Designing the optimal number of active branches in a multi-branch buck-boost converter

Abstract

Multi-branch buck-boost converters, widely used in energy conversion from alternative sources, offer significant advantages over single-branch configurations. Critical, however, is the question of the appropriate number of branches for optimal efficiency and the given output power of the converter. The novelty of the proposed work consists in the development of a precise method for determining the optimal number of branches in a multi-branch buck-boost converter for a specified output power. Additionally, the findings enable the development of adaptive control strategies that dynamically adjust the number of active branches based on the converter’s instantaneous power. This approach enhances the overall efficiency of the converter. Goal. The study aims to analyze the efficiency of multi-branch buck-boost converters, focusing on the optimal number of branches and the required output power. Methods. The problem was addressed through a theoretical analysis of the converter’s electrical equivalent circuit. The theoretical results were validated through practical measurements conducted on a prototype converter. Results. A detailed equivalent circuit for the converter was developed and analyzed for various operational modes. Based on this analysis, the converter’s losses were quantified, and a relationship was derived to determine the optimal number of parallel branches, taking into account the desired output power. Practical value. The findings provide guidelines for selecting the optimal number of branches in a multi-branch buck-boost converter based on the desired output power. Furthermore, they enable the implementation of adaptive switching strategies to maximize the converter’s efficiency. Багатогілкові понижувально-підвищувальні перетворювачі, що широко використовуються в перетворенні енергії з альтернативних джерел, пропонують значні переваги порівняно з одногілковими конфігураціями. Однак критичним є питання відповідної кількості гілок для оптимальної ефективності та заданої вихідної потужності перетворювача. Новизна pапропонованої роботи полягає в розробці точного методу визначення оптимальної кількості гілок у багатогілковому понижувально-підвищувальному перетворювачі для заданої вихідної потужності. Крім того, отримані результати дозволяють розробляти адаптивні стратегії керування, які динамічно регулюють кількість активних гілок на основі миттєвої потужності перетворювача. Такий підхід підвищує загальну ефективність перетворювача. Метою дослідження є аналіз ефективності багатогілкових понижувально-підвищувальних перетворювачів, зосереджуючись на оптимальній кількості гілок та необхідній вихідній потужності. Методи. Проблему вирішено за допомогою теоретичного аналізу електричної еквівалентної схеми перетворювача. Теоретичні результати перевірені за допомогою практичних вимірювань, проведених на прототипі перетворювача. Результати. Була розроблена та проаналізована детальна еквівалентна схема перетворювача для різних режимів роботи. На основі цього аналізу було кількісно визначено втрати перетворювача та виведено співвідношення для визначення оптимальної кількості паралельних гілок з урахуванням бажаної вихідної потужності. Практична значимість. Отримані результати надають рекомендації щодо вибору оптимальної кількості гілок у багатогілковому понижувально підвищувальному перетворювачі на основі бажаної вихідної потужності. Крім того, вони дозволяють реалізувати адаптивні стратегії перемикання для максимізації ефективності перетворювача.