Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   13 ,  No.   2 ,  Febr uar y   201 9 , pp.  461 ~ 468   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v 1 3 .i 2 .pp 461 - 468          461       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Sim pli fied five - level  volt age s ourc e inve rter w i th le ve l - ph ase - shifted  carri er s  based mo du lation techniq ue       Suro s o 1 ,  Daru  Tri  N u gr oho 2 , Abdulla h  Nur  A z is 3 , To shi hiko N oguchi 4   1 ,2,3 El e ct ri ca l   En gine er ing  Dep artm ent ,   Jend era l   Soedirman  Univ er sit y ,   Indon esia   4 Gradua te Schoo l  of Engin ee ring ,   Shizuoka Univers ity ,   Jap an       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   J ul   1 1 , 2 018   Re vised  Sep   1 2 , 2 018   Accepte d  Se p   2 6 , 201 8       A  sim pli fie d  ci rcu it   topol og y   of   the   five - le v el   i nver te r  for  DC - AC  power  conve rsion  wit h  non - insula t ed   DC  power  source s  a long  wi th  red uc ed   sw it chi ng  dev ice  count   is  int ro duce d  and   discu ss ed  in  thi s  rese arc h  pap er .   The   inve rt er  c irc uit  is  b ase d   on  th e  thre e - le ve l  H - bridg e   inve r te r   conf iguration.   T he  deve lop ed  fiv e - le v el   PW M  in ver te r  ne eds  five  cont rolled   power  sw it che s   and  four  iso la t ed  gate  dri ve  ci r cui ts .   Furthermore ,     the   proposed  to polog y   do es  not  req uire   bid ire c t iona l  power  se m ic onduct or   cont rolled  sw it c hes,   hen ce   a  c onvent ion al   dis cre t e  power  M OS FETs  or   IGBTs  ca n  be  used  to  buil d  the   inve rt er  ci r cui ts.   To  ac hie v e  a  b et t er  quali t y   AC  output   voltage,   the   l evel - p hase - shifte d  ca r rie rs  base d  sinu soidal   pulse   width  m odula ti o n  was  appl ie d  to   cre ate  a  fiv e - le v e l  PW M  volt age   wave form .   The   develope d   inve rte r  c irc u it   was  exa m ine d  b y   utilizin g  computer   sim ula ti on  with   Pow er  PS IM  sof twar e.  Th e  basi c   princ ip le  oper a t ion  of  th e  inve rt er  c irc ui t  was  ver ified  exp eri m ent a lly   in  l a bora tor y   apply in g  two  non - insula te d   DC  in p ut  voltage  sour ce s  as  th e  inpu t s  of  the   inv erter ’s  prototy pe  ci rcu it .   Som e  ana l y sis  of  in ver te r’s  outpu t   wave form s  are   provide d     and  discussed .   Ke yw or ds:   Har m on ic s   Modula ti on    Power  i nverter   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .     Al l   rights re serv ed.   Corres pond in g  Aut h or :   Su r oso ,   Ele ct rical  En gi neer i ng D e par t m ent,   Jen der al  S oe dirm an  Un i ver sit y,   Jl. May j en  S ungkono km .5 , P urbali ngga , J a wa  Te ngah , In donesia.   Em a il :  su ro s o. t e.uns oed@g m ai l.com       1.   INTROD U CTION     The  dem and   of  high  po wer   and   high  qual it y  po we r  inv e rters  f or   m any  util iz at ion s  as  industrial   m oto r  dr i ves  and  re ne wab le   ene rg y  c onve rsions  e nc our ages  t he  re sea rch e rs  t o  devel op   ne w  c onver te r   topolo gies  s uc h  as   m ulti le v el   powe r  in ve rters.   Co ntra st  to  the   t ra di ti on al   tw o - le vel  power  in ver te r ,     the  m ulti le vel  powe r  inv e rter s  po s sess  so m e  m erit s  su ch  as  their  pote nt ia l  to  yi e ld  a  higher  ou t pu t  powe r,   reduce d  volt ag e  change ( dv/d t),  dec rease d  gradie nt  cu rr e nt  change ( di/dt ),  an d  prefe rab le  ch aracte risti c  of  AC   vo lt age  wa vefor m s  eff ect ing   in  le ss  el ect rom agn et ic   no ise .  The  m ulti le vel  power   in ve rter  can  al s o  re duce  the   ou t pu t  filt er s iz e b y e nh a ncin g t he  in ve rter’ s  l evel co unt [ 1 - 5] .    The  def i niti on  of  m ulti le vel  powe r  in ver te r   ci rcu it s  i nclu des  a   th ree - le ve l  powe r  in ve r te r,   a nd  the  inv e rters  with  higher  le vel  num ber .  T o  dat e,  a  lot  of   i nverter  to polo gies  especial ly   volt age  source  i nvert e r   (V S I)   ci rc uits  hav e  been   de ve lop e d.   Ba sic a ll y,  there  are  fo ur  m ajo r  topo log ie s  of  m ultilevel  VS I  to po log ie s  hav e  bee n  pr e s ented   [ 6].  The y  are  the  casca ded   H - br i dg e s  m ul ti le vel  VS I  with  disju nct  DC  powe r  sou rces ,   the  ne utral  cl a m ped   m ulti lev el   VSI,  t he  fly ing   ca pacit or s  VSI  an d  the  hybri d  t opol og y  of   m ulti le vel     VS I  [7 - 12 ] .    The  topolo gy  of   casca ded   f ul l - br id ge  po we r  inv e rter  with   cl oistered  DC   power   sou rce s  has  a  gr eat   m erit   with  it s  m od ularit y.  Ev en  th ought,   it   has  disad va nta ge  s uc h  as   the   nee d  of  m any  dis j unct   DC  volt age  powe r  source s ,  an d  the  la r ge   nu m ber   of  con t ro ll ed  po wer   s witc hes.  The  m or e  the  con tr olled  s witc hes,    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   2 ,  Fe bru ary 2 019   :   461   –   468   462   the  m or e  co unt  of  isolat e d  dr i ving  ci rc ui ts  are  re qu isi te .  The  s eco nd  to polo gy  i.e .  the  diode  cl a m ped   m ul ti le vel  VS I  has  been   wide ly   app li ed  in  m od ern   AC  m oto r  dr ive  a pp li cat io n.   Th e  top ol og y  of   fly ing  capaci tor   V SI   i s  an oth e r  al te r native.  H ow e ve r,   t he  nu m ber  of  ca pacit or s   r equ i red  in  t his  inv e rter  ci rc uits  will   cause  an oth e r   chall eng e  suc h  as  the  interm ediat e  vo lt a ge  co ntro l  of  the  capaci tor  vo lt age s.  The  four t h  topolo gy  is  the  hybr id  m ulti lev el   VS I .  Ba sic al ly ,  the  hybr id  topolo gy  is  t he  topolo gy  of  m ultilevel  inv e rte r   dev el op e d  t o  reduce  s om e  sh ort fall s  in   the  th ree  t opol og ie s   of  m ult il evel  inv e rter   ci rcu it s  pr e vi ou sly   discusse d. Sti ll , th e ci rcu it  c om plexit y has  be com e ano the r i ssu e  of the m ulti le vel p ower i nv e rter ci rcu it s .   Ci rcu it   of  a   hy br i d  m ulti le vel   powe r  i n ver te r  c reated  from   the  H - br i dg e   volt age  s ource   inv e rter   a nd   su b - m ulti le vel  ci rcu it s  was  di scusse d  in  [ 13 ] .  The  sub - m ulti le vel  ci rcu it   i s  con st ru ct e d  us in g  capaci to r  an d  two  bid irect io nal  co ntr olled  switc hes.  A no t her   ci rcu it   to polo gy  of  m ultilevel  VSI  crea te d  f ro m   a  fu ll - bri dg e   inv e rter  an d  an  ad diti on al   bi directi onal   act i ve  powe r  switc h  as  sh ow n  in  Fig ur e  1  wa s  pr ese nted  in   [1 4 ] .   Nev e rtheles,   t he  a dd it io nal  bid irect io nal  c on t ro ll ed   po w er  s witc hes  i n  inv e rter   to polog ie s  desc rib ed  in   ref e ren ce   [ 13 ]   an d  [1 4 ]  will   cause   so m e  draw bac ks   of  the  in ve rter.   T he  c onve ntio na l  bid irect io na l  powe r  sem ic on duct or   con t ro ll ed  s witc hes  c onstructe d  by  c om bin ing   tw o  un i directi onal   powe rsem ic on duct or  con t ro ll ed  s witc hes  or  a  sin gle  con tr olled  power   s witc h  wit h  f our  di od es  c ause  the  total   inv e rter  power   losse s   go  u p.  A nother   structu re  of  m ulti le vel  inv ert er  ci rcu it s  buil t  fr om   the  three - le vel  cel l  of   H - bri dge  in ver te r  was   pro vid e d  in  [ 1 5 ] .  Eigh t  act iv e  switc hes  are   entai le d  in  this  inv erte r  ci rc uit.  Ci rcu it   structu re  of   a  fi ve - le v el   m ul ti string   in ver te r  was  dis cusse d  in  [1 6 ]   and   [ 1 7 ] .  T w o  detac hed  D C  vo lt age  s ou rces  with  six  act ive  switc hes  are  dem and ed  in  th is  inv erter  ci r cuit.  The  five - le vel  m ulti stri ng   in ver te r  str uctu re  is  sh own  in     Figure  2.   T he   la rg e  qu a ntit y  of   c ontrolle d  po we r  switc he s  an d  the  re quirem ent  of   se par at e d  DC  volt age   powe r  s ources  will   escal at e  the  intryc acy   of  i nv e rter  powe r  ci rcu it s.  Pa pe rs   [1 8 ]   de scri bed  an oth er   m ulti l evel  vo lt age   s ource   powe r  i nv e rte r  c on st ru ct e d  by  H - br id ge   V SI   a nd  tw o - le ve l  vo lt a ge  s our ce  m od ules.  I n  this  topolo gy,  six  c on t ro ll ed  powe r  switc hes  with  five  dis j unct   gate  dr i ve  po wer   s upplies  a re  entai le d  to  op e rate   the s witc hes of i nv e rter.           Figure  1. Five - le vel inverte r  e m plo yi ng  H - br idg e  VS I  and  au xili ary bi directi on al  sw it ch [1 4]       Figu re  2. Five - le vel m ulti s tring  in ve rter  [16]       2.   RESEA R CH MET HO D     In   this  researc h  pa per,  a  dist inct  topolo gy  of   five - le vel  V SI   with  non  i nsula te d  DC  volt age  powe r   so urces  a nd  re du ce d  s witc hing  de vice  c ount   is  pr ese nted .  Fu rt her m or e,  t he  de velo pe d  f ive - le vel  VS I   ci rcu it s  need  only   f our   gate  dr i ve  ci r cuits  f or  gatin g  sig nal  ge nerat ion .  I n  the   de velo ped  in vert er  to po l og y,   the  D C   input  pow er  s ources  a re  no n - i ns ulate d  D C  so urces.   F urt her m or e,  al l   con t ro ll ed   powe r  sem ic ondu ct or  switc hes  a re  s ole  directi onal   switc he s.  The  five - le vel  VSI  ci rcu it   was  des ign e d  an d  te ste d  th rou gh   c ompu te r  si m ulati on s  util iz ing   Powe r  P SI M  S of twa re.   Fu rt her m or e,  t he  basic  pr i nciple  operati on  of  the  in ver te r  ci rcu it   was veri fied  e xperim ental ly  in  laborat ory  of t he  in ve rter’ s  pr oto ty pe  ci rcu it.     2 . 1.       Pr opose d Inverter  C ir cuits  an d  It s  B as ic  O pera tio n   Figure  3  is  the  new   ci rc uit  of   five - le vel  pow er  inv e rter.  I n  this  new   to polo gy,  only   five  act ive  powe r   switc hes  with  four   isolat e d  ga te   dr ive  powe r  supp li es  an d  a  sing le   discre te   dio de  are  re qu i red.  The  le ss  the   act ive  se m ic on du ct or   s witc he s,  the  si m pler  inv e rter  ci rcu it s  will   be  ob ta ined .  A  lo w  pa ss  filt er  con sis ts  of   inducto r  (L f )  a nd   ca pacit or   ( C f )  is  co nnect ed  to  the  in ver te r.   Ta ble  1  ind i cat es  the  switc hing  co ndit ions  of   th e   new  f i ve  le vel  VS I for f ive le vel v oltag e ev oc at ion . Moreo ve r,  Fig ur e  4  pr esents the d et ai le d  op e rati on m od es   for  five - le vel  P WM  vo lt a ge  w aveform   (V PWM )  evo cat io n,   s pecifica ll y  +2V ,  +V ,  0,   - V  a nd   - 2V  outp ut  vo lt age   le vels.  The  loa d  volt age  wa ve form   get  near   to  a  sinu s oid a l  vo lt age,  wh ic h  is  a  five - le ve l  P W M  vo lt a ge   after   filt ering   by t he  low pa ss f il te r .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Simpli fi ed  fi ve - le vel  vo lt ag e  s ou r ce invert er   wi th leve l - phase - sh if te d  c ar rie rs base d mod ula ti on …   ( Suro s o )   463       Figure  3. The  c ircuit  of  pro posed five - le vel  VS I         (a)   Mod e  I : + V  le vel volt age       (b)   Mod e  II: +2 V  l evel volt age       (c)   Mod e  III:  - V  level v oltage       (d)   Mod e  IV:  - 2V  le vel volt age     (e)   Mod e  V :  0  le ve l vo lt ag e     (f)   Mod e  VI: 0  lev el  v oltag e     Figure  4. O perat ion  m od es  of f ive - le vel  VSI       Table  1.   Sw it c hing  C onditi ons  of Fi ve - Le vel   VSI   Op eration  M o d es   Q 1   Q 2   Q 3   Q 4   Q 5   D   V P W M   I   1   0   1   0   0   1   +V   II   1   0   1   0   1   0   +2 V   III   0   1   0   1   0   1   - V   IV   0   1   0   1   1   0   - 2V   V   0   0   1   1   0   0   0   VI   1   1   0   0   0   0   0       2 . 2 .      In ver ter’ s Modul at i on   Te chnique   A  pure  sin usoi dal  wa vefo rm   of   c urre nt  an d  volt age  are   id eal   sh ap e  f or  a l m os t  al l  AC  powe r  loa d.  Nev e rtheless ,  i n  r eal   co ndit ion   m any  factors   aff ect   t he  real  sh a pe  of  cu rret   and  volt age.   Be cause  of  volt age   dro p  in the circ uits and   vo lt a ge  r ipp le   of  the  DC i nput volt age sour c e, h a r m on ic  w il l app ear in  the A C  volt age  and  cu rrent  wa vefor m s  of  a  powe r  i nv e rter.   In  m any  inv ert er  ci rc uits  s ome   m od ulati on  s trat egies  are   a ppli ed  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   2 ,  Fe bru ary 2 019   :   461   –   468   464   to  achieve  lo w er  disto rtion   of  cur re nt  an d  volt age  [ 19,  20] .  Fu rt her m or e,  powe r  filt er  c ircuit s  are  al so   adde d  to  filt er  switc hi ng   ha rm on ic s  in  or der  to  obta in  a  cl os er   sin us oi dal  wav e f orm s.  In   t his  res earch ,  the   le ve l  an d  ph a se  sh ifte d  carriers  base d  m od ulati on   wa s  i m ple m ented  fo r  t he  dri ving  sig nal s   ge ne rati on   of   in ve r te r’ s  switc hes  a s  disp la ye d  in   Fig ure  5 .  T w o  ca rri er  sig nals  with  a n  ide ntica l  fr e qu e ncy  bu t  hav e   co ntra ry  ph a se   and  di ff e ren t  offset  le vel  w ere  us ed   to get her  with   a  si nuso i dal  m od ul at ing   si gn al   a s  sho wn  the  f igure.     The  basic  f re qu e ncy  com ponen t  of  AC  c urren t  an d  vo lt age  wav e f or m s   is  reg ulate d  by  the   sinusoidal  m od ulati ng   si gn al   a s  the   m odulato r  wav e form .   Sw it ching  ra pid it y  of   the  in ve rter’ s   powe r  sem ico nd uct or   switc hes  is  the   sa m e  with  the  fr e qu e ncy  of  tria ngular  ca rr i er  sig nals  [ 21,  22 ] .  Gati ng   sig nals  of  in ver te r  ar e   pro du ce d  by  t he  P W M  ge ne rator   c ontr olli ng   the  O N/O FF  co ndit ion   of   in ve rter’s  powe r  sem i con du ct or  switc hes  to  out pu t  the  de sired   five - le vel  volt age  sh a pe.   T he   gate  dr ive  ci rc uits  work   as  in te rf ace  an d  isol at ion  betwee n  the  h i gh po wer an d  c on t ro l ci rc uits.           Figure  5. Mo dula ti on  tec hniq ue of  the  five - le vel VSI       3.   RESU LT S   A ND AN ALYSIS     3.1.      Co m pu t er Simul ati on  Te st  R esults   Com pu te r  sim ulati on s   ex pe rim ents  wer e   pe rfor m ed  to  ver i fy  an d  t o  prove  the  basic  pr i nciple  wor ks   of   t he  de velo pe d  five - le vel  V SI   ci rc uits.  Par a m et ers  of  sim ulati on   te st  we re  in dicat ed  i n  Table  2.   A  five - le vel  VS I   ci rc uit  a s  disp la ye d  in  F igure  3  wa s  e xam ined.   A  lo w - pass   filt er  ci r cuit  with  i nduc tor  L f   =  1  m H  a nd  capaci tor  C f   =  5  µF  was  us ed .   The  fi ve - le vel  VS I   ci rcu it   w as  co nn ect e d  with  a  resist ive   and   i nductive  powe r   load,   i.e .  powe r  resist or  10  Ω ,  an d  powe r  in du ct or   1  m H.   The  s witc hing   op e rati on   fr e quency  of   c on tr olled   powe r  sem ic on duct or  switc he s  was  desig ne d  as  21   kH z   to  m ini m iz e  the  aud i ble  noise   and   to  pus h  the   switc hing  ha r m on ic s  into  hig he r  f reque nc y  or de rs.   T he  ou t pu t  vo lt age   fund am ental   fr eq ue ncy  was  50   Hz.  Tw o non - is olate d 12 V  D C  in pu t  volt age s ou rces   wer e  u se d as t he  i nv e rter ’ s in pu ts.     Figure  6  i nd ic at es  te st  res ults  of  c om pu te r   sim ulatio n  presenti ng  the   outp ut  volt age   wav e f or m s  create d   by  t he   five - le vel  VSI  ci rc uit.  A  five - le vel  volt a ge  wavef or m   has  bee n  c onf ir m ed.   Further m or e,    a  sinu s oid al   volt age  was  a ppli ed  to  the  power   loa d  after  filt ering   by  a  low - pa ss  filt er.  Figure  7  is  ha r m on ic  prof il e  of  the  ge ner at e d  five - l evel  volt age  w aveform   fo r  frequ e ncy  ra nge   up   t o  50  kHz.   Sw it chin g  harm on ic   com po ne nts  an d  it s  si deb an ds  app ea red   ar ou nd   fr e qu e ncy  21  kHz  an d  it s  m ul ti ples.  Figure  8  prese nts  the  low  har m on ic   orde rs  of  the   pr oduc ed  five - le vel  ou t pu t   volt age.   The   am plit ud es  of  al l  l ow  ha rm on ic   orde rs   we r e   le ss  tha n  1  % .  Fu rt her m or e,   F igure  9  disp la y s  a  c urren t   wa vefor m   flo wing  th r u  th e  pow er  loa d,  power  switc h  Q 5  a nd   powe r dio de  D of  in ve rter circ uits. A  sin us oi dal cu r ren t,  IL oad, fl ow e d  sup plyi ng  elec tric  po wer  to  t he   load  ci rc uit.  The  cu rr e nts  flo wing  via  the  switc h  Q 5   and   diode  D  we re  the  P W M  cu rr e nt s  with    fr e qu e ncy   21 kHz.       Table  2.   T est   P aram et ers   No .   Para m eters   Valu es   1   DC in p u t po wer  so u rce   v o ltag es   1 2  V   2   Switch in g  op eration  f requ en cy     2 1  kHz   3   Ind u cto r  p o wer  f ilters,  L f   1   m H   4   Cap acito r  p o wer  f i lter,  C f   5  µF   5   Po wer  lo ad     R   = 10   ,  L   =1   m H   6   Fu n d a m en tal o u tp u t  f requ en cy   5 0  Hz       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Simpli fi ed  fi ve - le vel  vo lt ag e  s ou r ce invert er   wi th leve l - phase - sh if te d  c ar rie rs base d mod ula ti on …   ( Suro s o )   465       Figure  6. Five - le vel P W M  AC  volt age (V pw m ),  an d l oa d vol ta ge  ( V Load )  w aveform s           Figure  7. Ha rm on ic   pro file  of  five - le vel  vo lt a ge wit h  the  s witc hin g ha rm on ic s consti tuents           Figure  8. Pro file  of the  lo w ha rm on ic  co m ponen ts             Figure  9.  W a ve form s o f  c urr ents f l ow i ng th ru the l oad, s w it ch  Q 5   a nd  diode  D   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   2 ,  Fe bru ary 2 019   :   461   –   468   466   3.2.      L aborat ory Pr ototype  Test  Resul ts   In   orde r  to  ex a m ine  the  five - le vel  V SI   ci rc uits  ex per im ental ly ,  a  five - le vel  inv e rter  prototype  wa s   m ade  us i ng   fiv e  powe r  M OSFETs  F K 30S M - 6,  an d  a   sin gle  po wer   diod e  VS - 30ET H 06PBF.   T he  le ve l - phase   sh ifte d  car riers   base d  P W M   te chn i qu e   was  app li ed .  T he   D C  inp ut  powe r  so urces   we re  a cqu i red  f ro m   the  t w o  adjusta ble  DC  vo lt age   sou rce s  co nn ect e d  in  series.  Fi gure  10  sho ws  the  l aborato ry  ex pe rim ental   set - up  of   t he   prototype  f iv e - le vel inverte r .    Figure  11  pr es ents  the   firi ng  sign al s  of  the   MOSFET s  s witc hes  Q 2   an d  Q 3   ob ta ine d  from   the  P WM   ci rcu it s  after   pa ssing  the d ri ve r  IC TLP  250.   Fig ur e 12  is  th e  gatin g  sig nal s  of  s witc hes  Q 1   an d  Q 4 . Th e   gatin g  sign al   of   M OSFET  s witc h  Q 5   is  pr e sente d  i n  Fi gure  13.  T hese  si gn al s  w ere  use d  t o  c ontr ol  the  op e ra ti on   of  five - le vel in ve r te r  ci rcu it s t o g ener at e a  f i ve - l evel P WM  vo lt age  wav e f or m .    Figure  14  s hows  the  e xp e ri m ental   wav ef orm   of   a  five - le vel  P W M  ou t put  volt age  ge ne rated  by  the  inv e rter  wh e n  the  m od ulati on  ind e x  0.9.  A  f ive  le vel  P W M  AC  volt age   was  e xp e rim e ntall y  con fi rm ed.   T h e  har m on ic   s pec trum   of   t his  w aveform   is  show n  i n  Fig ur e   15.   The   s witc hing  har m on ic s  com ponen t   a nd  it s  sideba nds appe ared  ar ound th e fr eq ue ncy 2 1 kH z an d  it s  m ulti ples. Th is f reque ncy is the sw it chin g  fr e quency   of   t he  powe r  MOSFET s  us e d  in   in ver te r .  Fu rt her m or e,   the  m easur ed   load   volt age  w aveform   is  show n  i n  Figure  16.  A  sinu s oid al   vo lt age  was  obta ined  a fter  filt er ing   the  five - le vel  P W M  vo lt age  wa vefo rm .   The  la borator y t est   resu lt s a gr ee d wit h  the  co m pute r  sim ulati ons.           Figure  10. E xp erim ental  set - up   of  the la borat or y  prototype           Figure  11. Gat ing si gnal s  of s witc hes Q 2   a nd Q 3           Figure  12.   Gati ng sig nals  of s witc hes Q 1   a nd Q 4           Figure  13. Gat ing si gnal   of   sw it ch  Q 5           Figure  14. E xp erim ental  test  r esult o f five - le vel volt age       Figure  15.  Harm on ic  p r of il e  of f ive - le vel  volt age   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Simpli fi ed  fi ve - le vel  vo lt ag e  s ou r ce invert er   wi th leve l - phase - sh if te d  c ar rie rs base d mod ula ti on …   ( Suro s o )   467       Figure  16. E xp erim ental  test  r esult o f  the  loa d vo lt age  w a ve form       4.   CONCL US I O N   A  sim plifie d  ci rcu it   struct ur e   of   five - le vel  vo lt age   sour ce   inv e rter  is  be ing   dev el oped .   Pr inci ple  works  of  the  inv e rter  ci rc uits  hav e  been   presente d  an d  di scusse d.   The  pr ese nted  five - le vel  vo lt age  s ource   inv e rter  nee ds   five  co ntr olled   power   s witc he s  and   a  sin gle  discrete  di od e  on ly ,  to  gen e ra te   a  five - le vel  P W M   vo lt age   wav e f or m   with  non  in su la te d  dc   powe r  sour ces.  Nethe rm os t  qu a ntit y  of  co ntr olled   pow e r   sem ic on duct or   switc he s  needed  t o  c reate  thi s  five - le vel   V S I  ci rc uit  is  the   m ai n  featu re  of  this   po wer  in ver te r .  So m e  data  obt ai ned  by  us i ng  com pu te r   sim ulati on s   an d  la borato ry  proto ty pe  te st  ha ve   co nf i rm ed  that  the   dev el op e d  in ve rter  ci rc u it s  w orke d  pro duci ng   a  five - le vel   ou t pu t  volt age   wav e form .  Usin g  the  in sta ll ed  lo w  pass fil te r,  this   P W M  wavef orm  w as f il te red   beco m e a sin usoidal  vo lt a ge wit h  lo we r dist or ti on.       REFERE NCE S    [1]   M.  Mali nows ki,   K.  Gopakum ar,   J.  Rodrigue z,   an d  M.  A.  Pére z,   “ A  s urve y   on  c asc ade d  m ult i le ve l   inve rte rs, ”  IEEE  Tr ansacti ons on Indus trial   E le c tronic s ,   vo l. 57, p p.   2197 - 2206 ,   2 010.   [2]   J.  La i   and  F.   Z .   Peng,   “ Multi l e vel   conv erter - a  new  bre ed  o f  p ower  conve r te rs, ”  IEEE  Tr ansacti ons  on  Industry   Appl ic a ti ons ,   vo l.   32 ,   pp .   509 - 51 7,   1996 .   [3]   G.  Cegl ia,  V.   Guzm an,   C.   Sanc hez ,   F.  Iba n ez,   J.  W al te r  and  M.I .   Gim ene z,   “ A  New  sim pli fie d  m ult il evel  inve r t er  topol og y   for   DC - AC c onver sion , ”  IE EE Tr ansacti ons on  Pow er  E le c tronic s ,   vol. 2 1,   pp .   1311   –   13 19,   2006 .     [4]   Suros o,   and  T.   Noguchi,   “ A  Multi l eve l  Vol ta g e - Source   Inve rt er   using  H - Bridge   and  Two - Le v el  Pow er  Modules   with  a  Sing le   Po wer  Source , ”  I E EE   Int ernati onal   Confe renc e  on  Powe r  Elec troni cs  and  Dr iv e  S yste m  ( PE DS ),   pp .   262 - 266,   2011 .   [5]   M.  Nari m ani ,   B .   W u  and  N.  R.   Z arg ari,  “ A  Novel   Five - Le v el   Vol t age   Source   Inve r te r  with  Sinus oi dal   Puls e  W idt h   Modulat or  for   Medium - Volta ge  Appli ca t io ns,”   IEEE  Tr ansacti ons  on  Powe r  Elec t ronics ,   vol.  3 1,     pp.   1959 - 1967 ,   2016.   [6]   J.  Rodiguez ,   J.  S .   L ai a nd   F. Z.   Peng,   “ Multi le v el   inve rt er:   a  surve y   of  topo logi es ,   cont rols,   and   ap pli c at ion , ”   IEEE   Tr ansacti ons on Indus trial   E le c tronic s ,   vo l. 49, p p.   724 - 738 ,   200 2.   [7]   M.  F.  Escala nt e ,   J.  Vanni er,  an d  A.  Arza nd é,   “ Fly ing  Cap ac i t or  Multi l eve l   In ver te rs  and  DT C  Motor  Drive   Applic a ti ons,”   I EE E   Tr ansacti o ns on  Industrial Elect ronics ,   vol .   49,   pp.   809 - 815 ,   2002 .   [8]   M.  M.  Renge   an d  H.  M.  Sur y aw anshi,   “ Five - Le v el   Diode  Cl amped  Inve rt er  to  Elim ina te   Com m on  Mode  Volta ge   and  Reduce  dv/ dt  in  Medium  V olt ag e  Rating  In duct ion  Motor  Drive s,”   I EE E   Tr ansacti ons  on  Powe r  Elec troni cs ,  vol.   23 ,   pp .   1598 - 1607,   2008 .   [9]   Z.   Du,  B.   Ozp in ec i ,   L.   M .   Tol b e rt  and  J.  N.  Chi a son,  “ DC - AC  ca sca des  H - bridge   m ult il evel  boost  inve rt er  with  no   induc tors  for  el e ct ri c/ h y brid  elec tri c  v ehi c le   ap plications,”   I EE E  T rans act ions  on  Industry  Appl i cation ,   vol .   45,   pp .   963 - 970,   2009 .   [10]   A.  Nam i,   F.   Z ar e,   A .   Ghos h,   an d  F.  Bl aa bj erg ,   “ A  Hy br id  Cas c ade   Conv erter  T opolog y   with   Serie s - Conne ct ed   S y m m et ric a l  an d  As y m m et rical   Diode - Cla m ped   H - Bridge   Cel ls, ”  IEE E  Tr ansacti ons  on  Powe r  El e ct ronics ,   vol .   26,   pp .   51 - 65 ,   2 011.   [11]   K.  Crorz ine   an d  Y.  Fam il ia nt,  “ A   new  ca sca ded  m ult il ev el   H - bridge   Drive , ”  IEE E  Tr ansacti ons  on  Power   El e ct ronics ,   vol .   17,   pp.   125 - 131 ,   2002 .   [12]   H.  Miranda,  V.   Carde nas,   G.  Espinosa - Pere z ,   an d  D.  Nori eg a - Pi neda ,   "M ult ileve l  Casc ade   Inv erter  with   Volta g e   and  Curre nt   Out put  Regulate d   Us ing  a  Pass ivi t y   -   Based  Contro ller",  Conf ere nc e  Re cord  of   the  20 06  IEE E   Industry  Appl ic a ti ons Co nfe renc e Forty - Fi rs t  IAS   Annual Me e ti ng ,   pp .   97 4 - 981,   2006 .   [13]   E.   Babaei ,   “ A  c asc ade   m ult ilev el   conve r te r  top olog y   with  red u ce d  num ber   of  sw it che s,”   IE EE  Tr an sacti ons  on  Powe r E le c troni cs ,   vol .   23 ,   pp .   2 657 - 2664,   2008 .   [14]   G.  Ceglia,  V.  G uzman,   C.   Sanc hez ,   F.  Ib ane z ,   J .   W al t er  and  M.  I.   Gim enez,   “ A  new  sim pli fie d   m ult il evel  inve rt er   top olog y   for   DC - AC c onver sion , ”  IE EE Tr ansacti ons on  Pow er  E le c tronic s ,   vol. 2 1,   pp .   1311 - 131 9,   2006 .   [15]   D.  R.   Caba l le ro ,   R.   Sanhuez a ,   H.  Verga ra ,   M.  L opez ,   M.  L.   Hel dwein  and  S.  A.   Mus sa,   “ Casca ded  s y m m et rical   h y brid  m ultilev el   DC - AC  con ver te r , ”  Procee dings  of  IEEE   Ene rgy  Conv e rs ion  Congress  and  Ex posit io n ,    pp.   4012 - 4019 ,   2010.   [16]   Y.  Liao  and  C .   La i ,   “ Newl y - C onstruct ed  Sim p li fie d   Single - Ph ase   Multi str ing  Multi le v el   Inv er te r  Topo log y   fo r   Distribut ed   Ene r g y   Resourc es , ”  I EE E   Tr ansacti o ns on  Powe r   Ele ct ronics ,   vol .   26 ,   pp.   2386 - 2392,   2011.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   2 ,  Fe bru ary 2 019   :   461   –   468   468   [17]   K.  K.  Gupta  a nd  S.  Jain,   “ C om pre hensive   r evi ew  of  a  re c ent l y   proposed   m ult il evel  inv er te r,”  IET  Pow er   El e ct ronics ,   vol .   7,   pp.   467 - 479,   2014.   [18]   Suros o,   A.  Mub y ar to  and  T.   No guchi ,   “ A  Diffe ren t  Single - Phase   Hy br id  Five - L e vel   Volta g e - Sou rce   Inve rt er  Us ing  DC - Volta ge  Modules, ”  TEL KOMNIKA   Tele com municat ion ,   Computi ng,   El e ct ro nic s  and  Control ,   vol.   12,   pp.   557 - 562,   2014 .   [19]   Suros o,   A.  N.  Azis  and  T .   Noguchi,   “ Five - l evel  PW M  inve rte r  with  A  Single   DC   Pow er  Source   for  DC - AC  Pow e r  Conversion, ”   Int ernati onal   Journ al  of   Powe r   Elec tronic s and  Dr ive  Syst em ,   vo l. 8,  pp. 1212 - 1219,   2 017.   [20]   G.  C.   Raj ,   M.  K al i amoorth y ,   V.  Raj ase k ara n  and   R.   M.  Sekar ,   “ Single - Phase  Cas ca ded  Grid  Con nec t ed  Multi l evel  Inve rte r   for  Int e rfa ci ng   Rene wa ble   En erg y   Sour ce s  W it h  Mic ro grid, ”   Journal  o f  Solar  En ergy   Engi ne ering ,   vo l.  137,   p p .   1 - 10 ,   2 014.   [21]   D.  Kart hik e y an ,   R.   Pal ani sam y ,   K.  Vijay a kum ar,  A.  Velu   and   D.   Selva bh ara th i,  “ Para ll el  Conne ct ed   VS I  Inve rt e r  Us ing  Multi - Ca rrie r  Based  Si nusoidal   PW M   Te chn ique , ”  TEL KOMNIKA   Tele communic ati on,   Computi ng,   El e ct ronics  and   Control ,   vo l. 15, pp. 1625 - 1631,   2017.   [22]   Suros o,   and  A.  N.  Aziz ,   "V olt ag e  bal an ci ng  c ircuits  for  five - le v e l  power  inve rter  with  a  single   DC  volt age   source " ,   3rd  Inte rnation al  Confe renc e  o n  Information  Technol og y,   Com pute r,  and  Elec tric al  Eng ine eri ng  ( ICITACEE ),   pp. 147 - 150,   201 6.       BIOGR AP HI ES OF  A UTH ORS          Suros o   rec ei ved   the   B.   Eng .   de gre e  in  el e ct ri cal  engi ne eri ng ,   fr om   Gadja h  Mada   Univer si t y ,   Indone sia  in  20 01,   and   the  M.   Eng.  degr e e  i n  elec tr ic a l  and   elec tron ic s  en gine er ing  from  Naga oka  Unive r sit y   of  Technol og y ,   Japa n  in  2 008.   He  was  a   rese arc h   stude nt  at   el e c tr ic a l  engi ne eri ng  dep art m ent ,   Tok y o  Univer sit y ,   Jap a n  from   2005  to  2 006.   He  ea rne d  t he  Ph.D  degr ee   in  ene rg y   and  en vironment  engi n ee ring  d epa rtme nt,   Naga ok a  Uni ver sit y   of  T ec hn olog y ,   Japa n  in  2011.   He  was a   visit ing  rese arc h er  at   elec tr ical  a nd  el ectroni c s e n gine er ing  depa rt m ent ,   Shizuoka  Univer sit y ,   Jap a n  from   2009  to  2011.   He  is  an   associa t e  profe s sor  at   dep art m e nt  of  elec tri c al   engi ne eri ng,   an d  dea n   of  fa cul t y   of   engi n ee r in g,   Jende r al   Soe dirman  Univer si t y ,   Purw oker to ,   Jawa  Te ng ah,  Indone sia.  His  rese ar c h  int e r est  in cl udes   stat i c  power   con ver te rs,   and   it s   appl i ca t ion  in   re newa ble e n erg y   conve rsion  and distri bute d   powe r  gene r ation.           Daru  Tri   Nugroho  rec e ive d  ba c hel or  (B. Eng. )  degr ee   in  elec tr i ca l  eng ineeri ng  from   Instit ute   Te knologi   Sepul uh  Novem ber ,   S ura ba y a ,   Indone sia  and  M.E ng.   degr ee   in  e lectr i ca l  eng ine er ing   from   Univer sitas   Indone sia.   Cu rre ntly   He   is  a  le c ture r  in  Elec t ric a l  Engi n ee r in g  Depa rtment ,   Jende ral   Soedir m an  Univer sit y .   His  rese arc h  int ere sts  are   po wer  el ectroni cs  and  ren ewa bl e   ene rg y   s y stem.           Abdulla h  Nur  A zi z  was  born  in  1974.   He  rec ei v ed  the   the   B. Sc .   and  M.Sc.   degr e es  in  el ec t ronic s   and  instrumentat ion  from   Gadja h   Mada   Univer sit y   in  1997   and  20 02,   respe ct iv ely .   He  ea rn ed  the  Ph.D  degr e e  in   elec tron ic s  of   ph y sics  from   Instit ut  Te kno logi  Bandung,  Indo nesia   in  2011 .   Curre ntly   he  is  an  assistant   profe ss or  in  Phy sics   Depa rtment,   Je nder al   Soedirma n  Univer sit y .     His re sea r ch  in terests a re   e lectr on ic s a nd   instrume nta ti on .           Tosh ihi ko  Nogu chi   was  born  in  1959.   He  re ceive d  t he  B.   En g.   d egr ee   in  elec tr ical  e ngine er ing   from   Nago y a  In stit ute   of   Techn olog y ,   Nago y a ,   Japa n,   and   the   M.  Eng.   and  D.  Eng.   degr ee s  in   el e ct ri ca l   and   el e ct roni cs  s y st ems   engi nee r in g  from   Naga o ka  Univer si t y   of  Technol og y ,   Naga oka,  Japa n ,   in  1982,   1986,   1996,   r espe c t iv ely .  In  1982,   he   joi ned   Tosh ib a   Corpora ti on ,   Tok y o ,   Jap an.   He  was  a  L ectu rer   a t  Gifu  Na tional  Col le ge   of   Te chno log y ,   Gi fu,   Japa n ,   from  1991  to  1993  a nd  a  Resea r ch  As socia te   in  e lectr i ca l  and  elec t ronic s  s y stems   engi ne eri ng  a t   Naga oka  Unive rsit y   o f  Techno log y   from   1994  to  1995.   He  was  an  Associ at e  Profess or  at   Naga oka  Univer sit y   o f  T ec hnol og y   from   1996  to  2009.   He  has  bee n  a  Profess or  at   Shizuoka  Univer sit y   sinc e   2009.   His  rese arc h  in te rests  ar e  stat i c  pow er  conve rt ers  and  m otor  drive s.     Dr.  Noguchi   is  a   Mem ber   of the   I EE - Japa n   and   a   Senior  Mem ber   of  the IEEE.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.