   T h e   o u t p u t   c a p a c i t a n c e   v al u e   is   r e s t r i ct e d   b y   t w o   m a i n   c o n s t r a in t s :   t h e   d es i r e d   o u t p u t   v o lt a g e   r i p p l e   a n d   t h e   r e q u i r e d   h o l d - u p   t i m e .   T h e   ( 2 )   a n d   ( 3 )   by   [ 2 6 ]   h e r e b y   a r e   t h e   t w o   e q u a t i o n s   t h a t   q u a n t i f y   t h e s e   c o n s t r a i n ts .     2 h o l d 2 , 2   ( 2 )     2    ( 3 )     W h er e ,   P o   is   th e   o u tp u t   p o wer ,   t hold   is   th e   h o l d - u p   tim e,   V o   is   th o u tp u t   v o ltag e,   V o, min   is   th e   m in im u m   allo wed   o u tp u v o ltag d u r in g   a   f au lt  a th in p u t,  f line         h                     f    q        y ,           Δ   o   is   th o u tp u v o ltag e   r ip p le.   Usi n g   ( 2 )   a n d   ( 3 )   with   th v alu es  p r ev io u s ly   lis ted   in   T ab le  1 ,   an d   c o n s id er in g   th at  th e   m in i m u m   lin f r eq u en cy   r esu lts   in   th e   m ax im u m   ca p ac itan ce   v alu e,   y ield s                  f   1 6 0 0   μ            1 1 9 4   μ    f        h                                  ,   r esp ec tiv ely .      k         h                         m          h          ,                         h      m                 f   1 6 0 0   μ      h      b           .   Sin ce   th is   v alu r esu lted   f r o m   th h o ld -         m                                               b y     m        4 0 0   μ     f     m    h                    f r o m   t h v o ltag r ip p le  c o n s tr a in t,  th er e   is   n o   n ee d   to   m u ltip l y   it  b y   a   f ac to r   to   e n s u r t h v o ltag r ip p le   r em ain s   with in   2 0   as it is a lr ea d y   3 3 % lar g er .   c)   R esis tiv lo ad   T h o u tp u t r esis tiv lo ad   co u l d   b ea s ily   ca lcu lated   u s in g   th r elatio n s h ip   b etwe en   th v o lt ag ac r o s s   th r esis tan ce   an d   th p o wer   it  co n s u m es.  W h en   d eliv er in g   th f u ll  o u tp u p o wer   o f   3   k W   at  4 0 0   V dc,   th e   eq u iv alen t r esis tiv lo ad   v alu e   co m es to   5 3 . 3 3   Ω .     3 . 2 . 2 .   Co ntr o des ig n   T h T PP FC   is   d esig n ed   to   f u n ctio n   s im ilar ly   to   b o o s co n v er ter   o p er atin g   in   C C d u r in g   ea ch   h alf - lin cy cle.   As  m en tio n ed   b ef o r e,   th C C o p er atio n   is   p r ef er ab le  f o r   h ig h er   p o wer   o p er a tio n s .   T h av er ag e   cu r r en t c o n tr o l m et h o d   is   th m o s t w id ely   ad o p te d   f o r   C C M   PF C   co n v er ter s   to   attain   n ea r - u n ity   PF .   d o u b le   n eg ativ e   f ee d b ac k   l o o p   is   r e q u ir ed   to   ac h ie v th is   an d   e n s u r e   s tab le  s y s tem   f o r   th g i v en   d esig n   s p ec if icatio n s .   An   in n er   cu r r en c o n tr o lo o p   p r o d u ce s   co n tr o v o ltag s ig n al  t h at  is   th en   u s ed   to   g en er ate  t h s witch in g   s ig n al   f o r   th e   s witch es.  T h is   in n er   cu r r en t   lo o p   en s u r es  th at  t h m ea s u r ed   in d u cto r   cu r r en t   f o llo ws  a   g en e r ated   cu r r en t r ef er en ce ,   s h ap i n g   t h in p u cu r r en t   wav ef o r m   i n to   a   s in u s o id al  wav e f o r m   to   ac h iev PF   th at  is   v er y   clo s to   u n ity .   I n   ad d itio n ,   an   o u ter   v o ltag lo o p   is   n ee d ed   to   k ee p   th o u tp u DC   v o ltag o f   th PF C   r eg u lated   to   t h e   p r e - d eter m i n ed   r ef er en ce   v o ltag e.   T h e   o u te r   v o ltag co n tr o lo o p   is   also   r esp o n s ib le  f o r   d eter m in in g   th e   am p litu d o f   th g en er ated   cu r r en r ef e r en ce ,   w h ich   is   th en   u s ed   in   th e   in n er   cu r r en lo o p   [ 2 0 ] .   T h T PP FC   co n v er ter   co n tr o b lo c k   d iag r a m   is   s h o wn   in   Fig u r e   7 .   I n   th is   co n tr o s ch em e,   it  s h o u ld   b n o ted   th at  th s en s ed   o u tp u v o ltag e,   in p u v o ltag e ,   an d   cu r r en ar e   n o r m alize d   b y   th eir   r esp ec tiv e   R MS  v alu es.  T h v o ltag co n tr o ller   p r o v id es  th e   cu r r en r ef er e n ce   m a g n itu d e   m u ltip lied   b y   th e   r ec tifie d ,   n o r m aliz ed   in p u v o ltag e   to   p r o d u ce   th e   cu r r en r e f er en ce   s ig n al.   T h is   f ee d f o r war d   o f   th in p u v o ltag g u id es  th in p u cu r r en to   tr ac k   it   an d   a v o id s   p r o p a g atin g   th i n p u v o ltag d is tu r b an ce   th r o u g h   th e   PF C   f ee d b ac k   lo o p s   [ 2 0 ] .   T h e   o u tp u o f   th cu r r en c o n tr o ller   is   th d u ty   r atio   ( D) ,   wh ich   is   u s ed   to   g e n er ate  th s witch in g   s ig n als  f o r   th co n v er ter .   T o   av o id   ex tr em v alu es  f o r   ( n ea r   1 0 0 %),   wh ic h   o cc u r   at  th e   ze r o   cr o s s in g s ,   lim iter   is   u s ed   with   m ar g in   o f   2 %,  i.e . ,   0 . 0 2     0 . 9 8 .   a)   I n n er   l o o p   d esig n   T h in n er   l o o p   co n tr o ller   n ee d s   to   b e   f ast  e n o u g h   to   m ak e   th e   in p u t   cu r r en t   tr ac k   th e   in p u t   v o ltag an d   as  r esu lt,  th in n er   cu r r en co n tr o lo o p   is   r eq u ir e d   to   h av a   v er y   lar g b an d wid th   r elativ to   th o u ter   v o ltag co n tr o l o o p .   T h u s ,   ea ch   l o o p   s h all   b d esig n ed   s ep ar ately   [ 2 9 ] .   T h d esig n   o f   th e   in n er   c u r r en l o o p   an d   th tu n in g   o f   th p r o p o r tio n al - in te g r al  ( PI)   c o m p en s ato r   in   th c o n tr o lo o p   will  b illu s tr ated   i n   th s tep s   to   f o llo w   h er ea f ter .   ˗   I n n er   l oop - Step   1 Sin ce   th P FC   o p er ates  as  b o o s c o n v e r ter   d u r i n g   ea c h   h alf - lin cy cle ,   th f ir s s tep   is   to   d eter m in e   th d u ty   r atio   ( D )   o f   th b o o s co n v er te r   th at  r e s u lts   in   an   o u tp u v o ltag o f   4 0 0   as  p er   th d esig n   s p ec if icatio n s .   T h b o o s co n v er ter   is   d esig n ed   to   p r o v id an   o u tp u o f   4 0 0   f r o m   2 3 0   DC   in p u t T h e   d u ty   r atio   is   f o u n d   u s in g   ( 4 ) ,   wh ich   g iv es a   r esu lt o f   0 . 4 2 5 .     =    1   (4 )     As  in   th b o o s co n v er ter ,   th e   PW s ig n al  is   g en er ated   b y   c o m p ar in g   a   tr ian g u la r   wav e   with   co n s tan DC   r ef er en ce   th r o u g h   a   co m p ar ato r ,   wh er e   th e   tr ian g u lar   wav v ar ies  b etwe en   0   V   an d   1   at   f sw T h e   r ef e r en ce   o f   th PW m o d u lato r   s h o u l d   b s et  at  0 . 4 2 5   an d   s m all  s ig n al  p er tu r b atio n   is   in tr o d u ce d   t o   th is   r ef er en ce   as  an   AC   s in u s o id al  s o u r ce .   An   AC   s wee p   is   p er f o r m ed   o n   th a d d ed   p er t u r b atio n   s o u r ce ,   an d   th i n p u t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   1 Ma r c h   20 25 355 - 368   362   cu r r en is   m ea s u r e d   to   o b tain   t h o p e n - lo o p   b o d p lo t.  T h c ir cu it  u s ed   to   o b tain   th b o d p lo in   PS I is   s h o wn   in   Fig u r e   8 ( a) ,   an d   t h r esu ltin g   b o d p lo t is d is p lay e d   in   Fig u r e   8 ( b ) .   ˗   I n n er   l o o p - Step   2 T h b o d p lo in   Fig u r 8 ( b )   is   th en   im p o r ted   in to   th Sm ar tC tr s o f twar u s ed   in   th is   wo r k ,   wh ich   will  h elp   tu n e   th co m p en s ato r .   Af ter   im p o r ti n g   it,  th c u r r en t - co n tr o lled   m o d s in g le  lo o p   with   cu r r en t sen s o r   an d   a   PI  r eg u lato r   is   ch o s en .           Fig u r 7 .   T PP FC   co n v er ter   c o n tr o l b lo c k   d iag r am       ( a)     ( b )       Fig u r e   8 .   I n n er   lo o p - Step   1 ( a )   in n er   c u r r e n t lo o p   s wee p   cir c u it a n d   ( b )   cu r r en c o n tr o o p e n - lo o p   b o d p lo t       Sm ar tC tr p r o v id es  s o lu tio n   m ap   with   p air s   o f   cr o s s o v er   f r eq u en cies  ( f cv )            h      m             ( Φ m ) .   I id en tifie s   s tab le  co n tr o ller   co m b in atio n s   a n d   p o ten tial  in s tab ilit ies.  cr u cial  f ac to r   in   s elec tin g   s tab le   s o lu tio n   is   en s u r in g   th at  th cl o s ed - lo o p   p h ase  r esp o n s is   n ea r ly   ze r o   b etwe en   1 0 0   a n d   1 2 0   Hz  to   ac h iev a   g o o d   p o wer   f ac to r .   T h is   allo ws  t h in n er   lo o p   to   tr ac k   th in p u v o ltag e,   r ec tifie d   s in u s o id   at  eith er   1 0 0   o r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       P o w er fa cto r   co r r ec tio n   co n ve r ters   o ve r v iew   w ith   P S I M si m u la tio n - b a s ed     ( Ma jd   G h a z i B a ta r s eh )   363   1 2 0   Hz  in   a   u n iv e r s al  in p u 5 0 - 6 0   Hz  PF C   d esig n .   Fig u r e   9   d ep icts   th i n n er   clo s ed - lo o p   p h ase  r esp o n s [ 2 0 ] .   Sm ar tC tr ca lcu lates  th PI  co m p en s ato r   c o n s tan ts   ( k p   an d   k i )   b ased   o n   t h ch o s en   cr o s s o v er   f r eq u e n cy   ( f cv          h      m           ( Φ m ) .   W ith   an   in n er   lo o p   cr o s s o v er   f r eq u en cy   o f   2 0 0   k Hz  an d   p h ase  m ar g in   o f   4 0 °,  th e   co n tr o ller   v alu es a r d eter m in ed   as k p   2 . 9 9 9 2 9   an d   k i   =   6 5 1 . 2 3 5   n .   b)   Ou ter   lo o p   d esig n   T h o u ter   v o ltag c o n tr o l o o p   h as  two   o b jectiv es:  d eter m i n in g   th p ea k   in d u cto r   cu r r e n r ef er en ce   an d   s tab ilizin g   th o u tp u v o ltag e.   T h o u tp u v o ltag c o n tain s   s ec o n d   h a r m o n ic  c o m p o n en t,  ca u s in g   p u ls atio n   at  twice  th m ain   f r e q u en cy   ( 5 0   Hz  o r   6 0   Hz ) .   T o   r eg u late  th av er a g o u tp u v o ltag at  4 0 0   V,   th e   v o ltag co n tr o lo o p   m u s s u p p r ess   th s ec o n d   h ar m o n ic  r ip p le  f r o m   th f ee d b ac k   p ath   [ 3 0 ] - [ 3 1 ] .   T h is   r esu lts   in   lo wer   b an d wid th   th a n   th in n er   lo o p ,   with   cr o s s o v er   f r eq u en cy   b elo 1 0 0   Hz.   T h v o ltag lo o p   co n tr o l   is   d esig n ed   in   two   m ain   s tep s ,   as o u tlin ed   b elo w :   ˗   Ou ter   lo o p - Step   1 T h e   cir cu it   in   Fig u r e   1 0 ( a)   ( s ee   Ap p en d ix )   g en e r ates  th o u tp u v o ltag e' s   b o d e   p lo with   1   r ef er en ce   an d   s m all  s ig n al  p er tu r b atio n ,   s im ilar   to   th cu r r en lo o p .   T h r esu ltin g   b o d p lo is   s h o wn   in   Fig u r 1 0 ( b )   ( s ee   Ap p en d ix ) .   ˗   O u t e r   l o o p - S t e p   2 :   T h e   b o d e   p l o t   i s   i m p o r t e d   i n t o   S m a r t C t r l   t o   t u n e   t h e   v o l t a g e   c o n t r o l l e r   c o m p e n s a t o r .   T h e   P I   i s   a d j u s t e d   t o   r e g u l a t e   t h e   o u t p u t   v o l t a g e   a t   4 0 0   V   w h i l e   a t t e n u a t i n g   1 0 0 - 1 2 0   H z   o p e n - l o o p   f r e q u e n c i e s   a n d   a v o i d i n g   t h i r d   h a r m o n i c   d i s t o r t i o n   i n   t h e   i n p u t   c u r r e n t   [ 2 0 ] .   F i g u r e   1 1   s h o w s   t h e   o p e n - l o o p   r e s p o n s e   o f   t h e   o u t p u v o l t a g e   w i t h   a   c r o s s o v e r   f r e q u e n c y   o f   5 . 7   H z   a n d   a   p h a s e   m a r g i n   o f   4 2 . 5 ° ,   r e s u l t i n g   i n   k p , V   =   0 . 0 6 8 5 4 2 7   a n d   k i , V   =   6 2 6 . 5 6 8   µ .   F i g u r e   1 2   s h o w s   t h e   c o n t r o l   s t a g e   d e s i g n   i n   P S I M ,   w h i l e   T a b l e   2   s u m m a r i z e s   t h e   c o m p o n e n t   a n d   c o n t r o l   p a r a m e t e r   d e s i g n   r e s u l t s   u s e d   f o r   t h e   s u b s e q u e n t   s i m u l a t i o n   p r e s e n t e d   i n   t h e   n e x t   s e c t i o n .             Fig u r 9 .   I n p u c u r r e n t c lo s ed - lo o p   p h ase  r esp o n s ( b r o wn   lin e )     Fig u r 1 1 .   Ou tp u v o ltag o p e n - lo o p   m ag n itu d p lo af ter   tu n in g       T ab le  2 .   Desig n   r esu lts   s u m m ar y   C o m p o n e n t s s i z i n g   I                             ( μH )   O                                 ( μ )                               ( Ω )   1 0 0   1 6 0 0   5 3 . 3 3   I n n e r   l o o p   d e si g n   f c v, I   ( k H z )   Φ m , ( ° )   k p, I   k i , I   2 0 0   40   2 . 9 9 9 2 9   6 5 1 . 2 3 5   n   O u t e r   l o o p   d e s i g n   f cv , V   ( H z )   Φ m , V   ( ° )   k p, V   k i , V   5 . 7   4 2 . 5   0 . 0 6 8 5 4 2 7   6 2 6 . 5 6 8 µ           Fig u r 1 2 .   C o m p lete  co n tr o l d esig n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   1 Ma r c h   20 25 355 - 368   364   4.   SI M UL A T I O R E S UL T AND  DIS CUSS I O   Af ter   d eter m in in g   co m p o n en t   s izes  an d   d esig n in g   th two   co n tr o lo o p s ,   th e   PF C   co n v e r ter   d esig n   was  s im u lated   u s in g   PS I M.   I d ea MO SF E T s   r ep r esen ted   t h GaN   s witch es,  an d   all  o th er   co m p o n en ts   wer e   co n s id er ed   id ea f o r   th r esu lt s   in   th is   s ec tio n .   T h co n v er t er   u n d e r wen test s   f o r   f u ll  lo a d in g   at  r ated   in p u t   r eq u ir em e n ts   an d   v ar io u s   s ce n ar io s   to   v alid ate  th s y s tem   s p ec if icatio n s .   All  d ata  was  o b tai n ed   f r o m   PS I an d   g r ap h e d   in   MA T L AB .     4 . 1 .     F ull   lo a d t ests a t   v a ri o us   inp ut  v o lt a g lev els a nd   f re qu encie s   I n   th e   f ir s s im u latio n ,   t h p e r f o r m a n ce   o f   t h T PP FC   co n v er ter   was  ass ess ed   u n d er   v ar io u s   in p u v o ltag es,  r ep r esen tin g   th u n i v er s al  an d   co m m o n   r an g es  wo r ld wid e.   T h co n v er ter   was  test ed   with   f o u r   in p u v o ltag es: 8 5   a n d   1 2 0   V   at  6 0   Hz  a n d   2 3 0   V   an d   2 6 5   V   at  5 0   Hz.   At  ea ch   lev el,   g r a p h s   wer o b tain e d   f o r   th e   in p u c u r r en t   an d   o u t p u v o lta g e.   Fas Fo u r ier   tr an s f o r m   ( F FT)   was  u s ed   to   ca lcu late  th e   p er ce n ta g o f   to tal   h ar m o n ic   d is to r ti o n   ( T HD)   o f   th in p u cu r r en t.   T h p o wer   f ac to r   ( PF )   was  f o u n d   to   b e   eq u al  to   t h d is to r tio n   f ac t o r   ( DF)   s in ce   th er was  n o   p h ase  d if f er en ce   b etwe en   th in p u cu r r en an d   v o ltag e.   I n p u t   cu r r en an d   o u tp u t   v o ltag r i p p les  wer also   m ea s u r ed .   Fig u r e   1 3   d is p lay s   th ese  g r ap h s   f o r   t h 2 3 0   at  5 0   Hz  i n p u v o ltag e.   T ab le   3   s u m m ar izes th r esu lts   f o r   th f o u r   lev els p r e v io u s ly   m en t io n ed   to   h elp   in ter p r et  th o u t co m es o f   th is   test .         ( a)   ( b )       ( c)   ( d )     Fig u r 1 3 .   Stead y - s tate  o p er ati o n   r esu lts   at  V in   2 3 0   V,   5 0   Hz:  ( a)   in p u v o ltag a n d   cu r r en t,    ( b )   in p u t c u r r en t r ip p le,   ( c)   o u t p u t v o ltag e ,   an d   ( d )   in p u t c u r r en t h ar m o n ics       I n   th is   test ,   th e   o u tp u lo a d   r esi s tan ce   was  v ar ied   to   s im u late  d if f er en t   lo ad in g   lev els:   1 0 to   1 0 0 in   1 0 in cr em en ts   an d   o v e r lo ad in g   lev els  o f   1 2 5 an d   1 5 0 %.  Fo r   ea ch   lev el,   th in p u cu r r en t' s   T HD  an d   PF   wer ca lcu lated   an d   p lo tted   a g ain s th lo ad   le v el,   r esu ltin g   in   Fig u r es  1 4 ( a)   an d   1 4 ( b ) .   L o o k i n g   at  th e   PF   v ar iatio n ,   it  is   o b v io u s   th at  as  t h p o wer   lo ad in g   in cr ea s es,  th PF   in cr ea s e s .   I co u ld   also   b e   s ee n   th at  it  r em ain s   ab o v 0 . 9 5   f o r   all  lo ad in g   p er c en tag es  at  all  in p u v o ltag lev els  ex ce p f o r   2 3 0   an d   2 6 5   V ,   wh er it  is   s lig h tly   u n d er   at  0 . 9 4 6   an d   0 . 9 4 7 ,   r esp ec tiv ely ,   f o r   1 0 lo ad in g .   As  f o r   th o v e r lo ad i n g   co n d itio n s ,   th PF   im p r o v es,  g o in g   f r o m   1 0 0 to   1 2 5 an d   1 5 0 lo ad i n g   f o r   all  lev els,  ex ce p f o r   th 8 5   V,   wh er it  r em ain ed   co n s tan t.  T h m ax im u m   PF   with   v alu o f   0 . 9 9 9 8 9   is   ac h iev e d   f o r   1 5 0 % lo ad in g   at  1 2 0   in p u t v o ltag e.       T ab le  3 .   Su m m a r y   o f   s im u latio n   r esu lts   f o r   t h T PP FC   co n v er ter   m ain   o p er atio n   V o l t a g e   l e v e l   a n d   f r e q u e n c y   8 5   V ,   6 0   H z   1 2 0   V ,   6 0   H z   2 3 0   V ,   5 0   H z   2 6 5   V ,   5 0   H z   I n p u t   c u r r e n t   r i p p l e   ( A )   1 . 6 7 5   1 . 9 5   1 . 9   1 . 7 2 5   P e r c e n t a g e   i n p u t   c u r r e n t   r i p p l e   ( %)   3 . 3 5 6   5 . 5 1 5   1 0 . 3 0 0   1 0 . 7 7 5   O u t p u t   v o l t a g e   r i p p l e   ( V )   1 2 . 2 5   1 2 . 5   15   15   I n p u t   c u r r e n t   TH D   ( %)   1 . 8 0 3 8   1 . 9 6 5 6   3 . 4 8 0 7   3 . 5 6 7 4   I n p u t   P F   0 . 9 9 9 8 4   0 . 9 9 9 8 1   0 . 9 9 9 3 9   0 . 9 9 9 3 6       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.