Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   9 , No .   3 ,  Ma rch   201 8 ,  pp.  71 1 ~ 72 1   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v9.i 3 . pp 71 1 - 72 1          711       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   A Simp lified PW M Tech niq ue for Reduc ed Swit ch  Co un t  Multi level Inve rter       A.   R amesh 1 ,   O.   Chandr a S ekha r 2 , M.   Siv a  K um ar 3   1, 2 K.  L .   Univ ersi t y ,   Guntur ,   Ind ia   3 Gudlava l le ru   E ngine er i ng  Col lege,   Gudl avalle ru ,   Indi a       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Sep  19, 201 7   Re vised Dec  30, 2 017   Accepte d  Ja n 1 7,   2018       Penet ra ti on  of  m ult il evel  inve r te rs  (MLI)  in  to  high  power  and  m edi um  volt ag e  appl i cat ion  has  bee n  i ncr ea sing  be caus e  of  it s  adva nta g es.   A  conve nt iona l  tw o  le vel   inv erter   has  high  har moni c  distort ion  which  give s   poor  power  qual ity .   Lot   of  topologies  has  be en  deve lop ed  to  over come  the  dra wbac ks  of  t wo  le vel   inv erte r.   The se  topol og ie s  inc lud e  m ore   num ber   of  sw it chi ng  dev ices  which  in crea ses  the   design   complexi t y   and   cost.   The  opti m um   design   of  inve rte r  re q uire s  le ss   num b er  of  sw it che s  with  bet t e r   qual ity   in  w ave f orm .   In  thi s  pape r,   a  s y m m et r ic a l  five   l eve l  and  seve n  le v e l   inve rt er  conf igu ra ti on  with  sim pli fie d  pu lse  wi dth  m odula ti on  te chn ique   is   proposed.   Thi s   proposed  inve rte r  re qui re s  les s  s witc hes,   l ess  prote ct io n   ci rc u it s  al ong   wi th  low  cost  and  size .   The   anal y s is  of  the   inv erter   ci rc u it s  is  done  b y   using  Matl ab/ Sim uli nk   software .   Th e  s y nthe si ze d  st airca se  wav e   form   is  show n  a nd  total  h armoni c  distor ti on  ( TH D) i s a lso   m ea sured.   Ke yw or d s :   Mult il evel Inv erter   Pu lse   Widt h  M odulati on   Re new a ble  E ne rg y  Sour ce s   Total  H a rm on ic  D ist ort ion   Copyright   ©   201 8   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 :   A.  Ram esh ,    K.   L.  Un i versi ty , Gun t ur, In dia .   Em a il :  ra m eshad ire dd y 007@gm ail.co m       1.   INTROD U CTION     In  rece nt  ye ars ,  the  i ndus t ries  ha ve  sta rted  t o  operate  at   hi gher   po wer   rati ng  m achines.  A nd  f or  s om e   m edium   vo lt age  dr i ves  a nd  a pp li cat io ns ,  t he y  need   m ediu m   vo lt age  an d  high  power  le ve l.  For  this  pur po s e,  m ul ti le vel  inv erter  [ 1 ] - [ 3]  con ce pt  has  be en  de velo pe d  for  high  po we r  an d  m ediu m   vo lt age  a pp li cat ion s.   These  in ver te r s  are  not  only   us e d  f or   high  powe r  ap plica ti on s ,  but  al so   us e d  f or   inter f aci ng   the  ren e wab le   energy  s ources   (RES )  [ 4 ] - [ 6]  to  the  util it y  gr id.  The  re newable  ene rg y  s ources   li ke  s olar,   wind  a nd   f ue l  cel l   co ul d  be  e asi ly   connecte d  t o  the  gri d  us in g  m ulti le vel  in ver te r s.  T he  m ulti le vel  inv ert er  co nce pt  has   bee n  introd uced sinc e 1975.  I t  has  s ta rted wit h  a th ree level i nv e rter and  c onse quently  lot o f  in ve rter top ologies h a s   been intr oduce d.   Howe ver,  the   m ajo r  o bject ive  of  the   m ulti le vel  inv e r te r  is  to  get  high  power  usi ng   powe r   sem ic on duct or   switc hes  with   nu m ber   of  lo w  volt age  dc  s ources.  T he  ch aracte risti cs  of  le ss  total   har m on ic   distor ti on  (T H D)   [ 7 - 8],  re duced  dv/dt  an d  low  c omm on   m od e  vo lt age  ar e  the  reasons  f or   getti ng  popula rity   for  the  m ulti - l evel  inv e rters  in  m edium   vo lt age  an d  high  powe r  ap plica ti on s .  The  a dv a ntages  of   m ult il evel   inv e rter a re  give n belo w.   a.   Re du ces   the  e le ct ro m agn et ic   com patibil it y  pro blem s  becau se  of  lo w  dv/dt  stre ss  a nd  le ss  har m onic  dist or ti on.   b.   The  com m on   m od e  vo lt age  of   a  m ultilevel  inv erter  is  s m al l.  Ther efor e,  if  a  m ultile vel  inv e rter  is  connecte d t o d rive  t he  stres son the  b ea rin g wil l be  reduce d.     c.   The  c urre nt dr awn b y t he  m ulti le vel inv erter  h as  lo w dist or t ion .   d.   Mult il evel inv e rters ca n  a ble t o op e rate at   fund am ental  as  well  as  high s witc hing  fr e quency.   Howe ver,  m ore  nu m ber   of   s witc hing  de vices  in  the  inv er te r  causes  to  de crease  the  effi ci ency  and  reli abili ty  o f  the d rive  [ 9 ] - [ 10 ] . Th eref ore, it  is n ecessa ry to i m pr ove the r el ia bili ty a nd  ef f ic ie ncy b y red ucin g  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.   9 ,  No.  3 ,  Ma rc h 201 8   :   71 1   –   72 1   712   the  num ber   of   switc hes.   In   t hi s  pap e r,   a  re duced  s witc h  c ount  m ulti le vel  inv e rter  f or   fiv e  and   se ve n  le vel  is   pro po se d.  A   si m pl ifie d  pulse   widt h  m odulati on   te c hn i qu e   is  im ple m ente d  for  c ontrol   s trat egy   [ 11] .  A  five   le vel  inv erter  is  pr op os ed  w it h  five  switc he s  and   a  7  le ve l  inv erter  is  pro po se d  with   six  switc hes.   These   ci rcu it s  are  im plem ented  us ing   Ma tl ab/Sim ulink   s oft wa re .  The  total   harm on ic   distor ti on   for  vo lt age   wave   form  is  m easur ed by fast  Fou r ie r  tran sf or m  an al ysi s.       2.   FIVE  S WITC H FI VE LEV EL  IN VE RTE R   The  pr opos e d  5  switc h  five  l evel  m ult il evel   inv erte r  is  sho wn   in  fig ur e  1.  This  topolo gy   con sist s  of  four   switc hes   of  I GBT  a nd   on e  ideal   switc h.  The  s ource  vo l ta ge  is  di vid e d  in  to  tw o  e qu al   par ts  as   V dc /2e ach.   The  c onfig urat ion   of the  circ ui t wit h  R l oa d  i s sho wn.    The  re quired  five  le vel  outp ut   vo lt age  le vels  0,   V dc / 2,   V dc ,  - V dc/2   and   – V dc   are  obta ined  by   op erati ng   these fi ve  s witc hes  i n propo rtion al  m ann er . T he diag ram s f or each  level a r e il lustrate d  i n fo ll owin g fig ures.               Figure  1. Pro pose d  fi ve  le vel   inv e rter   Figure  2. O perat ion al  d ia gr a m  f or  0 volt age  level                 Figure  3. O perat ion al  d ia gr a m  f or  V dc /2  vol ta ge  le vel   Figure  4 .   O perat ion al  d ia gr a m  f or  V dc   volt age level           S 4 V d c / 2 V d c / 2 S 1 S 2 S 3 E C G E C G E C G E C G R S 5       Figure  5. O perat ion al  d ia gr a m  f or   - V dc/2   vo lt age level   Figure  6. O perat ion al  d ia gr a m  f or   - V dc vo l ta ge  le vel       Le vel  -   0   To  ge t  zero   volt age  le vel,  t he  switc hes  S 2  an d  S 4  s houl d  be  tu rned  on.  T he  loa d  be com es  sh or t   ci rcu it  and t he vo lt age  acr os s   it  is zero .  T he op e rati onal  d ia gr am  is shown  in  Fig ure  2.   Le vel  -   V dc/2   The  volt age  le vel  of   V dc/2  i s  produce d  by  switc hing  O N  the  switc hes  S 2  an d  S5.I n  this  case  on ly   bo tt om   so ur ce  is  con ne ct ed  to   the  load  an d  the  volt age  V dc/ 2   app ears  ac ro s s  the  load.   T he   op erati on al   di agr am   is sh own  i n fig ur e  3.     S 4 V d c / 2 V d c / 2 S 1 S 2 S 3 E C G E C G E C G E C G R S 5 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       A S i mp li fi ed  P WM Tec hn i qu e  for  Re duced  Sw it ch  Count M ulti le vel  I nvert er   ( A. R am e sh )   713   Le vel  –   V dc   By   switc hin g  ON   s witc hes  S1   a nd   S 2  we   can  get  the  volt age  le vel  of   V dc .  I n  this  c ase  bo t h  the  vo lt age  s ource s appear  acr os s  the loa d. T he op e rati onal  d ia gr am  is shown  in  Fig ure  4.     Le vel  -   - V dc/2   The  – V dc/2   volt age  le vel  is  obt ai ned  b y  cl os in g  the  s witc hes  S3   a nd  S5.  I n  this  case  the u pper volta ge   so urce i s  con ne ct ed  to t he  l oa d.   The  operati onal  d ia gr am  is sh ow n  in   Fi gur e  5.   Le vel  –   - V dc   The  volt age  le vel  – V dc   c ou l d  be  obt ai ned   by   op erati ng  th e  switc hes  S 3  and   s 4.   B oth   the  volt age   so urces  are  c onnecte d  to  loa d wit h ne gative  po la rity . Th e  operati onal   diag ram  is sh own  in  Fi gure  6.       Table  1 .   Sw it c hing Se quence   for  Fi ve  Le vel  Five S witc h  M ulti le vel I nve rter   Vo ltag e  lev els   Swit ch in g  Sequ en ce   S 1   S 2   S 3   S 4   S 5   0   OFF   ON   OFF   ON   OFF   V d c/2   OFF   ON   OFF   OFF   ON   V dc   ON   ON   OFF   OFF   OFF   - V d c/2   OFF   OFF   ON   OFF   ON   - V dc   OFF   OFF   ON   ON   OFF       The  Ta ble  1  s hows  the  sw it ch ing   patte r n  f or  five  s witc h fiv e level  in ver te r .       3.        SI X  S WI TCH S E VEN   LE VEL IN VE RTER   The  pro pose d  6  switc h  se ven  le vel  m ultilevel  inv erter  is  s how n  in  Fig ure  7.   This  to polog y  co ns ist s   of   f our  s witc he s  of   I GBT  a nd  two  i deal  switc hes.   T he  s ource  volt age  is  div ide d  in  to  three  e qual   par ts  as   Vd c/ 3each. T he  confi gurati on  of the   ci rcu it   with R l oad is  sh ow n.       S 4 V d c / 3 V d c / 3 S 1 S 2 S 3 E C G E C G E C G E C G R V d c / 3 S 5 S 6     Figure  7. Pro pose d  se ven lev el  inv e rter       The  re qu i red   seve n  le vel  outpu t  volt age  le vels  0,   V dc/3 ,  2V dc/3 ,  V dc ,  - V dc/3 ,  - 2V dc/3  a nd   – V dc   are   ob ta ine d  by  operati ng   the se  six  switc hes  i n  pro porti on al   m ann e r.   T he  dia gr am s  fo r  eac h  le vel  are  il lust rate d  in foll owin g  fi gures.               Figure  8. O perat ion al  d ia gr a m  f or  level ze r o   Figure  9. O perat ion al  d ia gr a m  f or  level  V dc /3   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.   9 ,  No.  3 ,  Ma rc h 201 8   :   71 1   –   72 1   714     S 4 V d c / 3 V d c / 3 S 1 S 2 S 3 E C G E C G E C G E C G R V d c / 3 S 5 S 6       Figure  10. O pe rati on al   diag ra m  f or  level   2V dc/3   Figure  11  Op e r at ion al  d ia gr a m  f or  level  V dc                 Figure  12  Op e r at ion al  d ia gr a m  f or  level  – V dc/3   Figure  13  Op e r at ion al  d ia gr a m  f or  level  – 2V dc/3         S 4 V d c / 3 V d c / 3 S 1 S 2 S 3 E C G E C G E C G E C G R V d c / 3 S 5 S 6     Figure  14. O pe rati on al   diag ra m  f or  level  – V dc       Le vel  -   0   To  ge t  zero   volt age  le vel,  t he  switc hes  S 2  an d  S 4  s houl d  be  tu rned  on.  T he  loa d  be com es  sh or t   ci rcu it  and t he vo lt age  acr os s   it  is zero .  T he op e rati onal  d ia gr am  is shown  in Figu re  8.   Le vel  -   V dc/3   The  volt age  le vel  of   V dc/3  i s  produce d  by  switc hing  O N  the  switc hes  S 2  an d  S6.I n  this  case  on ly   bo tt om   so ur ce  is  con ne ct ed  to   the  load  an d  the  volt age  V dc/ 3   app ears  ac ro s s  the  load.   T he   op erati on al   di agr am   is sh own  i n  Fi gure  9.   Le vel  -   2V dc/3   The  volt age  le vel  of   2Vdc/ 3  is  pr od uced   by  switc hing  ON   the  s witc hes  S 2  an d  S 5.In   this  case  bo tt om   two  s ources   are   c onne ct ed  to   the   lo ad  a nd  the   vo lt age  2V dc/3  app e ars  ac ross  th e  l oad.  T he   opera ti on al   diag ram  is sh own  in Fi gure  10.   Le vel  –   V dc   By   switc hing  ON  switc he s  S 1  a nd   S2  we   ca n  get  the  vo lt a ge  le vel  of  V dc .   In  this  case   al l   the  vo lt age   so urces  appear  acr os s t he  loa d.   The  operati onal  d ia gr am  is sh ow n  in  Fi gur e 11.   Le vel  -   - V dc/3   The  vo lt age   le vel  of  - V dc/3  is  pro du ce d  by  switc hing  ON   the  switc he s  S 3  an d  S5.I n  th is  case  only   uppe r  source  is  connecte d  to  the  load  a nd   th e  vo lt age  - V dc/3  appears  acr os s   the  load.   The  op e rati onal   diagr am   is sh own  i n  Fi gure  12.   Le vel  -   - 2V dc/3   The  vo lt ag e  le vel  of  2V dc/3  is  pro du ce d  by  s witc hing  ON   t he  s witc hes  S 3  an d  S 6.In   t his  case  top  tw o  so urces  a re  co nn ect e d  to  the  load  a nd   t he  volt age  - 2V dc/3  a pp ea rs  ac ro ss  t he  loa d.   T he  operati onal   dia gram   is  sh ow n  in  Fi gur e 13.   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       A S i mp li fi ed  P WM Tec hn i qu e  for  Re duced  Sw it ch  Count M ulti le vel  I nvert er   ( A. R am e sh )   715   Le vel  –   - V dc   By  sw it ching   ON  s witc hes S 3  an d  S 4 we ca n  get the  volt age level of  - V dc . I n  t his case a ll  the v oltage   so urces  appear  acr os s t he  loa d.   The  operati onal  d ia gr am  is sh ow n   in  Fi gur e 14.       4.       SIMPL IF IED PW M  TE CHNIQ UE   4.1. For  Five   Swi tch  Five  L evel   In  m ultilevel  inv e rters   the   ou tpu t  volt age  is   co ntr olled  by  us in g  dif fer e nt   m od ulati on  st rategies.   I n  P W M  c ontrol ,  there  a re  t hr ee   te chn iq ues   li ke   f undam ental   switc hing  fr e qu en cy   P WM,  P WM  te ch nique   base d  on  car rier   an d  sp ace  vecto r  P WM  te ch nique .  Am ong  t hese ,  the   car rier  ba sed  P W M   te ch nique  is   f reque ntly   us e d  beca us e;   it   has  le ss  com plexity   even   w hen   outp ut  vo l ta ge  le vels  are  m or e.  In   this  pa per,  a  m ult i - carrier   base d  SP WM  (sinu so i dal  pul se  widt h  m od ul at ion )  te ch nique  ha s  bee n  i m ple m ented.   It   con ta in s  a  re f eren ce  sign al   w hich  is   com par ed   wit h  th e  tw o  high   fr e qu e ncy  ca rr i er  sig nals  t o  ge ner at e  switc hi ng  sta te s  A,  B  a nd  C   (F ig ur e   15) .  T he  tw o  ca rr ie r s  ha ve  a  sm al l   dif fer e nce  in   it s   m agn it ud e  wh ic h  are   dis po s ed  ve rtic al l y.  By   com bin ing   the se  switc hing  s ta te s,  the  gatin g  pulse s  are  ge ner at e d  f or   th e  switc hes  us i ng   fo ll owin g  l og ic al   no ta ti on.                                                                                                           A B C S 1 O N / O F F - V d c O F F / O N O F F / O N S 2 O N / O F F O N / O F F S 3 S 4 O F F / O N O F F / O N O F F / O N O N / O F F O F F / O N S 5 O N / O F F O F F / O N O N / O F F O N / O F F O F F / O N O N / O F F V d c / 2 V d c / 2 V d c - V d c / 2 - V d c / 2 0     Figure  15. P WM tec hn i qu e  fo r  fi ve  le vel         4.2. For  Six  S w itch Se ven  L evel   In   this  co ntr ol  three  carrier  wav e f or m s  are  us ed  to  ge ne r at e  the  fo ur  switc hing  sta te s.  The  log ic al   com bin at ion   of  f our   switc hin g  sta te s  A,   B ,  C  a nd  D   gi ve s  us  the   puls es  f or  switc h e s  S 1  th rou gh  S6 .   T he  P W M t ec hn i que a nd s witc hing lo gic is  giv e n .   By   com bin ing  these  s witc hi ng  sta te s,  the   gatin g  pu lse s   are  ge ner at e d  f or  the   swi tc hes  us in g  fo ll owin g  l og ic al  n otati on.                                                                                                                                                             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.   9 ,  No.  3 ,  Ma rc h 201 8   :   71 1   –   72 1   716   A B C S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 D S 6 O N / O F F O F F / O N O N / O F F O F F / O N O N / O F F O F F / O N O N / O F F O F F / O N O F F / O N O N / O F F O F F / O N O N / O F F O F F / O N O N / O F F O N / O F F O F F / O N O F F / O N O N / O F F O F F / O N O N / O F F O F F / O N     Figure  16. P WM tec hn i qu e  fo r  se ven level       5.        SI MU L A TION  RES UL TS    5.1. Fi ve  sw itc h Five  level i n vert er   Ca se  1:  R - l oa d   Figure  17.   Sho ws  th e  ou t pu t  volt age  of the  fi ve  s witc h five l evel in ver te r.           Figure  17. O utp ut  volt age     The o utput cu r ren t  wa ve  f orm  is sho wn in Fi gure  18           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       A S i mp li fi ed  P WM Tec hn i qu e  for  Re duced  Sw it ch  Count M ulti le vel  I nvert er   ( A. R am e sh )   717   Figure  18. O utp ut c urre nt   The P W M  wa ve form s an d  s wi tc hin g p ulses a re show n  in   Fi gure  19 a nd 20  r es pecti vely .           Figure  19 .   P WM w av e f orm s           Figure  20 .   Sw i tc hin g  pulse s       Ca se  2:  RL - L oad   The o utput v ol ta ge  wa ve form  is sho wn in Fi gure  21.           Figure  21 .   O utp ut  volt age       Figure  22 s hows  th e  ou t pu t c urren t  wa ve fo rm .           Figure  22 .   O utp ut c urre nt   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.   9 ,  No.  3 ,  Ma rc h 201 8   :   71 1   –   72 1   718   P W M  wave f orm s an d  s witc hi ng   pulse s a re show n  in   Fig ure   23 a nd 24  res pe ct ively .           Figure  23 .   P WM w av e f orm s           Figure  24 .   s witc hing  pu lse s       The  t otal  ha rm on ic   disto rtio n  for  vo lt age   w a ve  form   is  give n  in   fi gure  25   an d  the   T HD  m easur ed   is   26.87% .           Figure  25 .   T H D Gra ph       5.2. Si x Sw itc h S e ven  Le vel  Inv er ter   Ca se   1:  R - l oa d   The o utput v ol ta ge  of si x  s witc h  se ve n  le vel  is sh own  i n  Fi gure  26.           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       A S i mp li fi ed  P WM Tec hn i qu e  for  Re duced  Sw it ch  Count M ulti le vel  I nvert er   ( A. R am e sh )   719   Fig ure   26. O utp ut  volt age   Figure  27 s hows  th e  ou t pu t c urren t.           Figure  27 .   O utp ut c urre nt       The P W M  wa ve form s an d  s wi tc hin g p ulses a re show n  in  Fi gure  28 a nd 29   res pecti vely .           Figure  28 P W M wave f or m           Fig ure   29 .   Sw i tc hin g p ulses       Ca se  2:  RL - l oad   Figure  30 s hows  th e  ou t pu t  volt age  wav e  fo rm .           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.   9 ,  No.  3 ,  Ma rc h 201 8   :   71 1   –   72 1   720   Figure  30 .   O utp ut  volt age   Ou t pu t c urre nt  wav e f or m  is shown i n  Fi gure  31.           Figure  31 .   O utp ut c urre nt       Figure   32 a nd  33 sho ws  t he  P WM wa ve form  and s witc hing  pu lse s  r es pecti vely .           Figure  32 .   P WM w av e f orm           Figure  33 .   Sw i tc hin g p ulses       The  t otal ha rm on ic   disto rtio n i s shown i n  Fi gure  34 a nd m ea su re d 1 8.18%.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.