Indonesi an  Journa of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   9 , No .   2 Febr ua ry   201 8 ,  pp.  395 ~ 402   IS S N:  25 02 - 4752 , DO I: 10 .11 591/ ijeecs . v9.i 2 . pp 395 - 40 2           395       Journ al h om e page http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   A Comparati ve Stud y o f  P hase O ffset Disp osition S inu soidal  Pul se  Wi dth  Modu lation (POD - SP WM) an d Symm etr i cal P ulse  Width  Modulat ion Swit ching T echiq ues for G enerali ze Current  Source  Multi level Inve rter(MCSI )       Nik F as di  Nik  Isma il 1 ,   N as r udin  Ab d ul R ah im 2 Siti  Roha ni  Sheikh  Raiha n 3 , 3Y usu Al - Turki 4     1,2,3,4  Faculty  o f  Elec tric al  Eng ineerin g, U nive rsiti  Tekno l ogi M ARA, 4 0000 S ha h Alam Sela ngor, Mal a ysi a   1,2,3   UM Powe r  En e rg De dicat e A dvance d C entre  ( UMP EDA C ,  Uni ve rsiti  Mal ay a, Lev el   4,   Wism aR &D,  Ku al Lum pu r ,  Mal ay sia   4 Dep a rtm ent o f  Elec tric al  and  Com pu te E ng i neer i ng, Co ll e ge of  Enginee r ing  a nd Re newable E nergy G r oup,  King  Abd ul Azi z U ni ver sit y,  Jed dah,  Ar a S aud i       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Oct   9 , 2 01 7   Re vised  Dec   2 0 , 2 01 7   Accepte Ja n   11 , 2 01 8       Thi pape pr ese nts  compari son  bet wee two  s witc hing  t ec hn iq ues  namel y   Phase  Offs et   Dispos it ion  Sinus o ida PW (P O D - SPWM and  S y m m et ric a l   PW sw it chi ng  for  gen era l ize cur ren sour ce  m ult il ev el   inv er te (MCS I)  topol og y .   On o the   adva nt age s   of  MCS is  it   c an  red u ce   the   total  har m oni distort ion  ( TH D)  at   the   ou tp ut  loa d   cur r ent  with  sinuso ida cur ren wave form .   In  th is  pape r ,   the  gen era l iz ed   MCS with  the   d iffe r e nt  le v el has   bee d eve lop ed   with  Mat la b@ sim ula ti on  soft ware   in   orde t stud y   the  per form anc e   of  the   two  sw it ching  sche m es  for  the   op era t ion  of   the  MCS I .   From  the   sim ul at ion  result s,  P OD - SPWM  s witc hing  techniqu ca give  bet t er  THD r esul ts c om par e   t s ym m et ric al   sw itc hing  t ec hniqu e   Ke yw or d s :     Copyright   ©   201 8   Instit ut o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e   Al l   rights re serv ed .   Corres pond in Aut h or :   Nik Fasdi  N i k Ism ail   Faculty  of Elec tric al  Engineer ing ,     Un i ver sit i Te knol og i M ARA ,  4000 S ha h A lam , S el angor,    Ma la ysi a   Em a il nik fasd i @yah oo.co m       1.   INTROD U CTION   An   in ve rter  co nv e rts  direct  c urren ( DC)  to  al te rn at ing   c urren ( AC) Inv erters  can  be  c la ssifie int two  t opologies ; vo lt age  sou rc e inv e rters  ( VSI)  a nd c urren t s ource i nv e rters  ( CSI ). Both  of  the top ologies  hav e   their  own  ad va ntages  a nd   dis adv a ntage co m par to  oth er s.  To day,  m os t   of   the  publis he resea rch es  are  on  VS c om par to  CSI  in  te rm   of   publica ti on s   and   researc works.  T his  is  because   VSI  topolo gies  ha ve   m or e   com m on   adv a ntage  in  powe co nv e rter  a ppli cat ion s uch  as  dev ic vol ta ge  rati ngs,  hi gh e e ff ic ie nc and   m or pr act ic al   in  industrial   ap plica ti on [ 1] [8] H oweve r,   CSI  is  ver po pu la with  thei sp eci al   featu r es  as   com par e to V S su c as the r e li abili ty o the input inducto r, short circuit  cu r ren t p r o te ct ion  a nd  i nh e rent  b oost   char act e risti cs [9] [ 12] .   This  pa per   fo c us e on  Mult il evel  Current  S ource  I nv e rter  (MCS I with  tw different   switc hin sche m es.  The  switc hing  schem na m el Ph ase  D ispo sit io P WM  and   sym m etr ic al   P W has   been  us e to  ge ner at five - le vel  ou t pu cu rr e nt  f or  the  MC SI I the  stud y,  the  s i m ulati on for  5 - le vel,  7 - le vel   an 9 - le vel of MC SI   ha ve been  c onduct ed  i M ATL AB/Si m ul ink   softwa re.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci,   Vol 9 ,  No.  2 Fe br uary   201 8   :   395     4 02   396   2.   MU LT ILE VE L CUR RENT  SOUR CE I N VERTER  (M CS I )   The  ge ner al iz e MC S to polog i Fi gure  was  i ntr oduc ed  in   [ 13] a nd  for  t he  fi ve - le vel  outp ut   MC SI   is  s ho wn  in   Fig ure  2.   This   fi ve - le vel  ci rc uit  co ntains  of  four  co uple of  pa rall el   com plem entary  (PW M s witc he w hich  a re  S 5 S 6 S 7 S 8 S 3 S and   S 1 S 2 In   t he   MC SI the   in te rm ediat cur r ent  m us be  eq ually  distrib uted  am ong  al branc he in  orde to  hav a   cu rr e nt  balancin g.  I the  cu rr e nt  are  no e qu al ly   sh a red,  th e   ou t pu c urre nt  wav e f or m   bec om un bala nce d,   t hus  the   t ot al   har m on ic   distor ti on  (THD )   f or   t he  outp ut  load   current  bec ome s h i gh e r.         1 L 2 n L 1 n L 21 n S 1 S 3 S 5 S 2 S 4 S 6 S 2 n S DC I     Figure  1:  Gen e ral MC SI   N - Le vel       Ther e f or e,   the   switc hi ng  co nt ro sc hem use i the   MC SI   nee ds   t e nsure   the   cu rr e nt  ba la nci ng   betwee the  in te rm ediat e   ind ucto curre nt  le vels.  I orde r   to  stud the  eff ect ive ness  of   these  two  ty pe of  switc hing  c on t ro sc hem nam el PO SP WM  an Sym m et rical   PW M the  c om par ison  was   m ade  betwee the s witc hing s trat egies.       1 L 1 S 3 S 7 S 5 S DC I 4 S 2 S 6 S 8 S 2 L f C L o a d     Figure  2 : Fi ve - Level MC SI       Table  s hows   the  switc hing   sequ e nce  f or   5,   a nd   le ve ls  of   CSI.  In   n - le vels  of   CS I,   2(n - 1)   of   switc hes  are  ne eded.  He nce,  for  5 - le vel  of   MC SI switc hes  are  nee de d,  wh e reas  12  s witc hes  are  ne eded   f or  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A Co mpar ative  S tu dy of P has e O ff set  D is pos it ion  S i nuso i dal Pulse Wi dth   Mo du l ation    ( First  Au th or )   397   7 - le vel  and   16  switc hes  need   for   9 - le vel  of  MC SI Th ere fore,  it   can  be  c oncl ude  that,  f or  the  n - le vel  of   MC SI  requires  of  2 (n - 1)  nu m ber of  sw it ches .       Level   ON Swit ch es   Ou tp u t Cu rr en t   1   S 4 , S 6   0   2   S 2 , S 4 , S 5 S 7   I   3   S 2 , S 4 , S 6 S 7   I/2   4   S 1 , S 4 , S 6 S 8   - I/2   5   S 1 , S 3 , S 6 S 8   - I     Level   ON Swit ch es   Ou tp u t curre n t   1   S 5 , S 7   0   2   S 2 , S 4 , S 6 S 7 , S 9 S 11   I   3   S 2 , S 4 , S 6 S 8 , S 9 S 11   2 I/3   4   S 4 , S 6 , S 8 S 9   I/3   5   S 3 , S 6 , S 8 S 10   - I/3   6   S 1 , S 3 , S 5 S 7 , S 10 S 12   - 2 I/3   7   S 1 , S 3 , S 5 S 8 , S 10 S 12   - I       (a)   Sw it chi ng s equ e nces  for 5   le vels MC SI     (b)  S witc hing  s equ e nces  for 7   le vels MC SI     Level   ON switch es   Ou tp u t curre n t   1   S 8,   S 10   0   2   S 2 , S 4 , S 6 S 8 , S 9 S 11 , S 13 , S 15   I   3   S 2 , S 4 , S 6 S 8 , S 10 S 11 , S 13 , S 15   3 I/4   4   S 2 , S 4 , S 7 S 9 , S 13 S 15   I/2   5   S 2 , S 7 , S 9 S 15   I/4   6   S 1 , S 8 , S 10 S 16   - I/4   7   S 1 , S 3 , S 7 S 9 , S 14 S 16   - I/2   8   S 1 , S 3 , S 5 S 8 , S 10 S 12 , S 14 , S 16   - 3 I/4   9   S 1 , S 3 , S 5 S 7 , S 10 S 12 , S 14 , S 16   - I     (c)   Sw it chi ng s equ e nces  for 9   le vels CSI     Table  1: a) Swi tc hin g se qu e nc es for  5 le vels  CSI, b) S witc hi ng   seq ue nces  for 7 levels  CS I,     c) Swit chin s equ e nces  for 9   le vels CSI .       2 . 1 Ph as e O ffset  Disposi tio n ( P OD - SP W M) w ith  sin gl e carrier     In   gen e ral  the   POD - S P W is  si m ple  and   ge neral   switc hing  te ch niqu for  m ultilevel  inv erter s.   This  te chn i qu e   us es  sing le   sinu s oid al   re fe ren ce  sig nal  w it four   car rier   sign al s.  The se   sign al nee to  be   com par ed  in  orde to  pro du c gating  sig nals  fo the  i nvert er  as  sh ow in  Figu re  for  5 - le vel  MC SI .   Fr om   the f ig ur e , th ou t pu t S P W is set  to  be  O N”  sta te  when   the r efe re nce si gn al  is  higher  t han  t he  car rier  sign al   and   i the  OFF”  sta te   wh e lowe tha the  carrier  si gn al s .   The  m ulti le ve carrier  sig nal   can  be  ei the i the  form   of   phase sh ifte or  le vel   sh ifte as p re s ented  i [ 10] [ 9],  [ 14] [ 16] . U su al l y,  in   n - l evel  of  c urren t source   inv e rter,   one  s inu s oid al   si gnal   will   be  c om par ed  with   ( n - 1)  num ber   of  car rier   sig nal,  but  i the   pu rpos e POD - S P W M   te chn i qu e on ly   one  ca rr ie r   sig nal  an one  si nu s oi dal  sig nal  will   be  us e t gen e rate  the   P W M   pu lse s   f or  the   inv e rter.   The   gen e rati ons  of  switc hi ng  sig nals  in   or der   t gen e rate  different  le vel  of  ou t put   current a re sh own  in Fi gures . 4(a to  4( d) .           Figure  3 .   O perat ing   P rinci ple  of SP WM  Tec hn i qu e   f or 5 - le vel MC SI   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci,   Vol 9 ,  No.  2 Fe br uary   201 8   :   395     4 02   398       a. I m ax   b.  + I/2       c.  I/2   d. - I m ax     Figure  4.   (a ),   ( b), ( c ), ( d) O pe rati on of  Si ngle  Carrier Si gn al   POD - S P WM in  5 - le vel M CSI       2 . 2 Sy m metri cal PW M Sw itchin Si gnal   This  te chn i qu e   com par es  si nu s oi dal  sign al   with  sing le   li ne  sign al I this  stud y,  the  a m pl it ud of  the  sin gle  li ne  is  fixe at   0.5  at   al per io ds.  The  c om pari so betwee s inu s oid al   waveform   and   sin gle  li ne  pro du ces   P WM  sig nals  a s   sho wn  in  Fig ur e   5.  T his  s w it ching  sig nals   is  co ns i der e as  sym m et rical  sig nal   because   produ ces switc hi ng s ign al   wh ic is  al ways 50%  of  duty  cyc le .           Fig ure  5.   O perat ing   P rinci ple  of Sym m et rica l P W Sw it ch ing   Sig nals       3.   RESU LT   A N D DIS CUSSI ON   In   this  sect io n,  the  sim ulati on   res ults  for   5 - le vel,  7 - le ve and   9 - le vel   of   MC SI   a re   discuss e d.  The or et ic al ly by  inc reasin the  num ber   of  outp ut  c urrent   le vels,  it   wil le ad  to   the  r edu ct io of  T HD  of   ou t pu c urren and   as  resu lt   s m al l   siz of   filt er  is  needed.  F or   t he  sim ula ti on   pa ra m et ers,   the  m a xim u m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A Co mpar ative  S tu dy of P has e O ff set  D is pos it ion  S i nuso i dal Pulse Wi dth   Mo du l ation    ( First  Au th or )   399   current  is  set   t be  20A  a nd   the  switc hing  f r equ e ncy  is  kHz.  Each  pow er  switc in  th si m ulati on   c on sist s   of the  IG BT  w i th the se ries  di od e s.  T he  ci rcui t sim ulati on  fo the  5 - le vel M CSI a re show n i F ig . 6.         Fig ur e  6 Five - le vel MC SI                                           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci,   Vol 9 ,  No.  2 Fe br uary   201 8   :   395     4 02   400   Table  : C omparis on of  O utp ut C urre nt  Wav ef or m    f or   5, 7  a nd  Le vels   of CSI   W it a nd  W it ho ut Fil te (a POD - S P W M   Wav e f or m , ( b)  Sym m et rical   P W M S witc hi ng Sig nal  Wavefo rm   Level     Ou t pu t C urre nt  W a vefor m s   W it Fil te r   W it hout Filt er   5       (a)   POD - SP W M       (b)  Sym m e tric al  P W M       (a)   POD - SP W M       (b)  Sym m e tric al  P W M   7       (a)   POD - SP W M       (b)  Sym m e tric al  P W M       (a)   POD - S P W M       (b)  Sym m e tric al  P W M     9       (a)   POD - SP W M       (b)  Sym m e tric al  P W       (a)   POD - SP W M       (b)  Sym m e tric al  P W M       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A Co mpar ative  S tu dy of P has e O ff set  D is pos it ion  S i nuso i dal Pulse Wi dth   Mo du l ation    ( First  Au th or )   401   Table  s hows   the  ou t pu cu r ren wa ve form   fo 5,   an le vels  of   MC S for  the  P OD - SP W a nd  Sy m m e tric al   P WM  Sw it chi ng  Sig nals  with  and   without  filt er.  From   the  resu lt s,  the  wa ve form   beco m e m or sinu s oid al   with  the   inc rem e nt  of  nu m ber   of   le vels.  H oweve r,   bet wee the   P OD - SP WM  an Sym m et rical  switc hing  sche m es,  the  PO D - SP WM  can  ge ner at good   qu al it of   ou t pu cu rr e nt  wa vefor m with  low  THD  val ues  as   show i Ta bl 4.   T he  T H D   for  a nd  le vels  are  le s than   5%   f or   t he   POD - SP W M .   Th e   POD - S P W M   is  able  t ge nerat m or nu m ber  of  pulse s ign al c om pared  to   Sym m e tric al   P W S wi tc hin Sign al [17] . As  a res ult, it  can   reduce t he  T H D value at t he ou t pu t c urre nt.       Table  4: Com par iso n perce nta ge of  THD  bet ween P OD - SP WM a nd    Sy m m e tric al  PW M S witc hing  Sig nals   Level   % THD  of  POD -   P W M %   % THD  of   Sy m m et rical  P W   5   6 .72   1 3 .45   7   4 .24   6 .37   9   3 .72   4 .57         4.   CONCL US I O N   In   t his  stu dy,  com par iso betwee P OD - SP W with  a   sing le   ca rr ie r   and  Sym m et rical   P W switc hing  sc hem are  pres ented.  T he  operati on  for  t he  propose conve rter  has   bee sim ulated   with   MATLAB/Si m ulink.  T he  pro po s ed   switc hi ng  sc hem es  fo r   both  te c hn i ques  are  a ble  to   pro du ce   the  de sire ou t pu c urren le vels.  From   t he  analy sis  by  increasin the  nu m ber   of  out pu le ve ls  of  MC SI f ro m   5 - le vel  to   9 - le vel,  the  pe rcen ta ge  of  To ta Har m on ic   Distortio ( TH D)   ar sig nificantl red uc ed Howe ver,  the  POD - SP W s witc hin te ch nique  c an  giv bette ou t pu res ults  com par to  the  Sy m m et rical   P W te ch niqu with   low %  of   TH D  for  sim il a le vel o f  outp ut c urren t.       ACKN OWLE DGE MENT     The  a uthor a ppreciat fina nc ia su pp or by  the  U niv e rsity   Tech no l og M ara  ( UiTM)   thr ough  gr a nt  of 60 0 - IRMI/D ANA 5/3 /LES T ARI (00 22 / 2016) .       REFERE NCE S   [1]   W .   Choi, P.   N.   E nje ti, and  J.   W .   How ze ,   Deve l o pm ent   of an  Equ iva l ent   C irc ui t M odel   of a  Fue l Cel l   to  Eva lu at e   th Ef f ec ts of   Inve r te r   Rippl e   Curre nt ,   Ina. Powe Elec tron.  Conf .   Ex po .   2004 .   A PE C   ’0 4.   Nin et.  Annu.   I EEE ,   vol. 0, no. C,   pp .   35 5 361,   2004 .   [2]   S.  A.  Azm i ,   K.   H.  Ahm ed,   S.   J. F inney ,   and  B .   W .   W il liam s,  Com par at ive a n aly sis b et wee n   vol ta ge   and   cur r ent   source   inv erters  in  grid - connect e application ,   R ene w.   Pow er  Ge ner.   ( RP G 2011) ,   IET   Conf. ,   pp .   1 6,   2011 .   [3]   J.  R.   Espinoza,  L.   A .   Moran ,   an J.  I .   Guzm an ,   Multi le v el T hre e   Phase  CS b ase AC Drive for H igh  Perform anc e,”  2 005  IEEE  36 th  P ower  Elec tron .   S pec .   Conf . ,   pp.   2 553 2559,   2005 .   [4]   M.  R.   Aghae br a himi,  A.   H.  Ka z emian, a nd  M .   A .   Sham sinej ad ,   A ne w Com bined   Circ u it   fo DC - 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