Comparison of impedance-source networks for two and multilevel buck–boost inverter applications

Abstract

Impedance-source networks are an increasingly popular solution in power converter applications, especially in singlestage buck–boost power conversion to avoid additional front-end dc–dc power converters. In the survey papers published, no analytical comparisons of different topologies have been described, which makes it difficult to choose the best option. Thus, the aim of this paper is to present a comprehensive analytical comparison of the impedance-source-based buck–boost inverters in terms of passive component count and semiconductor stress. Based on thewaveform of the input current, i.e., with or without a transformer, and with or without inductor coupling, the impedance-source converters are classified. The main criterion in our comprehensive comparison is the energy stored in the passive elements, which is considered both under constant and predefined high frequency current ripple in the inductors and the voltage ripple across the capacitors. Two-level and multilevel solutions are described. The conclusions provide a “one-stop” information source and a selection guide of impedancesource- based buck–boost inverters for different applications.

Las redes de fuentes de impedancia son una solución cada vez más popular en aplicaciones de convertidores de potencia, especialmente en la conversión de potencia buck-boost de una sola etapa para evitar convertidores de potencia dc-dc frontales adicionales. En los estudios publicados no se han descrito comparaciones analíticas de las distintas topologías, lo que dificulta la elección de la mejor opción. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es presentar una comparación analítica exhaustiva de los inversores buck-boost basados en fuentes de impedancia en términos de número de componentes pasivos y tensión de semiconductores. Los convertidores impedancia-fuente se clasifican en función de la forma de onda de la corriente de entrada, es decir, con o sin transformador, y con o sin acoplamiento inductor. El criterio principal de nuestra exhaustiva comparación es la energía almacenada en los elementos pasivos, que se considera tanto bajo ondulación constante como predefinida de la corriente de alta frecuencia en los inductores y la ondulación de la tensión a través de los condensadores. Se describen soluciones de dos niveles y multinivel. Las conclusiones proporcionan una fuente de información "única" y una guía de selección de inversores buck-boost basados en fuentes de impedancia para diferentes aplicaciones.