Multi-input DC-DC boost converter

Abstract

This thesis presents the design and development of a multi-input Boost converter based on a three-level boost topology. The proposed circuit integrates two modules to accommodate multiple input sources and supply power efficiently to the load. A key challenge in conventional designs is heat accumulation due to imbalanced Duty cycles, which degrades performance and may damage switching components over time. To address this, a novel multi-input boost converter is proposed, utilizing a conventional boost converter to assist capacitor charging and ensure balanced switching signals. An indirect sliding mode controller is implemented to regulate input current and balance the output capacitor voltages, enhancing robustness against parameter variations and improving dynamic performance. The proposed converter is evaluated with a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) as the input source. MATLAB/Simulink simulations confirm its effectiveness under various conditions, and experimental validation with a prototype demonstrates strong agreement with simulation results, verifying the circuit’s practical feasibility and performance.

วิทยานิพนธ์นี้มีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบและสร้างวงจรแปลงผันไฟฟ้ากระแสตรงแบบเพิ่มแรงดันที่มีหลายแหล่งจ่ายอินพุต โดยมีต้นแบบในการศึกษาและพัฒนาจากวงจรแปลงผันไฟฟ้ากระแสตรงแบบเพิ่มแรงดันสามระดับที่นำมาต่อใช้งานร่วมกันจำนวนสองโมดูลเพื่อให้สามารถรับแหล่งจ่ายอินพุตที่มีมากกว่าหนึ่งแหล่งจ่ายในการจ่ายให้กับโหลดที่ต้องการใช้งาน ซึ่งในการออกแบบนั้นมีแนวคิดมาจากวงจรต้นแบบนั้นมีข้อจำกัดในด้านความร้อนสะสมอันเนื่องมาจากความเครียดของอุปกรณ์สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่เท่ากันเพราะ Duty cycle ที่ใช้กำเนิดสัญญาณคำสั่งสวิตช์นั้นไม่สมดุลกันเมื่อใช้งานไปนาน ๆ อาจทำให้อุปกรณ์สวิตช์เกิดความเสียหายได้ วิทยานิพนธ์นี้จึงได้นำเสนอวงจรแปลงผันไฟฟ้ากระแสตรงแบบเพิ่มแรงดันที่มีหลายแหล่งจ่ายอินพุตเพื่อแก้ปัญหาที่กล่าวมานี้ โดยการนำวงจรแปลงผันไฟฟ้ากระแสตรงแบบเพิ่มแรงดันดั้งเดิมเป็นแหล่งจ่ายช่วยแก่ตัวเก็บประจุเพื่อให้ได้รับความถี่ในการกระเพื่อมของแรงดันเท่ากับ ตัวเก็บประจุตรงกลางที่ได้รับความถี่เป็นสองเท่าจากทั้งสองโมดูลด้วยเทคนิคนี้จะสามารถทำให้ Duty cycle ที่ใช้กำเนิดสัญญาณคำสั่งสวิตช์นั้นมีความสมดุลกัน พร้อมทั้งควบคุมกระแสด้านเข้าและควบคุมให้แรงดันตัวเก็บประจุเอาต์พุตทุกตัวมีค่าเท่ากันด้วยตัวควบคุมโหมดเลื่อนแบบทางอ้อม ซึ่งมีจุดเด่นในด้านความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์และประสิทธิภาพด้านพลวัต ในวิทยานิพนธ์นี้ได้เสนอการใช้งานร่วมกับแหล่งจ่ายด้านเข้าด้วยเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ซึ่งจำลองการทดลองด้วยโหลดตัวต้านทานและแหล่งจ่ายไฟฟ้าจำลอง การออกแบบวงจรและสร้างแบบจำลองคณิตศาสตร์ถูกทดสอบใน MATLAB/Simulink ผลการจำลองแสดงว่าวงจรสามารถทำงานได้ดีในสถานการณ์ต่าง ๆ เพื่อยืนยันผลการออกแบบได้สร้างวงจรต้นแบบและทดสอบในสถานการณ์เดียวกับการจำลอง ซึ่งสามารถควบคุมกระแสไฟฟ้าเพื่อจ่ายแก่โหลดและรักษาสมดุลแรงดันไฟฟ้าที่ตัวเก็บประจุได้เป็นอย่างดี ซึ่งแสดงถึงความสอดคล้องระหว่างผลการทดลองและการจำลอง พร้อมทั้งยืนยันประสิทธิภาพและความเป็นไปได้ในการใช้งานจริง