T E L KO M NIK A In d o n e s i a n  J o u r n a l o f   E le c t r ic a E n g in e e r in g V o l . 1 5 , No .  1 , J u l y   2 0 1 5 p p . 5 7 ~ 6 2 DO I: 1 0 . 1 1 5 9 1 /t e l k o m n i k a .v 1 5 i 1 . 7 9 7 8 5 7 Re c e i v e d M a r c h 1 9 2 0 1 5 Re v i s e d M a y  2 , 2 0 1 5 A c c e p te d M a y  2 3 , 2 0 1 5 A   N in L e v el  Ca scad e d  M u l t i L e v e l I n v e t er  Usi n g E m b e d d e d  an d   F lip F lo p s C.R.Ba l a m u r u g a n * S .P . N a t a r a j a n , T .S . A n a n d h i,  B. S h a n t h i Aru n a i   E n g i n e e ri n g   C o l l e g e , T i ru v a n n a m a l a i ,   I n d i a * C o rre s p o n d i n g   a u t h o r, e - m a i l : c rb a l a i n 2 0 1 0 @ g m a i l . c o m Ab s t r a c t T h i s   p a p e p ro p o s e s   a   n i n e   l e v e l   c a s c a d e d   m u l t i l e v e l   i n v e rt e b a s e d   o n   t h e   f l i p   f l o p s   a n d   l o g i c g a t e s .   G e n e r a l l y   m u l t i l e v e l   i n v e rt e i s   u s e d   t o   a c h i e v e   t h e   h i g h   p o w e b y   u s i n g   a   s e ri e s   o f p o w e r s e m i c o n d u c t o s w i t c h e s   w i t h   t h e   s e v e r a l   d c   v o l t a g e   s o u rc e s   w h i c h   i s   u s e d   t o   p e r f o rm   t h e   p o w e r c o n v e rs i o n .   I n   t h i s   p a p e t h e   f l i p   f l o p   b a s e d   C M L I   i s   c o m p a r e d   w i t h   t h e   c o n v e n t i o n a l   C M L I .   T h e   f l i p   f l o p s a n d   l o g i c   g a t e s   a re   u s e d   t o   c re a t e   l o g i c   e q u a t i o n f o t h e   e a c h   s w i t c h   o f   t h e   C M L I   b y   u s i n g   t h e   s w i t c h i n g s t a t e s .   T h i s   p ro p o s e d   t o p o l o g y   i s   m a i n l y   u s e d   t o   re d u c e   t h e   t o t a l   h a rm o n i c   d i s t o rt i o n   a n d   a l s o   i n c r e a s e   t h e p e rf o rm a n c e   o f   t h e   s y s t e m . K e y w o r d s : C M L I ,   P W M , e m b e d d e d   c o n t r o l l e r , f l i p   f l o p s , l o g i c g a t e s C o p y r i g h t © 2 0 1 5 I n s ti tu t e   o f   A d v a n c e d   En g i n e e r i n g   a n d   Sc i e n c e .   A l l   r i g h t s   r e s e r v e d . 1 . In t r o d u c t io n In   r e c e n y e a r s   m u l ti l e v e l   i n v e r t e r s   h a v e   g a i n e d   m u c h   a tte n t i o n   i n   t h e   a p p l i c a ti o n   a r e a s o f   m e d i u m   v o l ta g e   a n d   h i g h   p o we r   d u e   to   th e i r   v a r i o u s   a d v a n ta g e s   s u c h   a s   l o w e r   c o m m o n m o d e   v o l ta g e l o we r   s tr e s s   o n   p o we r   s w i tc h e s   a n d   l o we r   h a r m o n i c   c o n t e n ts   i n   o u tp u v o l ta g e a n d   c u r r e n t.  F l i p   f l o p   i s   th e   b a s i c   s to r a g e   e l e m e n i n   s e q u e n ti a l   l o g i c F l i p   f l o p s   c a n   b e   d i v i d e d i n to   f o u r   f l i p   f l o p s S f l i p   f l o p s J K   f l i p   f l o p f l i p   f l o p   a n d   T   f l i p   f l o p . P h a r n e   [ 1 p r o p o s e d   a r e v i e w   o n   v a r i o u s   t y p e s   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r . K r i s h n a   K u m a r   e a l   [2 ]   d e v e l o p e d   a   n e to p o l o g y wh i c h   c o n t a i n s   th e   s y m m e tr i c   i n p u DC  s o u r c e s Ne d u m g a tt  e a l   [3 m a d e   n e w   to p o l o g y   o f c a s c a d e d   m u l ti l e v e l   i n v e r t e r J a v a d   E b r a h i m i   e a l   [ 4 d e v e l o p e d   a   to p o l o g y   i n   w h i c h   th e   d c v o l ta g e   s o u r c e s   c a n   b e   r e d u c e d K .K .G u p ta   e a l   [5 ]   p r o p o s e d   a   n e w   to p o l o g y   o f   m u l ti l e v e l i n v e r te r   wh i c h   i n c r e a s e s   t h e   n u m b e r   o f   l e v e l s   a n d   d e c r e a s e s   th e   s w i tc h e s Da m o u n   A h m a d i   e t a l   [ 6 m a d e   a   m u l ti l e v e l   i n v e r t e r   to p o l o g y   wh i c h   d e c r e a s e s   h a r m o n i c s F a e te   F i l h o   e a l   [7 ] d e v e l o p e d th e   h a r m o n i c   e l i m i n a t i o n   m e th o d   f o r   e l e v e n   l e v e l   c a s c a d e d   m u l ti l e v e l   i n v e r t e r . M a r i u s z   M a l i n o w s k i   e a l   [ 8 p r e s e n a   s u r v e y   o f   d i f fe r e n t o p o l o g i e s c o n tr o l   s tr a te g i e s   a n d m o d u l a ti o n   te c h n i q u e s   f o r   c a s c a d e d   m u l ti l e v e l   i n v e r te r T i a n to n g   H u   e t   a l   [9 ]   d e s c r i b e d   a n a s y m m e tr i c a l   m u l ti l e v e l   i n v e r te r   a n d   i ts   c o n tr o l l i n g   m e th o d .   Do m i n g o   Ru i z - C a b a l l e r o   e t   a l   [1 0 ] p r e s e n ts   a   h y b r i d   m u l ti l e v e l   i n v e r t e r   f o r   h i g h   p o w e r   a p p l i c a t i o n s . Ho l m e s   D.G   e a l   [1 1 p r o p o s e d th e   m u l ti c a r r i e r   P W M   s tr a t e g i e s   f o r   m u l ti l e v e l   i n v e r te r to p o l o g i e s . N. S .Ch o i   e a l   [1 2 d e v e l o p e d a  P W M   m e th o d  f o r   m u l ti l e v e l   i n v e r te r  t o p o l o g y . 2 . Co n v e n t io n a l S y s t e m T h e   s c h e m a ti c   d i a g r a m   o f   n i n e   l e v e l   c o n v e n t i o n a l   s y s te m s i s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 .   In th i s   m e th o d   th e   c a r r i e r   s i g n a l s   a r e   g i v e n   a s   t h e   i n p u t   a n d t h e   n i n e   l e v e l   o u t p u t   c a n   b e   o b ta i n . It  i s   t h e   a s y m m e tr i c a l   to p o l o g y   a n d   i c o n t a i n s   T w o   H   B r i d g e s i n   wh i c h   th e   v o l t a g e   s o u r c e s a r e  V d c , 3 V d c . T h e   s i m u l a ti o n   o u tp u o f   n i n e   l e v e l   c o n v e n t i o n a l   c a s c a d e d   m u l ti l e v e l   i n v e r te r   i s   s h o w n i n F i g u r e   2 . Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IS S N: 2 3 0 2 - 4 0 4 6 T E L KO M NIK A V o l 1 5 , No . 1 , J u l y   2 0 1 5 : 5 7 6 2 5 8 a     E 3 E p 5 p 6 p 7 p 8 p 9 p 1 0 p 1 1     p 1 2   n F i g u r e   1 . N i n e  l e v e l  C o n v e n ti o n a l  CM L I F i g u r e   2 S i m u l a ti o n   o u t p u o f  n i n e   l e v e l  Co n v e n t i o n a l   CM L I T h e   to ta l   h a r m o n i c   d i s to r t i o n   ( T HD )   a n a l y s i s   o f   th e   c o n v e n ti o n a l   m e th o d   i s   s h o w n   i n F i g u r e   3 . F i g u r e   3 . T HD a n a l y s i s  f o r n i n e  l e v e l  C o n v e n ti o n a l  C M L I 3 . E m b e d d e d  Co n t r o ll e r  B a s e d  C a s c a d e d  M u lt ile v e l In v e r t e r T h e   n e x to p o l o g y   i s   n i n e   l e v e l   c a s c a d e d   m u l ti l e v e l   i n v e r te r   b a s e d   o n   t h e   e m b e d d e d c o n tr o l l e r T h e   s w i tc h i n g   s t a te s   a r e   g i v e n   a s   t h e   i n p u t   b y   u s i n g   th e   M A T L A B /S I M UL INK T h e i n p u ts   a r e   g i v e n   i n   t h e   f o r m   o f   M a l a b   c o d i n g T h i s   m e th o d   c a n   b e   p r o d u c i n g   t h e   n i n e   l e v e l o u tp u wi t h   r e d u c e d   to ta l   h a r m o n i c   d i s to r ti o n   th a n   th e   c o n v e n t i o n a l   m e th o d T h e   s c h e m a ti c d i a g r a m  o f  e m b e d d e d  c o n tr o l l e r  b a s e d  CM L i s  s h o w n  i n F i g u r e  4 . Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A IS S N: 2 3 0 2 - 4 0 4 6 A  Ni n e   L e v e l  Ca s c a d e d   M u l ti   L e v e l  In v e t e r  Us i n g  E m b e d d e d  a n d  F l i p  F l o p s ( C.R. B a l a m u r u g a n ) 5 9 F i g u r e   4 E m b e d d e d  C o n tr o l l e r  b a s e d  n i n e  l e v e l  C a s c a d e d  M u l t i l e v e l   i n v e r te r T h e   n i n e l e v e l   s i m u l a ti o n   o u tp u o f   e m b e d d e d   c o n tr o l l e r   b a s e d   c a s c a d e d   m u l ti l e v e l i n v e r te r   i s  s h o w n   i n  F i g u r e   5 . F i g u r e   5 S i m u l a ti o n   o u t p u o f  E m b e d d e d  Co n tr o l l e r   b a s e d  n i n e   l e v e l  CM L I T h e  T HD a n a l y s i s  f o r  th e  a b o v e  m e th o d   i s  s h o w n   i n F i g u r e  6 . F i g u r e 6 . T HD a n a l y s i s  f o r  E m b e d d e d  C o n tr o l l e r  b a s e d  n i n e   l e v e l  CM L I Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IS S N: 2 3 0 2 - 4 0 4 6 T E L KO M NIK A V o l 1 5 , No . 1 , J u l y   2 0 1 5 : 5 7 6 2 6 0 4 . P r o p o s e d  F lip  f lo p B a s e d  Ca s c a d e d  M u lt ile v e l In v e r t e r T h e   p r o p o s e d   f l i p   f l o p s   b a s e d   n i n e   l e v e l   c a s c a d e d   m u l ti l e v e l   i n v e r te r   i s   s h o wn   i n F i g u r e   7 .   In   th i s   m e th o d   t h e   B o o l e a n   e q u a ti o n s   a r e   g i v e n   a s   t h e   i n p u t   f o r   th e   e a c h   s wi tc h   o f th e   C M L I.  T h i s   a s y m m e tr i c   m e th o d   c o n t a i n s   e i g h s wi tc h e s   a n d   v o l ta g e   s o u r c e s   a r e   V d c , 3 V d c T h e   B o o l e a n   e q u a ti o n s   c a n   b e   f o r m i n g   b y   u s i n g   th e   f l i p   f l o p s   a n d   th e   l o g i c   g a te s E a c h s w i tc h   r e q u i r e s   n u m b e r   o f   l o g i c   g a te s B y   u s i n g   th e   s wi tc h i n g   s ta te s   th e   B o o l e a n   e q u a t i o n s c a n   b e   f o r m e d T h e   to t a l   h a r m o n i c   d i s to r t i o n   o f   th e   f l i p   f l o p   b a s e d   m e th o d   c a n   b e   r e d u c e d th a n   t h e   c o n v e n ti o n a l   a n d   e m b e d d e d   c o n tr o l l e r   b a s e d   m e th o d . T h e   p e r f o r m a n c e   o f   th i s m e th o d  a l s o   i n c r e a s e d  th a n  th e  p r e v i o u s  m e th o d s . T h e  s wi tc h i n g   l o s s e s  a l s o   wi l l   b e  r e d u c e d . a     E 3 E p 5 p 6 p 7 p 8 p 9 p 1 0 p 1 1     p 1 2   n F l i p   f l o p L o g i c g a t e s F i g u r e   7 . N i n e  l e v e l  C a s c a d e d   M u l ti l e v e l  i n v e r te r  b a s e d  o n  F l i p  f l o p s T a b l e  1 S wi tc h i n g  s ta t e s  o f  p r o p o s e d f l i p  f l o p  b a s e d   n i n e  l e v e l   CM L I S w i t c h i n g   s t a t e s O u t p u t v o l t a g e P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 1 1 0 0 1 1 0 0 4 V d c 0 1 0 1 1 1 0 0 3 V d c 0 0 1 1 1 1 0 0 2 V d c 1 1 0 0 0 1 0 1 V d c 0 1 0 1 0 1 0 1 0 V d c 0 0 1 1 0 1 0 1 - V d c 1 1 0 0 0 0 1 1 - 2 V d c 0 1 0 1 0 0 1 1 - 3 V d c 0 0 1 1 0 0 1 1 - 4 V d c T h e   a b o v e   ta b l e   r e p r e s e n t s   th e   s wi tc h i n g   s ta te s   o f   th e   a s y m m e tr i c   c a s c a d e d   m u l t i l e v e l i n v e r te r   b a s e d   o n   t h e   f l i p   f l o p s   a n d   th e   l o g i c   g a te s A t   th e   l e v e l   o f   4 V d c th e   s wi t c h e s   P 1 P 2 , P 5 a n d   P 6   wi l l   b e   tu r n e d   O a n d   t h e r e m a i n i n g   s w i t c h e s   wi l l   b e   tu r n e d   O F F In   th e   3 V d c   l e v e l P 2 P 4 P 5   a n d   P 6   s w i tc h e s   s h o u l d   b e   tu r n e d   O N.  T h e   2 V d c   l e v e l   c o n ta i n s   P 3 P 4 P 5   a n d   P 6 s w i tc h e s   w i l l   b e   t u r n e d   O N.   A th e   l e v e l   o f   V d c P 1 P 2 P 6   a n d   P 8   s wi tc h e s   a r e   t u r n e d   O a n d P 2 P 4 P 6 ,   P 8 s wi tc h e s   m u s b e   tu r n e d   O i n   0 V d c   l e v e l T h e   B o o l e a n   e q u a ti o n s   c a n   b e f o r m e d   b y   u s i n g   th e   a b o v e   s wi tc h i n g   s ta te s .   T h e   B o o l e a n   e q u a t i o n s   f o r   t h i s   t o p o l o g y   a r e   l i s te d b e l o w . S 1 =  D’ C’ B A + D’ C B A + D B A + D C B A ( 1 ) S 2 = C’ B A + C B A + D’ B + D B A + C B A + D’ A ( 2 ) S 3 = DC’ B A + DC B A + D B A + DC B A ( 3 ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A IS S N: 2 3 0 2 - 4 0 4 6 A  Ni n e   L e v e l  Ca s c a d e d   M u l ti   L e v e l  In v e t e r  Us i n g  E m b e d d e d  a n d  F l i p  F l o p s ( C.R. B a l a m u r u g a n ) 6 1 S 4 = C’ B A + C B A + D’ B A + D B + C B A + DA ( 4 ) S 5 = D’ B A + D’ CB + D’ C B ( 5 ) S 6 = CB A + C’ B + D ( 6 ) S 7 = DB A + D CB + D C’ B ( 7 ) S 8 = CB A + C’ B + D ( 8 ) T h e  s i m u l a ti o n  o u tp u t o f  f l i p  f l o p  b a s e d  C M L i s  s h o w n  i n F i g u r e  8 . F i g u r e   8 S i m u l a ti o n   o u t p u o f  P r o p o s e d  Ni n e   l e v e l  Ca s c a d e d   M u l ti l e v e l  i n v e r te r T h e  T HD a n a l y s i s  f o r  f l i p  f l o p  b a s e d  p r o p o s e d  m e th o d  i s  s h o w n  i n F i g u r e  9 . F i g u r e   9 . T HD a n a l y s i s  f o r  F l i p  f l o p  b a s e d   n i n e  l e v e l   C M L I T a b l e  2 . T HD v a l u e s o f  th r e e  to p o l o g i e s M u l t i l e v e l   i n v e r t e r C o n v e n t i o n a l   C M L I M a t l a b   b a s e d   C M L I P r o p o s e d   F l i p   f l o p b a s e d   C M L I T o t a l   H a r m o n i c D i s t o r t i o n 2 6 . 9 5 % 1 4 . 9 9 % 1 3 . 2 7 % 5 . Co n c lu s io n In   th i s   p a p e r   f l i p   f l o p   b a s e d   n i n e   l e v e l   c a s c a d e d   m u l ti l e v e l   i n v e r te r   i s   p r o p o s e d T h i s to p o l o g y   i s   c o m p a r e d   wi t h   th e   c o n v e n t i o n a l   m e th o d   a n d   th e   e m b e d d e d   c o n tr o l l e r   b a s e d m e th o d T h i s   to p o l o g y   c a n   p r o d u c e   th e   n i n e   l e v e l   o u t p u wh i c h   a r e   n e a r e r   to   th e   s i n u s o i d a l Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IS S N: 2 3 0 2 - 4 0 4 6 T E L KO M NIK A V o l 1 5 , No . 1 , J u l y   2 0 1 5 : 5 7 6 2 6 2 wa v e s T h e   to ta l   h a r m o n i c   d i s to r ti o n   o f   th e   p r o p o s e d   to p o l o g y   c a n   b e   r e d u c e d   th a n   th e c o n v e n ti o n a l   a n d   t h e   e m b e d d e d   c o n tr o l l e r   m e th o d T h i s   to p o l o g y   i s   a l s o   u s e d   to   i n c r e a s e   th e p e r f o r m a n c e  o f  th e  s y s te m . Re f e r e n c e s [ 1 ] Ph a rn e   I D . R e v i e w   o n M u l t i l e v e l   I n v e rt e T o p o l o g y . I EEE  c o n f .   R e c . 2 0 1 3 : 7 0 0 - 7 0 3 . [ 2 ] Kri s h n a   Ku m a r,   G u p t a ,   Sh a i l e n d ra   J a i n . M u l t i l e v e l   I n v e rt e T o p o l o g y   b a s e d   o n   s e r i e s   c o n n e c t e d s w i t c h e d   s o u r c e s . I E T   Po w e El e c t r o n .   2 0 1 3 ;   6 ( 1 ) :   1 6 4 - 1 7 4 . [ 3 ] J a c o b   J a m e s   N e d u m g a t t ,   Vi j a y a k u m a D , Ki ru b a k a ra n   A,   U m a s h a n k a S . M u l t i l e v e l   I n v e rt e w i t h R e d u c e d   N u m b e o f   Sw i t c h e s . Pro c .   I EEE  c o n f   R e c . 2 0 1 2 . [ 4 ] J a v a d   Eb r a h i m i , Eb ra h i m   Ba b a e i ,   E b ra h i m   B a b a e i . n e w   m u l t i l e v e l   c o n v e rt e t o p o l o g y   w i t h   re d u c e d n u m b e o f   p o w e e l e c t ro n i c   c o m p o n e n t s .   I EEE T ra n s a c t i o n s   o n   i n d u s t ri a l   e l e c t ro n i c s . 2 0 1 2 ;   5 9 ( 2 ) : 6 5 5 - 6 6 7 . [ 5 ] G u p t a   KK,   J a i n   S. T o p o l o g y   f o M u l t i l e v e l   I n v e rt e rs   t o   At t a i n   M a x i m u m   N u m b e o f   L e v e l s   f ro m   G i v e n D C   So u rc e s . I ET   P o w e El e c t r o n .   2 0 1 2 ;   5 ( 4 ) :   4 3 5 - 4 4 6 . [ 6 ] D a m o u n   Ah m a d i ,   Ke Z o u ,   C o n g   L i ,   Y i   H u a n g ,   J i n   W a n g . A   U n i v e r s a l   Se l e c t i v e   H a rm o n i c   El i m i n a t i o n M e t h o d   f o H i g h - Po w e I n v e r t e rs . Pro c e e d i n g s o f   t h e I EEE  T ra n s a c t i o n s   o n   p o w e e l e c t r o n i c s . 2 0 1 1 ; 2 6 ( 1 0 ) :   2 7 4 3 - 2 7 5 2 . [ 7 ] F a e t e F i l h o ,   L e o n   M ,   T o l b e rt ,   Y u e   C a o ,   Bu r a k   O z p i n e c i . R e a l - T i m e   P a n e l s   U s i n g   Art i f i c i a l N e u ra l N e t w o rk   An g l e   G e n e ra t i o n . P ro c e e d i n g s o f   t h e I EEE  T ra n s a c t i o n s   o n   i n d u s t ry   a p p l i c a t i o n s . 2 0 1 1 ; 4 7 ( 5 ) :   2 1 1 7 - 2 1 2 4 . [ 8 ] M a ri u s z   M a l i n o w s k i ,   G o p a k u m a K,   J o s e   R o d ri g u e z ,   M a rc e l o   A re z . Su rv e y   o n   C a s c a d e d M u l t i l e v e l   I n v e rt e r s . I EEE  T ra n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l   El e c t ro n i c s . 2 0 1 0 ;   5 7 ( 7 ) : 2 1 9 7 - 2 2 0 6 . [ 9 ] T i a n t o n g   H u ,   Sh o u h u a   Ba i . R e s e a r c h   O n   T h e   T o p o l o g y   t h a t   Ba s e d   o n   An   As y m m e t ri c a l   M u l t i - l e v e l I n v e rt e rs . 2 0 1 0 : 1 - 3 . [ 1 0 ] D o m i n g o   R u i z - C a b a l l e ro ,   L u i s   M a rt i n e z ,   R e y n a l d o   R a m o s ,   S a m i M u s s a . N e w   A s y m m e t r i c a l   H y b r i d M u l t i l e v e l   Vo l t a g e   I n v e rt e r . Pr o c e s s . I EEE  c o n f   R e c . 2 0 0 9 : 3 5 4 - 3 6 1 . [ 1 1 ] H o l m e s   D G ,   M c G ra t h   B P, M u l t i c a rri e P W M   s t r a t e g i e s   f o m u l t i l e v e l   i n v e rt e r s . I EEE  T ra n s a c t i o n s   o n I n d u s t ri a l   El e c t ro n i c s . 2 0 0 2 ; 4 9 ( 4 ) :   8 5 8 - 8 6 7 . [ 1 2 ] N C h o i ,   J u n g   G C h o ,   G y u   H   C h o . g e n e ra l   c i rc u i t   t o p o l o g y   o f   m u l t i l e v e l   i n v e rt e r . I n I EE C o n f .   R e c . 1 9 9 1 : 9 6 - 1 0 3 . Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.