I n d o n e s i a n  J o u r n a l  o E l e c tr i c a l  E n g i n e e r i n g   a n d  C o m p u te r  S c i e n c e   V ol .  8,   N o.   1,  O c t ob er  20 17 ,  pp 9 2   1 00   D O I :  10. 115 91/ i j eec s . v 8 .i 1 . pp 9 2 - 1 00           92       R ec ei v ed   J une  1 3 ,  20 1 7 ;  R ev i s ed  A ug us t   2 5,   20 1 7 ;  A c c ept ed  S e pt e mber   1 0 ,  201 7   Neo t er i c H y b r i d  M u lt ile v e l Casc ad e In v e r t er  Ba sed  o n   Lo w  S w i tc h N umbe r s   A l o ng  w i th L o w  V ol ta ge  S tr e s s Desig n A n a l y si s, V er if icat io n       R .  E s m aei l z ad eh * ,  A.  Aj a m i ,   M . R .  B an aei   A z ar bai j a n S ha hi d M adani  U ni v er s i t y ,  E l e c t r i c al  E ngi neer i ng  D epar t m ent ,  T abr i z , Ir a n   *C or r es po ndi ng a ut hor ,   e - m a i l:   r a s oo l es m ai l z a d eh 78@ g m a i l . c om       A b st r act     W i t t he  p ur po s of   r ei i t he  hi gh  v ol t a ge  of   f l e x i b l pow er   s y s t em s ,   r enov at i o and   am endm ent   o f   m ul t i - l e v el   s t r u c t ur e s   a i m ed  a t   a c qu i s i t i on   of   hi gh  qua l i t y   v ol t age  i s   c er t ai n l y   r equ i r ed.   I t hi s   r egar d,  r ob us t  t o pol ogy  m us t   be o c c upi ed t hat  en c om pa s s  t he m ax i m um  out put   v o l t ag e l e v el s  a l on g w i t m i ni m um  of  s w i t c num ber ,   of  c our s e,  w i t h t ak i ng i nt o a c c oun t  of  P ea k  I nv er s e V o l t a g e ( P I V ) .  I n t hi s   paper ,  a  neot er i c  h i gh - p er f or m anc e m ul t i l ev e l   c as c ad ed  i nv er t er   i s   s ug ges t ed  up  t t he  pr obl em   of   r epet i t i v e o ut put  l e v el s  t o be   unr av el e d an d a l s o  num ber  of  out p ut   v ol t age  l e v el s  t o  be  m ax i m i z ed.  I t  h as   been  c o ns t r uc t ed  by   s er i e s - c o nnec t ed  m ul t i l ev el   i n v er t er s   bl oc k s   and  t hr e e - l e v e l   i nv e r t er .   T he  s i m ul at i o r es ul t s  a l ong w i t h ex per i m en t al  r es ul t s  ex t r ac t ed by  m an uf a c t ur e d pr ot o t y p e ha v e t r an s p a r ent l y  appr ov e hi gh ef f i c i en c y  of  pr o pos ed i n v er t er  as  w el l  as  i t s  f e as i bi l i t y .  A par t  f r om  abov e,  new  m at he m at i c al  a ppr oa c h   has   been  pr e s ent ed t o c a l c ul at e and   def i ne t he D C  v ol t age  s our c e s  m agn i t ud es   i n a s y m m e t r i c   c on v er t e r .     Ke y w o rd s m ul t i l e v el   i n v er t er ,  as y m m et r i c al  i n v er t er ,  P V - B at t er y ,  v ol t age   s t r es s          C o p y r i g h t   ©   201 7   I n st i t u t o f  A d van c ed  E n g i n eer i n g  an d  S ci en ce .  Al l  ri g h t s  re s e rv e d .       1 .  I n tr o d u c ti o n   O f  l at y ear s ,  m an y  v ar i o us   m ul t i l e v e l  i nv er t er  s t r uc t ur es  hav e be en s ugg es t ed t h a t  l ead   t app l i c at i o of   t hem   i di f f er ent   par t s   of   pow er   s y s t e m .   T be  not ed  t h at ,   t he  m os t   pr om i nent   t opo l og i es   ar bas ed  on  t hes e s t r uc t ur es :  di od e c l a m ped,  f l y i n g c ap a c i t or ,  a n d c as c ade d H - br i dg e t h at  a l l  h av e pur s u ed h i gh - q ua l i t y  o ut pu t v ol t a ge ( l o w  di s t or t i o n an d l o w   dv / dt ) ,  l o w s   w i t c hi ng f r eque nc y ,  a nd l o w   v o l t ag s em i c onduc t or s  [ 1 - 3] .  A n o v er w h el m i ng m a j or i t y  of  t hem ,   t he  t op ol ogi es   bas ed  o c as c aded  H - br i d ge  po w er   c el l s   w hi c ar c ons t r uc t ed  b y   s er i es   c onnec t i on  of  s ev er a l  i nv er t er s  ar e of  i nt er es t s  f or  s c hol ar s .   I gen er al ,   t he  m ul t i l e v el   s t r uc t ur es   hav be en  c at e go r i z e i t w s o - c al l ed  s y m m et r i c   and  as y m m et r i c   i nv er t er s .   T he  s y m m et r i c   i nv er t er s   e n c o m pas s   equal   D C   v ol t ag e   s i t he  ev ent   t hat  t h e as y m m et r i c  t y pes  i nc l u de d i f f er ent  D C  v o l t a g e r at i os .  D es pi t e t he  ad v a nt ag e of  hi gh - qua l i t y   v o l t a ge ac qu i s i t i o n,  t he  m ul t i l ev el  i nv er t er s  hor I na   gr eat  n um ber  of   s e m i c onduc t or   s w i t c hes ,   or  i n o t her   w or d s ,  c os t  pr i c e  up   [4 - 6 ].   I n t hes e s t r uc t ur es ,  t o  ob t ai n  ah i gh  q ual i t y   v o l t ag e,   t he  i nc r eas i ng  nu m ber   of   s w i t c hes   ( c om ponent s )   i s n t   a v o i d ab l e.   T hi s   i s s ue  c r eat es   a   dr as t i c  s t i m ul us  i n s c ho l ar s  w h i c h t h i s  f i el d t o b e m or e ev al uat eda nd s c r ut i n i z ed i ns of ar  as   num ber  of  s w i t c hes  t b e  r educ ed.   I t  i s   w or t h m ent i on i ng  t ha t  t he  as y m m et r i c  i n v er t er s  c a n   pr ov i de  hi gh - q ual i t y   v ol t ag e  al o ng  w i t h  l o w  har m oni c  c ont e nt  s o t hat  t ot a l  n um ber  of  s w i t c h es  i s   l es s  t hat  t he  s y m m et r i c  t opol o gi es .   I n t hi s  r egar d,  s e v er al   l i t er at ur es  ha v e r epor t e d v ar i o us  s ugges t i o ns  and i n v e nt i ons  of   ne w  t opo l o gi es  bas e d o c as c aded m ul t i l e v el  i nv er t er  [ 4 - 1 2 ].  W i t h c ons i der i ng   m or e pr ec i s d e t a ils   [5 - 6] ,   B an ae i  pr op os ed a h y br i d t o po l og i es  bas ed on a m i x t ur e of   c as c aded bas i c   m odul es  w i t h one H - br i dg e  m odul e,   an d as  w e l l  as em pl o y i n g di f f er ent  al gor i t h m s  t c al c ul at e   and def i n e t he D C  v o l t a g e s our c es   m agni t ud es  of   s y m m et r i c  and as y m m et r i c  i nv er t er s   [7 ],   A j am i   has   pr es ent ed  ne w   s y m m et r i c al   and  as y m m et r i c al   t o po l og i es   t m i ni m i z t he  num ber   of   t ot a l   em bedded  s w i t c hes   a nd  t he i r   v ol t age  s t r es s .   A l s o,   t he  s u gges t e m ul t i l ev el   i nv er t er   i [ 8]   has   be en  m ade  u s er i e s   and  par a l l e l   c on nec t i ons   of   D C   v o l t a ge  s o ur c es   b y   H i na go.   A   ne w   m ul t i l ev el   c on v er t er   t o pol og y   w i t h   f ew er   p o w er   el ec t r o ni c   s w i t c hes   i s   i nt r oduc ed  i [ 9]   b y   G upt a   [ 9]   15 - l e v e l   i n v er t er   w i t as y m m et r i c   s our c ec onf i gur at i on  h as   b een   pr op os ed   t o   a t t ai m i ni m u m   num ber  of  s w i t c hes  ( t e n s w i t c h es )  and c ond u c t i on l os s es   [ 10] ,  C hat t opad h y a y  h as   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E EC S     IS S N 2 502 - 4 752     N eot er i c   H y br i d Mu l t i l ev e l  C as c ade  I nv e r t er  B as ed  on  Low   S w i t c h … ( R .  E s ma ei l z adeh )   93   m anuf ac t ur ed a s y m m et r i c  c as c aded  i n v er t er   w i t h a  l e v e l  d ou b l i ng  net w or k  t o enh anc t h e   po w er  qu al i t y ,  dec r eas e t h e s w i t c hi ng f r equenc y ,  an d al s o m i ni m i z e t he c os t  a nd s i z e of  t he  po w er  f i l t er   [ 1 1] ,   B an ae i  ha s  i nv es t i g at e d l o w er  t ot a l  P eak  I nv er s V ol t ag e ( P I V )  v i a pr es e nt a t i o n   o f   t w o   m u lt ile v e l in v e r t e r s  ( s y m m et r i c  and as y m m et r i c   i nv er t er s )  w h i c ha v be e c ons t r uc t ed   b y  c o nnec t i ons  of  c el l  u ni t   hi er ar c h y   w i t h s i x   po w er  s w i t c hes   [ 1 2] ,   B ab ae i  h as  pr e s ent ed  39 - l ev el   m ul t i l ev el   i n v er t er   c ons t r uc t ed  b y   2 I G B T s   w h i c i s   on  bas i s   of   t w i n v er t er   l e gs   i s er i es   f or   eac c el l   [ 13] ,   La al i   h as   s u gges t e ne w   bas i c   m ul t i l ev e l   c as c ad ed  i n v er t er   ( 4 9 - l e v el   i n v er t er )   t hat   i s  b as ed  on   t h s er i es   c onnec t i o n of  n e w   t y p of   i n v er t er   i . e.   m i x t ur e of  b i d i r ec t i o na l   a nd   uni di r ec t i on al  s w i t c hes .   C ons i d er i n g t h e o ut s t an di n g f eat ur es  a l l  k i nds   of  af or em ent i oned m ul t i l e v e l   i n v er t er s ,   t he  de v e l op ed  s t r uc t ur s ugges t ed  i t hi s   pap er   has   c onquer e t hem .   I f ac t ,   i t   c an  b e   r es ol ut e l y  i den t i f i ed  as  a  r obus t  n eot er i c  h y br i d  m u l t i l e v e l  c as c ade  i n v er t er  t hat  t he s w i t c h   num ber s  ar e   s i gni f i c an t l y  l es s  t han  num ber  of  e m bedded  s w i t c hes   i ot her   ab ov e m ent i one d   i n v er t er s .   I or der   t c l ar i f y   a nd  c er t i f y   t h hi g p er f or m anc of   t he  pr opos ed  i n v er t er s ,   c o m put er - ai d ed s i m ul at i on s  hav e  be en c ar r i e d o ut  u s i ng M A T LA B / S I MU LI N K .   Mean t i m e,  t h e   e x per i m ent al  c as e i n l a bo r at or y  s c al e h as  t r ans par ent l y  c or r obor a t ed t he f ea s i bi l i t y  of  t hi s   i n v er t er .       2.   S u g g e s te d  T o p o l o g y   T he s ugges t ed c i r c u i t  t o pol ogi es  c an pr o v i de a  hi g h - qua l i t y  A C  v ol t ag e w i t h out   i nc r eas i ng  t h num ber   of   s w i t c hes   a nd  D C   v o l t a ge  s o ur c es ,   and  ac c or d i ng l y   t w o   m et hods   ar e   pr opos e d D C  v ol t age  s our c es   m agni t u des .   A s  m ent i oned  bef or e,   ap pr ox i m at el y   a l l  s c hol ar s   w ho ha v e r es ear c he d an d w or k ed i n t h i s  f i el d of  s t ud y  ha v e pur s ued h i gh - qua l i t y  v ol t age   ac qui s i t i o n c ons i der i ng  l o w   em bedded s w i t c h num ber s  i n t hei r  s t r uc t ur es .   T he  s ugges t ed   h y br i t o pol og y   i s   c ons t r uc t e b y   t w i nv er t er   s t r uc t ur es   i . e.   c om poun d   of  t hr ee - l ev el  i n v er t er  w i t dev el ope d c as c aded H - br i dge i n v er t er  t hat  F i g ur e 1 dep i c t s  t he i t s   po w er   c i r c ui t .   I n   f ac t ,   ea c phas e   i t he  pr op os e t o pol og y   c o ns i s t s   of   s e r i es - c onnec t e dev el ope d c as c aded H - br i d ge and t hr e e - l e v e l  i n v er t er .  R egar d i n g t o a r equi r e d l e v el s  num ber  of   out p ut   v ol t ag e,  n um ber  of   D C  s our c es  an d s w i t c h es  w i l l  b e c al c u l at ed  and f i g ur ed o ut .   A c c or di n g t o F i g ur e 1,   t he  o ut p ut   v ol t ag e of  t he m ul t i l e v e l  i nv er t er  c an  be pr es ent ed b y :     An A A Ag V V V V + + + = ... 2 1                 ( 1)     W h er n   i s   num ber   of   D C   s our c e.   T he  s ubs t ant i al   n u m ber   o f   v ol t a ge  l ev el s   w i l l   depe nd   on  t h D C   s o ur c v al ues .   T w D C   s our c c o nf i gur at i ons   an c or r es pon di ng  n u m ber   of   v ol t age   l e v el s   ar e s ubs e que nt l y  ex pr es s ed.  H er e  of ,  t he f i r s t   m et hod poi nt s  t o s y m m et r i c  m odul e.   a)   S y m m et r i c  s t r uc t ur e i s  c on s t r uc t ed b y  eq ua l  D C   v o l t a ge s our c es ,  i . e. :     E V V V V k = = = = = ... 2 1 ' 1                 ( 2)     A c c or di n gl y ,  m ax i m u m  out put   v o l t ag e V Ag ma x   f or  s y m m et r i c  al gor i t hm  w i l l   be:     2 ) 1 2 ( m ax E n V Ag =     2 n               ( 3)     A nd  al s o,  l e v el s  n um ber  of   out p ut   v ol t ag e ( m ):     1 4 = n m   2 n                 ( 4)     I n s y m m et r i c  s t r uc t ur e,  t hr ee bi d i r ec t i ona l  s w i t c hes  i n t hr ee - l e v e l  i n v er t er  par t  c an be   r em ov ed f r o m  c i r c ui t  of  i nv er t er .  T he num ber  of  s w i t c h es  per  i nv er t er  l eg ( s w )  i s :     3 5 = n sw   2 n                 ( 5)     T he  l ev el s   n um ber   i ph as v ol t age  w i t r es pec t   t t h em bedded   s w i t c num ber s   c an   be c al c u l at ed:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            I SSN :   25 02 - 4 752                    I J E EC S   V o l.  8 N o.  1,  O c t o ber  20 17  :   9 2     1 00   94   5 7 4 + = sw m                   ( 6)     T he nu m ber  of  D C  v ol t a g e s our c es  ( N d c )  i n t hr ee - phas e s y s t em  w i t h r es pec t  t o t he  l e v el s   i phas v o l t age c a n  be ex pr es s e d b y :     4 5 3 = m N dc                   ( 7)           F i gur 1.  C i r c ui t   of  t he s ug ges t ed m ul t i l e v e l  i nv er t er       b)   A s y m m et r i c  s t r uc t ur e i s  c o ns t r uc t ed b y  u ne qua l  D C   v ol t a ge s o ur c es :     E V = ' 1     E V i i ) 5 * 3 ( 1 =   k i ,..., 2 , 1 =               ( 8)     T he  m ax i m u m  out put   v ol t a ge i s  c a l c ul at ed  as :     4 ) 1 5 * 3 ( 1 m ax E V n Ag =   2 n               ( 9)       T he nu m ber  of   s t eps   m   ( v ol t age l ev el s )  i n p has w i t h r es pec t  t o t he n um ber  of  t he us ed   bas i c  un i t s  c an  be c a l c ul at e d as :     1 5 * 3 = n m                   ( 12)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E EC S     IS S N 2 502 - 4 752     N eot er i c   H y br i d Mu l t i l ev e l  C as c ade  I nv e r t er  B as ed  on  Low   S w i t c h … ( R .  E s ma ei l z adeh )   95   T he  s w i t c hes   w i t hi gh - v ol t age  c ap abi l i t y   ( h i gh  w i t hs t a nd  v o l t a ge)   ha v h i g her   pr i c as   c o m par ed w i t h l o w - v o l t ag e c apac i t y .  I t  m us t  be no t ed t hat ,   t he s em i c onduc t or  s w i t c hes   i n   pr opos e d t op ol og y  en dur e  l o w   v o l t ag e s t r es s  i . e.   l o w er  c os t  pr i c e t h an o t her  t y p es .   In  th e   pr opos e d h y br i d s t r uc t ur e,   v o l t ag e s t r es s es  of  s w i t c he s  ( V S )  ar ec o m put ed  as  f ol l o w s :     2 ' 1 1 V VS Ta =                   ( 13)     ' 1 3 2 V VS VS Ta Ta = =                 ( 14)     2 ) 5 ( i i Sa V VS =     k i ,..., 2 , 1 =             ( 15)     i i Sa i Sa i Sa i Sa V VS VS VS VS = = = = ) 4 5 ( ) 3 5 ( ) 2 5 ( ) 1 5 (         ( 16)     I t  i s   w or t h m ent i o ni n g t h a t ,  t hi s  t o po l og y  c an b e t a k en i nt o ac c ount   num e r ous  D C   s uppl i es ,  es p ec i a l l y   w hen e v er  h i gh er  l ev el s  n um ber  of  out p ut   v o l t ag e t o  be r e qu i r ed,  a nd  ev en  i t   i s  t he  l i k el i hoo d t o s u bs t i t ut e t he  D C  s our c es   w i t h r en e w abl e e ner g y  s uc h as  p hot ov o l t a i c  or  f uel   c e ll.   G r i d and  l o ad - c onn ec t ed p hot o v o l t a i c  ( P V )  s y s t e m s   ar e a c om m on and good  pr ov e n   due  t o t he i r  por t i ons   t o r e ne w a bl e  en er g y  g ener a t i o n.  T he s i g ht  of  P V  s y s t em s  i s   t el i c i t  t h e   m a x i m u m  pow er  f r o m  P V  a r r a y s   and  ex al t i n g t h e ef f i c i enc y .       3.   C o m p a r i s i o n  S tu d y   H er e t o f or e,  m an y  d i f f er ent  t op ol o gi es  hav e be e n s ugges t ed t o ac q ui r hi g h l ev e l s   num ber  of  out put  v o l t a ge  al o ng  w i t h l o w  num ber  of  e m bedded s w i t c h es  pr ov i ded t he po w er   s w i t c hes   do  not   e ndur hi g v o l t a ge  s t r es s . I t hi s   r egar d,   R ef s   [ 5 - 7,   11,   1 3]   ha v j us t l y   pr es ent e no v el   a nd  go o s t r uc t ur es . T hi s   par t   of   s t ud y   i or der   t pr o v i d e   an  equi t ab l e   j udgm ent ,  ad v a nt ag es  a n d d i s ad v an t ag es   of   our   h y br i i n v er t er has   bee dea l t   w i t h   a nd  c o m par ed al ongs i de  of  t he  s t at of   t he ar t   m ul t i l e v el   i nv er t er   t opo l o gi es  pr es e nt ed  i [ 5 - 7,  11,   13] .   R ef .   [ 5]   and  [ 13]   has   d one   c om par i s on  s t ud y   a m ong  pr opos ed  i n v er t er   w i t an  H - br i d ge   c as c aded m ul t i l e v e l  i nv er t er .  B r i ef  des c r i pt i v e s t at e m ent  of  s el ec t ed  t op ol o gi es  i s  s ho w i n   T abl e 1.  F i gur e  2  s ho w s   l e v e l s  num ber  of  ou t put   v ol t a ge  i n  t er m s  of  num ber  of  ut i l i z ed s w i t c hes   i n s ug ges t ed h y br i d t opo l o g y  an d pr es ent ed t op ol ogi es  i n R ef .  [ 5 - 6,  11,  13] .  A s  c an be s een   f r o m   F i gur 2,   t he  s u gges t ed  h y br i t opo l o g y   pr o v i de s   hi g her   v ol t ag l ev el s   as   c o m par ed  w i t h   pr es ent e d t o po l og i es  i n [ 5 - 6,  11 ,  13 ] .   I t  m us t  be not ed t h at ,  ou r  s ugges t ed t opo l o g y  a nd  pr es ent e d t op ol og y   i n [ 1 3]  us e   bi d i r ec t i ona l  s w i t c hes  i n t hei r  s t r uc t ur es .  T he bi di r e c t i ona l  s w i t c hes  ha v e h i g her  pr i c e t han   uni di r ec t i on al   s w i t c h es .   F i g ur s ho w s   l e v e l s   num ber   of   out put   v ol t age  i t er m s   of   nu m ber   of   ut i l i z ed  I G B T s  i n s ug ges t ed  h y br i d t opo l o g y   an d pr es e nt ed  t op ol o gi es  i [ 5 - 6,  11,  13] .       T abl e 1.  D es c r i pt i v e  S t at e m ent  of  S el ec t ed  T opol o gi e s     [5 , 6 ]   [ 11]   [ 13]   P r opos ed   V ol t age l ev el s   a s y m m e t r i c  s t a t e   1 2 1 + n   1 2 1 + n   2 7 n   1 5 * 3 n   V ol t age l ev el s  s y m m et r i c  s t a t e   1 2 + n   1 2 + n   1 2 + n   1 4 n   N o.  of  s w i t c he s   4 2 + n   4 2 + n   n 3   2 5 n   N o.  of  I GB T   4 2 + n   4 2 + n   n 4   2 6 n   No .  o f  DC - l i nk  c apa c i t or s   -   -   -   n 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            I SSN :   25 02 - 4 752                    I J E EC S   V o l.  8 N o.  1,  O c t o ber  20 17  :   9 2     1 00   96       F i gur 2.  L ev el s  n um ber  of   out p ut   v ol t ag e i n t er m s  of  n um ber  of  ut i l i z ed  s w i t c h es           F i gur 3.  L ev el s  n um ber  of   out p ut   v ol t ag e i n t er m s  of  n um ber  of  ut i l i z ed  I G B T s       A par t  f r om  abov e m ent i on ed i ns pec t e d t ar get s ,  t he r at e of   v ol t ag e a nd c ur r e nt  of  t he   s e m i c onduc t or  s w i t c hes  h a s  pl a y ed  an  i m por t ant  a nd  k e y  r ol e i n c os t  pr i c e of  i n v er t er .  I m agi ne!   T he pr e s ent ed c on v er t er s  i n [ 5] ,  [ 11]  a nd [ 1 3]  ha v e t w el v e s w i t c h es  i n one p ha s e t hat  out put   v o l t ag of   al l   c on v er t er s   i s   equa l .   W hat   i s   m or i m por t ant   h er i s   t h at   o ur   s ugg es t ed  c on v er t er   has  b een  c ons t r uc t e d b y   t h i r t een  s w i t c hes .  T he  pr es en t ed s t r uc t ur es  i n [ 5] ,   [ 11]  a n d [ 1 3]  ( F i gur e   4)  ha v e b ee n m ade up  b y  t w el v e s w i t c hes   w h i c pr od uc e out put   phas e  v ol t age  o f  15E .     T he s w i t c h es P I V   of  pr es en t ed c on v er t er  i n  [ 5]   i s  at t ai n ed b y :     = == K i i V sw P IV 1 ,                 ( 17)     W h er e,  K  a nd  V s w , i  ar e  t he n um ber  of  s w i t c h es  a n d P I V   of  s w i t c hes ,  r es pec t i v el y .   T abl s h o w s   n um ber   of   v o l t ag l e v el s   and   t y pe   of   s w i t c hes   i t er m s   of   v ol t a g s t r es s .   N ot e   t hat ,   he  v a l ues   of  T abl e 2  h av e  be en g i v en  f or  t hr ee - p has e s y s t em .   I n ac c or da nc w i t h T abl e  2,   i t   i s   o bv i o us  t hat   t he s u gg es t eds t r uc t ur has   be en c ons t r uc t ed  b y   s w i t c hes   w i t l o w er   v ol t age   s t r es s   w hi l e ge ner at es  hi gh er   v o l t a ge l e v e l s   as   c om par ed w i t h ot her s .   T abl has   t r ans par e nt l y   i ndi c a t ed  t h at   t he  s t a ndi ng  v o l t a ge  on  s w i t c hes   i t he   s ugges t e t op ol og y   i s   s i gn i f i c ant l y   l es s   t ha t he  pr es e nt ed  t opo l o gi es   i [ 5]   and  [ 11] .   A l t hou gh   t he  pr es ent ed  t o po l og i es   i n   [ 5]   and  [ 1 1]   ha v l o w   num ber   of   s w i t c hes   i c om par i s on  w i t C H B   m ul t i l ev el   i n v er t er   b ut   s om s w i t c hes   i t hes t o po l o gi es   ha v hi g v ol t age  s t r e s s   i t he  ev ent   t hat  t he  our  s ugg es t ed  i n v e r t er  and  pr es ent ed t opo l o g y  i n [ 13]   ar e c as c ade d s t r uc t ur es .       T abl e 2.  C om par i s on S t ud y     [ 5]   [ 11]   [1 3]   P r opos ed   Lev el s   31   31   49   75   DC s o u r c e   12   12   12   7   S w i t c hes   T y pe   i n t er m s  o f  v ol t age  s t r e s s   v ol t age   num ber   v ol t age   num ber   v ol t age   num ber   v ol t age   N um ber   E   2E   4E   8E   15E   6   6   6   6   12   E   2E   4E   7E   15E   6   6   6   6   6   1. 25E   1. 875E   8. 75E   13. 125E   6   12   6   12   0. 416E   0. 8 1E   1. 216E   2. 43E   6. 08E   12. 16E   3   6   3   12   3   12   P IV   300E   222E   240E   203. 058E   4 6 8 10 12 13 14 16 0 7 15 31 49 63 75 N o.  of  s w i t c he s N o . o f  le v e ls     [ 5 , 11] [ 1 3] P r opos e d 6 8 10 12 14 16 18 0 7 15 31 49 63 75 No .  o f  I G BT s N o . o f  le v e ls     [ 5 , 11] [ 1 3] P r opos e d Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E EC S     IS S N 2 502 - 4 752     N eot er i c   H y br i d Mu l t i l ev e l  C as c ade  I nv e r t er  B as ed  on  Low   S w i t c h … ( R .  E s ma ei l z adeh )   97       ( a)   ( b)       (c )   F i gur 4.  C i r c ui t s  of  [ 5] ,  [ 11 ]  and  [ 13 ]  ( a)  [ 5] ,  ( b)  [ 1 1]  a n d [ 13 ]       4.   O p e r a ti o n  o f   S u g g e s te d  i n v e r te r   I n or d er  t o t es t  an d a na l y z e t he  per f or m anc of  t he s ugges t ed h y br i i n v er t er ,  t y p i c al   15 - l e v e l   i nv er t er   t op ol o g y   s ho w i F i gur h as   bee n   s i m ul at ed  b y   us i ng  MA T LA B / S I M U LI N K .   I n c i r c ui t   of  15 - l e v e l  i nv er t e r s  s how n  i n  F i g ur e 6,  t he f i r s t  and t he s ec on d u ni t   ar e f ed  w i t E  a nd   3E ,   r es pec t i v el y .   W hi l t he  D C   v a l ue  i s   t ak en  E = 40  V   and  a l s t he  ou t put   f r eque nc y   s i m ul at i o n   i s  50 H z .             F i gur 6.  C i r c ui t   of  s ugges t ed 1 5 - l e v e l  i nv er t er   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            I SSN :   25 02 - 4 752                    I J E EC S   V o l.  8 N o.  1,  O c t o ber  20 17  :   9 2     1 00   98   O per at i on  of   m ul t i l e v el   i nv er t er s   depen ds   on  m odu l at i on  s t r at e g y   t h at   v ar i ous   m odul at i o n s t r at eg i es  ex i s t .  I n t hi s  p aper ,  t he f unda m ent al  f r equenc y  s w i t c h i n g m et hod has   been  us ed  [ 1 4 - 18] .  T abl e  3 s ho w s  t he  O N  s w i t c h es  l o ok - up t abl w hi c i s  pr es ent ed f or   phas e A .     S w i t c h i n g of  ot her   phas es   w i l l  b al i k e,  w i t h  t h e ex c ep t i on  t h at  t o o bt a i t he  ga t pul s e s   f or  t he s w i t c h es  i n p has es  B  and C ,  t he s h i f t ed gat e   pul s es  s i gn al   of  12 0° an d  240° m us t  be   t ak en i nt ac c ou nt ,  r es pec t i v el y .   A s  s ho w n i n T abl e  3,  i n t he pr o pos ed 15 - l ev el  t o pol og y ,  t o   pr ov i de  a n y   v o l t ag l e v e l   i t he  out put ,   t hr ee  s w i t c h e s   m us t   c onduc t   i eac p h as e.   A s   c an  be  s een,  F i gur 7 d epi c t s  t he  phas out p ut   v o l t ag es  ( V ph )  w i t h  f i f t een l ev el s .       5.  E xp er i m en t al  R e s u l ts   T o deal   w i t h an d an al y z e  t he op er at i on of  t he s ug ges t ed t op ol og y ,  a t o po l og y  ba s ed on   F i gur i s   en gag ed  f or   t hi s   s t ud y .   A s   m ent i o ned  i p r i or   par t ,   t he  par am et er s   o f   ex per i m ent al   r es ul t s  ar e s am e t he s i m ul at i o n r es ul t s .  F or  t hi s  t o pol og y ,   ex am i nat i o ns  hav e be en ex ec ut e d on   t he R L l o ad w hi l e R = 30   Ω   a nd  L = 36m H  w i t h t he  f r equenc y   of  50  H z  f or   out p ut   v o l t ag e.   R es i s t anc of   i nd uc t or   i l o ad  i s   10  Ω .   T he  pr ot ot y p i n v er t er   ha s   been  m anuf ac t ur ed  us i ng  T LP 250  as   t h I G B T   dr i v er ,   B U P 403s  as  s w i t c hi n g de v i c e s  w i t h i nt er n al  ant i - pa r al l e l  d i o des .  T he bi d i r ec t i ona l  s w i t c he s   c ons i s t s  of  t w o I G B T s .  T he m a x i m u m  phas e - to - gr ou nd  out p ut   v ol t ag w i l l  be  14 0 V .  T he l ook - up   t abl e of  s w i t c h i ng  i s  l i k e t T abl e 3.   T he oper at i on of  one  phas e of  s ugges t ed  i n v er t er i s  d epi c t e d   i n F i gur e.  8.  N ot e t hat ,  t h e   out p ut   v o l t a ge  i s   s um   of   V A and   V A 2   v ol t ag es .   T he  phas e - to - gr ou nd  out put   v ol t a ge  ( V A g)   i s   s ho w i n F i gur 8( c ) .   I t  i s   c l ear  t h at  t h s t a i r c as w a v s h o w i F i gur has   f i f t een  v o l t a ge   l e v el s .  T he v o l t a ge of  r es i s t ant  par t  o f  t he l o ad i s  s ho w n i n F i g ur e 8( c ) .  T hi s  w a v e s ho w s   c ur r ent .     T abl e 3.  O N   S w i t c hes  L ook - up T abl e   S ta te   T a1   T a2   T a3   S a1   S a2   S a3   S a4   S a5   V Ag   1   of f   on   of f   of f   on   on   of f   Off   2 7 E   2   on   of f   of f   of f   on   on   of f   Off   2 6 E   3   of f   of f   on   of f   on   on   of f   Off   2 5 E   4   of f   on   of f   of f   on   of f   of f   On   2 4 E   5   on   of f   of f   of f   on   of f   of f   On   2 3 E   6   of f   of f   on   of f   on   of f   of f   On   2 2 E   7   of f   on   of f   on   on   of f   of f   Off   2 E   8   on   of f   of f   on   on   of f   of f   Off   0   9   of f   of f   on   o ff   of f   on   on   Off   2 E   10   of f   on   of f   of f   of f   of f   on   On   2 2 E   11   on   of f   of f   of f   of f   of f   on   On   2 3 E   12   of f   of f   on   of f   of f   of f   on   On   2 4 E   13   of f   on   of f   on   of f   of f   on   Off   2 5 E   14   on   of f   of f   on   of f   of f   on   Off   2 6 E   15   of f   of f   on   on   of f   of f   on   Off   2 7 E   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E EC S     IS S N 2 502 - 4 752     N eot er i c   H y br i d Mu l t i l ev e l  C as c ade  I nv e r t er  B as ed  on  Low   S w i t c h … ( R .  E s ma ei l z adeh )   99       ( a)         F i gur 7.  ( a)   V A 1 an V A 2 ,  ( b)  phas out put   v o l t a ges  ( V A g)  ac c or di n g t o  op er at i o n of  pr opos e t opo l og y               ( a)   ( b)           (c )   F i gur e 8.   ( a)  V A1   a nd V A2 ,  ( b)  phas out put   v o l t a ges  ( V Ag )  ac c or di n g t oper a t i on o f  pr opos ed  t opo l og y       0. 2 0. 202 0. 204 0. 206 0. 208 0. 21 0. 212 0. 214 0. 216 0. 218 0. 22 - 20 0 20 VA 1 ( V) 0. 2 0. 202 0. 204 0. 206 0. 208 0. 21 0. 212 0. 214 0. 216 0. 218 0. 22 - 120 - 60 0 60 120 T i m e( s) VA 2 ( V) 0. 2 0. 202 0. 204 0. 206 0. 208 0. 21 0. 212 0. 214 0. 216 0. 218 0. 22 - 140 - 120 - 100 - 80 - 60 - 40 - 20 0 20 40 60 80 100 120 140 T i m e( s) VA g ( V) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            I SSN :   25 02 - 4 752                    I J E EC S   V o l.  8 N o.  1,  O c t o ber  20 17  :   9 2     1 00   100   5.  C o n c lu s io n   I n t h i s  p aper ,  a  neo t er i c  t hr ee - ph as e c as c ade d m ul t i l e v e l  i nv er t er   w as  s ugg es t ed   ai m ed  at  ac q ui s i t i o n of  h i gh  l ev el s  num ber  of  out pu t   v ol t ag e a l on w i t h  l o w  n um ber  of  em bedded   s e m i c onduc t or  s w i t c hes  pr ov i de d t he po w er  s w i t c he s  do not  endur e hi g h v o l t age s t r es s .  T o   c l ar i f y  an d c er t i f y   hi g h ef f i c i enc y  of   s ugges t e d t o po l og y ,  i t  ha d be en  dea l t   w i t a nd c om par ed  w i t h t he l at es t  pr es en t ed t opo l og i es .  I n t he i nt er i m ,  t he c om put er - ai de d des i gn  of  t hr ee - phas e   h y br i m ul t i l e v e l   i nv er t er   h as   bee c ar r i e o ut   u s i ng  MA T LA B / S I MU LI N K .   T s um   up,   bot t h e   s i m ul at i on   an l ab  pr ot o t y p r es ul t s   ha v e   t r ans par ent l y   c or r ob or at e a l l   af or em e nt i o ned   t ar g et s   as  w el l  as   i t s  f eas i bi l i t y .       R ef er en ces   [1   G nana P r ak a s h   M ,  B al am ur ug an M ,  U m as han k ar  S .   A  N ew   M ul t i l ev el  I nv er t er  w i t R educ ed N um ber   of  S w i t c hes .   I nt er nat i on al   J our nal  o f  P ow er  E l ec t r oni c s  and   D r i v e S y s t em  ( I J P E D S ) .  2 014;   5 ( 1 ):   63 - 70 .   [2   H i m our  K ,  G heda m s i  K ,  B er k ou k   E l .  M.   S uper v i s i on a nd  c ont r ol  of   G r i d C on nec t ed  PV - S t or age   S ys t e m w i t t he  F i v Lev el   D i ode  C l am ped  I nv er t e r .   E ner g y   C onv er s i on  a nd  M anagem ent .   2014 77 98 10 7.   [3   D ev ar aj an N ,  R eena   A.   R ed uc t i on o f  s w i t c h es   and D C   s our c e s  i n C a s c a ded M ul t i l ev el  I nv er t er .   B ul l et i n o f  E l e c t r i c al  E ng i neer i ng an d I nf or m at i c s   (BEEI ) .   S e pt em ber  2 015 4 ( 3 ):   186 - 195 .     [4   V enugo pal  J ,   S uba r nan  G . M H y br i d C as c ad ed M LI  t opol ogy  us i ng T er nar y  V ol t age  P r ogr es s i o n   T ec hni qu e w i t h M ul t i c ar r i er  S t r at egy .   J our n al  o f  E l e c t r i c al   E ngi ne er i n g &  T e c hn ol o gy .   2 015 10 ( 4 ):   1610 - 1 620.   [5   B anaei  M .  R ,  S al ar y  E V er i f i c at i on  of  N ew  F am i l y  f or  C a s c a de M ul t i l ev el   I nv er t er   S wi t c h   R educ t i on  of   C om pon ent s .   J our n al  o f  E l e c t r i c al  E ngi neer i ng &  T e c hno l og y .  2011 ;   6 ( 2 ):   2 45 - 254 .   [6   B anaei  M .  R ,  D ehghanz adeh  A . R ,  S al ar y  E ,  K hounj ah an  H ,  A l i z adeh R .   Z - so u r ce - bas e d m ul t i l ev el   i nv er t er   w i t r ed uc t i on of  s w i t c hes .   I ET  Po w e r E l e c t r o ni c s .   2 012,  3( 5) :   38 5 392.   [7   A j am i  A ,  O s k uee  M.  R .  J ,  M ok hb er dor an  A ,  V an den B os s c h e A D ev el oped c a s c ade d  M ul t i l ev el   I nv er t er   T opol ogy   to   M in im is e   t he  N u m ber   o C i r c ui t   D e v ic es   an V o lt a g S t r es s e s  o S wi t c h e s I ET   Po w e r El e c t ro n i c s .   2 014 7 :  459 - 466 .   [8   Hi n ago  Y ,  K oi z um i   H.   S in g le - p h as M ul t i l ev el   I nv er t er  U s i ng  S w i t c hed s er i es / P ar al l el  D C   V ol t ag e   So u rc e s .   I E E E   T r an s ac t i o ns  o n P ow er  E l ec t r oni c s .   201 0;   57 :   2643 - 2650 .   [9   G upt a K K ,  J ai n  S .  T opol o gy  f or   M ul t i l ev el  I nv er t er s   to   A t t a i n  Ma xi m u m   N um b er   o Lev el s   f ro m   G i v e DC  So u rc e s I E T  P ow er  E l ec t r oni c s .   2012 .  5( 4) :  435 - 446 .   [1 0   C hat t op adhy ay   S .   K ,   C ha k r abor t y   C .   A   N ew   M ul t i l ev el   I nv er t er   T opol o gy   wi t h   S e lf - B al an c i n Lev el D oub l i n g N et w or k .   I E E E   T r ans ac t i on s  on  I nd us t r i al  E l e c t r on i c s .   20 14;  61 :   4622 - 463 1.   [1 1   B anaei  M .  R ,  J a n nat i O s k u ee  M .  R ,  K hounj ahan H .   R ec o nf i gur at i o n of   Se m i - c as c ad e M ul t i l ev el   I nv er t er   to   I m pr ov e S y s t e m s  P er f or m anc e P ar a m et er s I ET  P o w e r El e c t ro n i c s .   7 ;   11 06 - 11 1 2,  201 4.   [1 2   B abaei  E ,  D e hqa n A ,  S abah i   M .   I m pr ov em ent  of  t h e P er f or m an c e of  t h e C as c ad ed   M ul t i l ev el  I nv er t er s   U s i ng P ow er  C el l s  w i t h T w oS er i es   Leg s .   J our n al  o f  P ow er  E l ec t r o ni c s 2 013 ;   13 ( 2 ):   2 23 - 23 1.   [1 3   Laal i   S ,   B aba ei   E ,   B an nae   S h ar i f i a M B A   N ew   B as i c   U ni t   f or   C a s c ade M ul t i l ev el   I nv er t er s   w i t t he   C apabi l i t y  of  R edu c i n g t he  N u m ber   of   S wi t c h e s .   J ou r n al   of  P ow er  E l e c t r on i c s .   2 014 14 ( 4 ):   671 - 67 7.   [1 4   D i ng K ,  C h eng K .   W .  E ,  Z ou  Y .   P.   A nal y s i s ,   of  an  A sy m me t r i M odul at i on  M et hods  f o r   C as c ade d   M u lt ile v e I nv er t er s .   I E T  P ow er  E l ec t r on ic s .  20 12 5 ( 1 ):   74 - 8 5.   [1 5   Y ao  W ,  Hu   H ,  Lu  Z.  C om pa r i s on s  of   S pac e - v e c t or   Mo d u l at i on  an C a rri e r - bas ed  M odul a t i o n   o M ul t i l ev el  I nv er t er .   I E E E  T r a ns ac t i ons  on   Po w e r El e c t ro n i c s .  2008 23 ( 1 ):   45 51.     [1 6   S hahr i M A .   N on   S i nus oi d a l   P W M   M et hod  f or   C as c ad ed  M ul t i l ev el   I nv er t er .   T EL KO M N I KA .   2012;   10( 4) :   670 - 6 79.   [1 7   M oham m adi   H .   R ,   A k hav an  A .   A   N ew   C ont r ol   M et hod  f o r   G r i d - C onn ec t ed  P V   S y s t em   B as e o n   Q uas i - Z - S our c e C as c ad ed M ul t i l ev el  I nv er t er  U s i ng E v ol u t i onar y  A l gor i t h m .   I nt er na t i on al  J our n al  o f   Po w e r El e c t ro n i c s  a n d  D ri v e  S y s t e m  (I J PED S) 20 15 6 ( 1 ):   10 9 - 120 .     [1 8   N AG A BH ASKAR  R ED D Y   V,  SAI  BABU   C H ,  N AG AR AJ A R AO   S.   C om par i s o n o f  M odul at i o n   T ec hni qu es  f or  M ul t i l ev el  I nv e r t er  f e d P er m a nent  M agnet  S y nc hr o nou s  M ot or .   I nt er n at i o nal  J o ur nal  of   E ngi ne er i n g S c i en c e a nd T ec h nol og y .  2010 ;   2( 1 0) :   5 206 - 52 14 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.