I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S)   Vo l.   6 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7 ,   p p .   53 ~ 68   I SS N:  2 089 - 4 864 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j r es . v 6 i1 . p p 53 - 68          53       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JR E S /in d ex   FP G Ba sed  Sy m m e trical Mu l ti  Le v el Inv erte r w ith  Reduced   G a te  Driv er  Circ uits       G .   Durg a   P ra s a d 1 V .   J eg a t h esa n 2   1 De p a rtme n o f   EE E,   S h ri  V is h n u   En g in e e rin g   Co ll e g e   f o W o m e n ,   Bh im a v a ra m ,   A . P ,   I n d ia   2 De p a rt m e n o f   El e c tri c a a n d   El e c tro n ics   En g i n e e rin g ,   Ka ru n y a   Un iv e rsity ,   Co i m b a to r ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   1 7 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   Feb   1 1 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Feb   2 1 ,   2 0 1 7       M u lt il e v e c o n v e rters   ten d e a d v a n tag e in   term o f   th e   o u tp u t   w a v e f o r m   q u a li ty   d u e   t o   t h e   i n c re a se d   n u m b e o f   lev e ls  u se d   in   th e   o u t p u v o lt a g e   m o d u latio n   a n d   h a v e   b e e n   w id e l y   a c c e p ted   f o h ig h - p o w e h i g h - v o lt a g e   a p p li c a ti o n s.    T h is  p a p e in tr o d u c e to p o l o g y   in   m u lt il e v e d c   li n k   in v e rter   (M L DCL I),   w h ich   c a n   sig n if ic a n tl y   r e d u c e   th e   sw it c h   c o u n a n d   i m p ro v e   th e   p e rf o r m a n c e .   T h e   p re f e rre d   to p o l o g y   p ro v id e a   d c   v o lt a g e   w it h   th e   sh a p e   o a   sta irca s e   a p p ro x im a ti n g   th e   re c ti f ied   sh a p e   o f   a   c o m m a n d e d   sin u so i d a l   w a v e ,   to   th e   b rid g e   in v e rter,   wh ich   in   tu r n   g iv e th e   re q u ired   a lt e rn a ti n g   w a v e f o r m .   T h is  to p o lo g y   r e q u ires   f e w e r   c o m p o n e n ts  c o m p a re d   to   trad it io n a l   M u lt lev e In v e rters   (M L I). T h e r e f o re ,   th e   o v e ra ll   c o st  a n d   c o m p lex it y   a re   sig n if ica n tl y   re d u c e d   p a rti c u larly   f o h ig h e o u tp u t   v o lt a g e   lev e l s.  F in a ll y ,   M a tl a b /S im u li n k   a n d   X IL INX   a re   u se d   a a   si m u latio n   a n d   c o m p il e a rc h it e c tu re   o f   c o n tro c ircu it   e m b e d d e d   in   F P G A .   S im u l a ti o n   a n d   e x p e ri m e n tal  re su lt s f o f i f tee n - le v e in v e rter are   p re se n ted   f o v a li d a ti o n   K ey w o r d s :   Field   p r o g r am m b le  g ate  a r r a y   L e v el  g e n er ea tio   p ar t   Mu lti le v el  i n v er ter   R ev er s in g   v o lta g p ar   T o tal  h ar m o n ic  d i s to r tio n       Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   G.   Du r g P r asad   Dep ar t m en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g i n ee r in g ,   Sh r i V i s h n u   E n g in ee r i n g   C o ll eg f o r   W o m en ,   B h i m a v ar a m ,   An d h r P r ad esh ,   I n d ia.   E m ail: d u r g ap r asad _ g ar ap ati@ s v ec w . ed u . i n       1.   I NT RO D UCT I O N   Mu lti   lev e l   co n v er ter   tec h n o lo g ies  ar e   r ec eiv i n g   i n cr ea s ed   atten tio n   r ec en tl y ,   e s p ec iall y   f o r   u s e   i h ig h   p o w er   ap p licatio n s   [ 1 - 2 ] .   T h is   in cr ea s ed   atten tio n   i s   p r o b ab ly   d u e   to   th e   f ac t   t h at  t h e   o u tp u w av e f o r m s   ar m u c h   i m p r o v ed   o v er   t h o s o f   t h t w o - le v el  co n v er ter   tech n o lo g ies,  a n d   t h at  t h v o ltag r ati n g   o f   t h co n v er ter   is   i n cr ea s ed   d u to   th s er ie s   co n n ec tio n   o f   t h e   d ev ices.  Fi g u r 1   s h o w s   o n w a y   to   clas s i f y   m u ltil e v el  co n v er ter s ,   s i m ilar   t o   th class i f icat io n   b y   L ai  an d   P en g   [ 3 ] .           Fig u r 1 .   T y p es o f   b asic  m u lt i   lev el  in v er ter s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 7   :   53     68   54   T h g en er al  co n ce p i n   M L I s   in v o lv e s   u t ilizi n g   h i g h er   n u m b er   o f   ac ti v s e m ico n d u cto r   s w itch e s   to   p er f o r m   th p o w er   co n v er s io n   in   s m all  v o ltag e   s tep s .   T h er ar s ev er al  ad v a n ta g es  to   t h is   ap p r o ac h   w h en   co m p ar ed   w it h   th e   co n v en tio n al   p o w er   co n v er s io n   ap p r o ac h .   T h s m a ller   v o ltag e   s tep s   lea d   to   th p r o d u ctio n   o f   h i g h er   p o w er   q u ali t y   w a v e f o r m s   an d   al s o   r ed u ce   v o lta g ( d v /d t)   s tr ess   o n   th lo ad   an d   th elec tr o m a g n etic   co m p atib il it y   co n ce r n s   [ 4 ] .   I n   r ec en y ea r s ,   th er h as  b e en   s u b s ta n tial  i n cr ea s in   i n ter est  to   m u ltil e v el  p o w er   co n v er s io n .   R ec en r esear c h   h a s   in v o lv e d   th in tr o d u ctio n   o f   n o v el   co n v er ter   to p o lo g ies  an d   u n iq u m o d u latio n   s tr ateg ie s .   So m ap p licatio n s   f o r   th ese  n e w   co n v er ter s   in clu d i n d u s tr ial  d r iv e s   [ 5 ] - [ 7 ] ,   f le x ib le  ac   tr an s m is s io n   s y s te m s   ( F AC T S)  [ 8 ] - [ 1 0 ] ,   an d   v eh icle  p r o p u ls io n   [ 1 1 ] - [ 1 2 ] .   On ar ea   w h er m u ltil e v el  co n v er ter s   ar p ar ticu lar l y   s u it ab le  is   th at  o f   r en e w ab le  p h o to v o ltaic  en er g y   t h at  e f f icien c y   an d   p o w er   q u alit y   ar o f   g r ea t c o n ce r n s   f o r   th r e s ea r ch er s   [ 1 3 ] .   So m n e w   ap p r o ac h es h a v b ee n   r ec en t l y   s u g g e s ted   s u ch   a s   th e   to p o lo g y   u ti lizi n g   lo w - s w it ch in g - f r eq u en c y   h i g h - p o w er   d ev ices.  A lt h o u g h   t h to p o lo g y   h a s   s o m e   m o d i f icat io n   to   r ed u ce   o u tp u v o lta g d is to r tio n ,   t h g en er al  d is ad v a n tag e   o f   th i s   m e th o d   is   th at   it   h a s   s ig n i f ica n lo w - o r d er   cu r r en t   h ar m o n ics  [ 1 4 ] .   T h m u ltil ev el  o u tp u is   g en er ated   w it h   m u lti  w i n d i n g   tr an s f o r m er .   Ho w ev er ,   t h d e s ig n   a n d   m a n u f ac tu r i n g   o f   a   m u lti  w i n d i n g   tr an s f o r m er   ar e   d if f icu l an d   co s tl y   f o r   h i g h - p o w er   ap p licatio n s .   Eq u al  v al u ed   d s u p p lies   ar e m p lo y ed   f o r   p r ef er r ed   co n f i g u r atio n   w h ic h   ca u s e s   th to p o lo g y   i n to   s y m m etr ical   th at  h a v f le x ib ilit y   to   ar r an g th d s u p p lies   ea s il y   to   g et  th r eq u ir ed   o u tp u t   v o ltag le v el s   an d   it  i s   also   ef f o r tle s s   o n   t h w a y   to   in cr ea s in   t h d ir ec tio n   o f   a n y   n u m b er   o f   le v els.   E b r ah i m h a s   p r o p o s ed   n e w   m u ltil e v el  co n v er ter   to p o l o g y   w it h   r ed u ce d   n u m b er   o f   s w itc h   to   o b tain   m ax i m u m   le v el s   at  th e   o u tp u [ 1 5 ] .   I is   o b s er v ed   th at   t h m u lti - le v els  ar ac h ie v ed   th r o u g h   ca s ca d ed   ar r an g e m en t   o f   c ell s ,   i n   w h ic h   t h s u cc es s i v ad d itio n   o f   i n d iv id u al  ce ll s   m a y   b ea r   eq u al  b lo ck in g   v o ltag e,   an d   th o u ts e ce ll  in   th to p o lo g y   u n d er g o es  h ig h   b lo ck i n g   v o ltag th a ca u s e s   d ev ice  f ai lu r w h ic h   r ed u ce s   ef f icien c y .   I is   s tu d ied   t h at  t o p o lo g ies  w it h   as s y m e tr ical  d v o ltag e s   w ill  ca u s co m p le x it y   in   d er iv in g   t h e   r eq u ir ed   v o ltag es  lev el s   b y   ad d in g   an d   s u b tr ac ti n g   t h av a ilab le  v o ltag s o u r ce s   to   ac h i ev p ar ticu lar   lev el   [ 1 6 ] .     T h to p o lo g y   in   th i s   p ap er   is   s y m m etr ical  to p o lo g y   s in ce   all  th e   v al u es   o f   a ll  v o l tag s o u r ce s   ar e   eq u al  an d   co n s is t s   o f   m u ltil ev el  o u tp u w h ic h   is   n a m ed   as  lev el  g e n er atio n   p ar ( L GP )   an d   s i n g le  p h as e   f u ll - b r id g ( SP B )   in v er ter   wh ich   is   n a m ed   as  r e v er s i n g   v o ltag p ar ( R VP ) .   T h is   to p o lo g y   r eq u ir es  le s s   n u m b er   o f   co m p o n e n ts   co m p a r ed   to   co n v e n tio n al   to p o lo g ies .   I is   al s o   m o r e   ef f icie n s i n ce   th in v er ter   h as  a   co m p o n e n w h ic h   o p er ates  th s w itc h i n g   p o w er   d ev ices  at   lin f r eq u e n c y .   T h d ev ices   in   th L VP   alo n o p er ate  at  h i g h er   f r eq u e n cie s d ev ice  i n   R VP   w ill   o p er ate  at  lin f r eq u e n c y .   T h er ef o r e,   th er is   n o   n ee d   f o r   all   s w itc h es to   w o r k   in   h i g h   f r eq u en c y   w h ic h   lead s   to   s i m p ler   an d   m o r r eliab le  co n tr o l o f   th e   in v er ter .     T h s u cc es s f u o p er atio n   o f   a n y   to p o lo g y   w i ll  d ep en d s   o n   th s e lectio n   o f   p r o p er   co n tr o s tr ateg y   an d   s w itch in g   s tat e s .   T h g atin g   p u ls e s   ar d er iv ed   b y   u s i n g   s in u s o id al  p u l s w id t h   ( SP W M )   an d   th e   ad v an ta g es   o f   P W ar g i v e n   a s   ( i)   C o n tr o o v er   o u tp u v o ltag m a g n i tu d e,   ( ii)   R ed u c ti o n   i n   m a g n i tu d es   o f   u n w an ted   h ar m o n ic  v o lta g es,   ( iii)  I m p r o v ed   p o w er   f ac to r   w it h   u n it y   d i s p lace m en f ac to r .   L o w es o r d er   h ar m o n ic  eli m i n atio n   is   p o s s i b le  b y   p r o p er   ch o ice  o f   t h n u m b er   o f   p u l s es  p er   h a lf   c y cle.   I n   th is   p ap er   m u lti   ca r r ier   SP W tech n iq u es  a r u s ed .   T h r ee   alter n ati v ca r r ier   PW s tr ateg ies  w it h   d if f er i n g   p h ase   r elatio n s h ip s   f o r   m u lt ilev el  i n v er ter   ar as f o llo w s :   a.   In - p h ase  d is p o s itio n   ( I P D) ,     b.   P h ase  o p p o s itio n   d is p o s itio n   ( P OD) ,     c.   A lter n ati v p h ase  o p p o s itio n   d is p o s itio n   ( A P OD) .     I P o r   P s tr ateg y   i s   u s ed   m o s f r eq u e n tl y   b ec au s it   p r o d u ce s   m i n i m u m   h ar m o n ic  d is to r tio n   co m p ar to   o th er   P W s tr ateg ies  [ 1 7 ] - [ 2 1 ] .   I n   th is   p ap er   g en er al  m et h o d   o f   m u lticar r ie r   m o d u latio n   ( I P D)   SP W is   u tili ze d   to   d r iv th p r ef er r ed   in v er ter   to p o lo g y   an d   ca n   b ex te n d ed   to   an y   n u m b er   o f   v o lta g e   lev els.        2.   RE V E RS I N G   VO L T A G E   P ART M UL T I   L E V E L   DC  L I NK   I NV E RT E R   I n   tr ad itio n al  m u lti lev el   i n v e r ter s ,   th p o w er   s e m ico n d u ct o r   s w i tch e s   ar co m b i n ed   to   p r o d u ce   h ig h - f r eq u en c y   alter n at in g   wav ef o r m .   Ho w e v er ,   t h er is   n o   n ee d   to   u til ize  all   t h s w it ch es   f o r   g e n er atin g   b ip o lar   lev els.  T h to p o l o g y   i n   th is   p ap er   is   h y b r id   ML I   wh ich   s ep ar ates th o u tp u v o lta g in to   t w o   p ar ts   as   s h o w n   i n   Fi g u r 2 .   On p ar o f   th to p o lo g y   is   u s ed   f o r   g en er atin g   th le v els  o n l y   i n   p o s iti v p o lar ity .   T h i s   p ar r eq u ir es  h ig h - f r eq u e n c y   p o w er   s e m ico n d u cto r   s w itc h e s   to   g en er ate  th r eq u ir ed   n u m b e r   o f   le v els.  An d   o th er   p ar is   ca lled   r e v er s v o ltag p ar a n d   is   r esp o n s ib le  f o r   g en er ati n g   al ter n ati n g   o u tp u v o ltag e   at  lin e   f r eq u en c y ,   t h is   p ar r eq u ir l o w - f r eq u e n c y   p o w er   s e m ico n d u cto r   s w itch e s   a n d   th i s   p ar w il o p er ate  at  lin e   f r eq u en c y .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       F P GA   B a s ed   S ymm etri ca l Mu lti Leve l I n ve r ter w ith   R ed u ce d   Ga te  Dri ve r   C i r cu its   ( Du r g a   P r a s a d )   55       Fig u r 2 .   B lo ck   d iag r a m   o f   t h p r ef er r ed   ML DC L I   to p o lo g y       T h to p o lo g y   co m b i n es  th h ig h   f r eq u e n c y   a n d   lo w   f r eq u en c y   p ar ts   to   g en er ate  t h n ec es s ar y   m u ltil e v el  o u tp u v o ltag e.   I n   o r d er   to   g en er ate  co m p lete  m u ltil e v el  o u tp u t,  th p o s itiv l ev els  ar g en er ated   b y   th e   L GP ,   an d   t h en ,   th i s   i s   f ed   to   SP B   in v er ter   f o r   R VP ,   w h ic h   w i ll  g en er ate   th e   r eq u i r ed   p o lar ity   f o r   th e   o u tp u t.  T h R to p o lo g y   f o r   f i f teen   le v el s   is   s h o w n   in   F ig u r 3 .   A s   ca n   b s ee n ,   it  r eq u i r es  s ev e n   s w i tch e s ,   s ix   d io d es  an d   s e v e n   is o lated   s o u r ce s .   L ef p ar o f   cir c u it  is   u s ed   to   g e n er ate  th r eq u ir ed   o u tp u le v els  w i th   p o s itiv p o lar it y   an d   th e   r ig h t   p ar o f   cir c u it  i s   SP B   i n v er ter ,   d ec id es  ab o u t h p o lar it y   o f   th o u tp u t   v o lta g e   i.e .   alter n atin g   w av e f o r m   w it h   r eq u ir ed   lev els.  I r ev er s es   th v o ltag d ir ec tio n   w h en   t h v o lta g p o lar it y   r eq u ir es  to   b ch an g ed   f o r   n e g ati v p o lar it y .   T h p r ef er r ed   to p o lo g y   ea s il y   ex ten d s   to   h i g h er   v o lta g le v els   b y   d u p licat in g   th m o d u le  as  s h o w n   i n   Fi g u r 3 .   I ca n   also   b ap p lied   f o r   th r ee - p h ase  ap p licatio n s   w it h   th e   s a m p r i n cip le.   C o m p ar i s o n   b et w ee n   p r ef er r ed   to p o lo g y   a n d   co n v en tio n al  to p o lo g ies  is   g iv e n   i n   T ab le  1 .   I t   ca n   b clea r l y   s ee n   t h at  t h p r ef er r ed   to p o lo g y   r eq u ir es  less   n u m b er   o f   co m p o n e n ts .   So   a n   ad d ed   ad v an ta g e   o f   th i s   to p o lo g y   is   t h at  it  w i ll  o cc u p y   les s   s p ac an d   p r o d u ce   th r eq u ir ed   o u tp u w it h   les s er   d is to r tio n s .   T h m ax i m u m   o u tp u v o lta g is   o b tain ed   b y   ad d in g   th a m p lit u d o f   all  th DC   s o u r ce s   co n n ec ted   in   th cir cu it.   T h er ef o r th o u tp u v o ltag l ev els  ar d er iv ed   b y   s elec t io n   o f   in d iv i d u al  DC   s o u r ce   an d   b y   p r o p er   s w itc h i n g   ac tio n   o f   t h p o w er   s e m ico n d u cto r   s w itc h es.     m a x 1 n O u tpu t k k VV                                                                                  ( 1 )     T h L p ar p r o v id es  d c   b u s   v o ltag e,   w i th   t h s h ap o f   s tair ca s th a ap p r o x i m ates  t h r ec tif ied   w a v e f o r m   o f   t h co m m an d ed   s in u s o id al  v o lta g e,   to   th R p ar t,  w h ic h   in   t u r n   al ter n ates  t h v o lta g p o lar it y   to   p r o d u ce   an   ac   v o lta g o f   s tair ca s s h ap w it h   r eq u ir ed   le v els.                            T h ac tiv n u m b er   o f   s w i tch e s   in   p r ef er r ed   to p o lo g y       m1 4 2                                                                                        ( 2 )     Nu m b er   o f   d s o u r ce s         m1 2                                                                                  (3 )     Nu m b er   o f   D io d     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 7   :   53     68   56   m3 2                                                                                  ( 4 )     W h er e,   m   is   t h n u m b er   o f   le v els.       T ab le  1 .   C o m p ar is o n   o f   n u m b er   o f   co m p o n e n t s   f o r   f i f tee n   le v el  s i n g le  p h ase  M L I   I n v er ter s     S l . N o     M L I   st r u c t u r e     C H B     D C     F C     M L D C LI     P r e f e r r e d   M L D C LI   C H B     D C     F C       M a i n   sw i t c h e   2 8     2 8     2 8     2 4     1 8     1 8     11     B y p a ss d i o d e               7     C l a mp i n g   d i o d e     2 4         1 2       0     D C   S p l i t   c a p a c i t o r               0     C l a mp i n g   c a p a c i t o r       1 2           0     T o t a l     3 5     5 9     4 7     2 5     3 7     3 1     18       T h is   to p o lo g y   u s es  i s o lated   d s u p p lies .   T h er ef o r e,   it  d o es  n o f ac v o lta g e - b alan ci n g   p r o b lem s   d u to   f ix ed   d v o lta g v al u es,  t h is o lated   d s u p p lies   ca n   b r ep lace d   b y   r en e w ab le  s o u r ce s   b y   p r o p er ly   d esig n ed   co n tr o cir u it  to   a v o id   v o ltag b ala n cin g   p r o b le m s   [ 2 2 ] .   T h to p o lo g y   ca n   ex t en d   to   th r ee   p h as e   ap p licatio n s   a n d   s h o w n   i n   Fig u r 4 ,   t h co m p lete   t h r ee - p h as in v er ter   f o r   f i f tee n   lev el s   i s   s h o w n   w it h   a   th r ee - p h ase  d elta  co n n ec ted   s y s te m   [ 2 3 ] .             Fig u r 3 .   Sch e m atic  o f   p r ef er r ed   ML DC L I   1 5   lev el  i n   s i n g le  p h ase  w it h   d u p l icatin g   m o d u le  to   in cr ea s lev el     Fig u r 4 .   Sch e m atic  o f   f if tee n - lev el  i n v er ter   in   t h r ee   p h ase       A cc o r d in g   to   Fig u r 4 ,   th m u ltil e v el  p o s iti v v o lta g is   f e d   to   th f u ll - b r id g co n v er ter   to   g en er ate  its   alter n ati n g   w av e f o r m .   T h en ,   th o /p   o f   th ea ch   f u l b r id g co n v er ter   is   co n n ec ted   to   th p r im ar y   o f   a   tr an s f o r m er .   T h s ec o n d ar y   o f   t h tr a n s f o r m er   i s   d elta   c o n n ec ted   a n d   ca n   b co n n ec t ed   to   t h r ee - p h a s e   s y s te m .   T h is   to p o lo g y   r eq u i r es  f e w er   co m p o n e n ts   i n   c o m p ar is o n   to   co n v e n tio n al  in v er ter s .   An o t h er   ad v an ta g o f   th i s   to p o lo g y   is   th at  it  j u s r eq u ir es  h al f   o f   th co n v e n tio n al  ca r r ier s   f o r   SP W co n tr o l ler .   SP W f o r   f if tee n - le v el  co n v en tio n al  co n v er ter s   co n s i s ts   o f   f o u r tee n   ca r r ier s ,   b u i n   t h is   to p o lo g y ,   s ev e n   ca r r ier s   ar s u f f icie n t.  T h r ea s o n   is   t h at,   ac co r d in g   to   Fi g u r 3 ,   th co n ce p o f   g e n er ati n g   m u ltil e v el  w o r k s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       F P GA   B a s ed   S ymm etri ca l Mu lti Leve l I n ve r ter w ith   R ed u ce d   Ga te  Dri ve r   C i r cu its   ( Du r g a   P r a s a d )   57   o n l y   i n   L p ar t.  T h er ef o r e,   it  i m p le m en t s   th m u ltil e v el  in v er ter   w ith   r ed u ce d   n u m b er   o f   ca r r ier s ,   w h ich   is   g r ea t a ch ie v e m e n f o r   in v er t er   co n tr o l.     T h p r ef er r e d   to p o lo g y   d o es   n o n ee d   f ast  s w itc h es  f o r   th r ev er s g e n er atio n   p ar t.  S w itc h in g   s eq u en ce s   i n   t h is   co n v er ter   ar ea s ier   th a n   it s   co u n ter   p ar ts .   A cc o r d in g   to   its   in h er en ad v an tag e s ,   it  d o es  n o n ee d   to   g e n er ate  n eg at iv p u l s es  f o r   n e g ati v c y cle  co n tr o l .   T h u s ,   t h er is   n o   n ee d   f o r   e x tr co n d itio n s   f o r   co n tr o llin g   th n e g ati v v o lt ag e.   I n s tead   th s i n g le  p h as f u ll  b r id g co n v er ter   p er f o r m s   th i s   task   a n d   g en er ate s   th r e v er s p o lar it y .   T a b le  2   g iv es  d etail  d escr ip ti o n   o f   th s w itc h i n g   s tates  o f   t h to p o lo g y   f o r   1 5 -   lev el  i n v er ter   w it h   b o th   L p ar t a n d   R p ar t.       T ab le  2 .   Sw itch in g   State s   o f   t h H y b r id   Fi f teen   L e v el  T o p o l o g y       I n   o r d er   to   p r o d u ce   f i f teen   l ev els   b y   SP W M,   s ev e n   s a w - to o th   w a v ef o r m s   f o r   s e v e n   c ar r ier s   ar r eq u ir ed   an d   o n s in u s o id al  r ef er en ce   s i g n al  as  m o d u lati n g   s ig n al  is   r eq u ir ed   as s h o w n   in   Fig u r e.   5 .       L e v e l     O u t p u t   V o l t a g e       S w i t c h   S t a t u s o f   t h e   L G   P a r t   S w i t c h   S t a t u s o f   R V   P a r t   F u n d a me n t a l   C y c l e   S7   S6   S5   S4   S3   S2   S1   Sa   Sb   Sc   Sd   0 - π   1   0     0   0   0   0   0   0   0   1   1   0   0   2   1 * V DC     1   0   0   0   0   0   0   1   1   0   0   3   2 *   V DC     x   1   0   0   0   0   0   1   1   0   0   4   3 *   V DC     x   x   1   0   0   0   0   1   1   0   0   5   4 *   V DC     x   x   x   1   0   0   0   1   1   0   0   6   5 *   V DC     x   x   x   x   1   0   0   1   1   0   0   7   6 *   V DC     x   x   x   x   x   1   0   1   1   0   0   8   7 * V DC     x   x   x   x   x   x   1   1   1   0   0   9   6 *   V DC     x   x   x   x   x   1   0   1   1   0   0   10   5 *   V DC     x   x   x   x   1   0   0   1   1   0   0   11   4 *   V DC     x   x   x   1   0   0   0   1   1   0   0   12   3*   V DC     x   x   1   0   0   0   0   1   1   0   0   13   2 *   V DC     x   1   0   0   0   0   0   1   1   0   0   14   1 * V DC     1   0   0   0   0   0   0   1   1   0   0   15   0     0   0   0   0   0   0   0   1   1   0   0   1   0     0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   π - 2 * π   2   1 * V DC     1   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   3   2 *   V DC     x   1   0   0   0   0   0   0   0   1   1   4   3 *   V DC     x   x   1   0   0   0   0   0   0   1   1   5   4 *   V DC     x   x   x   1   0   0   0   0   0   1   1   6   5 *   V DC     x   x   x   x   1   0   0   0   0   1   1   7   6 *   V DC     x   x   x   x   x   1   0   0   0   1   1   8   7 * V DC     x   x   x   x   x   x   1   0   0   1   1   9   6 *   V DC     x   x   x   x   x   1   0   0   0   1   1   10   5 *   V DC     x   x   x   x   1   0   0   0   0   1   1   11   4 *   V DC     x   x   x   1   0   0   0   0   0   1   1   12   3 *   V DC     x   x   1   0   0   0   0   0   0   1   1   13   2 *   V DC     x   1   0   0   0   0   0   0   0   1   1   14   1 * V DC     1   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   15   0     0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 7   :   53     68   58       Fig u r 5 .   SP W ca r r ie r   an d   m o d u lato r   f o r   p o s itiv v o ltag e   lev el  g e n er atio n .       3.   F I E L P RO G R AM M AB L E   G AT E   ARR AY   Field   P r o g r am m ab le  Gate   Ar r ay s   ( FP GA s )   ar s e m ico n d u cto r   d ev ices  th at  ar b ased   ar o u n d   m atr i x   o f   co n f i g u r ab le  lo g ic   b lo ck s   ( C L B s )   co n n ec ted   v ia  p r o g r a m m ab le  i n ter co n n ec ts .   FP G A   ca n   b p r o g r am m ed   b y   d if f er en s ta g es.  Desi g n   en tr y   i s   th s ta g o f   i m p le m e n ti n g   r eq u i r ed   d esig n   o f   th e   p r o g r am m er   in   s o f f o r m at   o n   FP G A .   Xili n x   I SE   1 2 . 1   s o f t w ar is   u s ed   to   w r ite   p r o g r a m   to   g e n er ate  P W p u ls es  u s in g   VHD L   ( Ver y   Hi g h   Sp ee d   I n teg r ated   C h ip   Ha r d w ar Descr ip tio n   L a n g u a g e ) .   On ce   th co d is   w r itte n   t h e n tire   co d i s   v er i f ied   f o r   s y n ta x .     Af ter   t h co d is   s y n th e s ized   it  w ill  co n v er t   in to   eq u iv ale n t   lo g ic  g ates a n d   p r o d u ce s   n et - lis t.  I n   i m p le m e n tatio n   s ta g e,   th d esi g n   i s   u s ed   f o r   P lacin g   an d   R o u ti n g   w h ic h   p lace s   t h lo g ic  b lo ck s   o f   t h d esig n   i n to   FP GA  an d   r o u te  t h e m   to g e th er   s o   t h at   th e y   o cc u p y   m i n i m u m   ar e a   an d   m ee ti m in g   r eq u ir e m e n ts .   T h en   th co d is   co n v er ted   i n   to   th d i g ital  b it s   as  FP GA   c an   u n d er s ta n d   o n l y   d ig ital la n g u a g t h is   p r o ce s s   i s   u s ed   to   tr an s f er   t h co d f r o m   s y s te m   to   k it   u s in g   j o in t te s t a ctio n   g r o u p   ca b le.   Fig u r 6   s h o w s   t h v ar io u s   s te p s   in v o l v ed   in   w r iti n g   p r o g r a m   o n   FP G A   k it [ 2 4 ] ,   [ 2 5 ] .           Fig u r 6 .   Stag es o f   FP G A   co d in g       0 0 . 0 0 2 0 . 0 0 4 0 . 0 0 6 0 . 0 0 8 0 . 0 1 0 . 0 1 2 0 . 0 1 4 0 . 0 1 6 0 . 0 1 8 0 . 0 2 0 1 2 3 4 5 6 7 L S H P W M   f o r   F i f t e e n   L e v e l T i m e   ( S e c ) M a g n i t u d e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       F P GA   B a s ed   S ymm etri ca l Mu lti Leve l I n ve r ter w ith   R ed u ce d   Ga te  Dri ve r   C i r cu its   ( Du r g a   P r a s a d )   59   A d v an ta g o f   t h FP G A   is     Op er atin g   Sp ee d     R ed u ce   i n   d esig n   c y c le  ti m e     p o w er   co n s u m p tio n   is   le s s     I n cr ea s in   De s ig n   f le x ib ilit y   an d   s ec u r it y   Mo d elSi m   s i m u lato r   i s   u s ed   to   test   t h d esi g n   o f   P W p u ls e s   o f   s u g g ested   M L I   b ef o r tr an s f o r m i n g   t h p u ls es i n to   h ar d w ar e.   B elo w   F ig u r s h o w s   t h f lo w ch ar t o f   t h P W p u ls g e n er atio n       4.   SI M UL AT I O R E S UL T S   T h to p o lo g y   d is c u s s ed   in   th s ec tio n   2   is   test ed   u s i n g   M at lab /Si m u li n k   s o f t w ar 7 . 9 . 0   ( R 2 0 0 9 b )   v er s io n .   T h Si m - p o w er s y s te m s   b lo ck   i n   t h Ma tlab /Si m u li n k   i s   u s ed   to   test   th p r o to t y p o f   p r ef er r ed   to p o lo g y   a n d   t h r es u lts   ar s tu d ied .   T h p er f o r m a n ce s   o f   t o p o lo g y   h a v b ee n   te s ted   w it h   R ,   R L   lo ad s   an d   ex ten d ed   to   t h r ee   p h a s w i th   s a m p r in cip al   o f   o p er atio n   a n d   test ed   f o r   t h r ee   p h a s i n d u ct io n   m o to r   b y   g iv i n g   s tep   to r q u e.   Fig u r 7   s h o w s   t h s i m u latio n   d ia g r a m   o f   t h t o p o lo g y .   Fi g u r 8   s h o w s   t h o u tp u w a v ef o r m   o f   th L e v el  Gen er atio n   P ar t.  Fi g u r e s   9   to   1 3   s h o w s   th e   o u tp u w a v ef o r m s   f o r   R   an d   R L   lo ad   w ith   a n d   w it h o u t   f ilter .   Fig u r 1 4 ,   2 0 ,   2 3   s h o w s   t h s i m u la tio n   d ia g r a m   o f   t h r ee   p h a s f i f tee n   le v el  i n v er ter   f o r   R ,   R L ,   I n d u ctio n   m o to r   lo ad s   r esp ec t iv el y Fig u r 1 5   a n d   1 6   s h o ws  t h o u tp u t   w a v ef o r m   o f   v o lt ag a n d   c u r r e n f o r   R   lo ad .   Fi g u r 1 7   s h o w s   s i m u latio n   d iag r a m   o f   t h to p o lo g y   f o r   R   lo ad   w it h   f ilter   f o r   th r ee   p h a s f i f teen   lev el.   Fi g u r 1 8   an d   1 9   s h o ws  th o u tp u t   v o lta g a n d   cu r r en w a v e f o r m s   w ith   f ilter   f o r   R   lo ad   w it h   f ilter .   Fig u r 2 1   an d   2 2   s h o w s   o u tp u v o lta g a n d   cu r r en w a v e f o r m s   f o r   R L   lo ad   w it h   f ilter .   F ig u r e   2 4   s h o w s   t h e   th r ee   p h a s s tato r   cu r r e n t,  F ig u r 2 5   s h o w s   th e   s p ee d   o f   t h in d u ctio n   m o to r   i n   r p m ,   an d   F ig u r e   2 6   s h o w s   t h e   elec tr o m ag n etic  to r q u o f   t h in d u ctio n   m o to r .   T ab les  3   an d   4   g iv es  t h p er f o r m a n ce   a n al y s i s   o f   t h to p o lo g y   b y   v ar y i n g   t h s w itc h in g   f r eq u en c y   w it h   a n d   w it h o u t   f ilter ,   th e   r esu lts   clea r l y   s h o w s   th e   %T HD  v al u h as   b ee n   d ec r ea s ed   al m o s t   5 0 b y   u s i n g   f ilter .   An d   T HD  v alu es  f all s   i n   ac ce p tab le  r an g e   b y   I E E E   s ta n d ar d .   T ab le  5   an d   6   g i v t h r es u lt s   o f   th e   to p o lo g y   b y   v ar y i n g   t h e   m o d u lat io n   i n d ex   an d   t h %THD   is   b etter   w h e n   th Mo d u latio n   in d e x   is   o n e.           Fig u r 7 .   Si m u latio n   cir cu it o f   p r o p o s ed   s in g le  p h a s f if teen   lev el  to p o lo g y       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 7   :   53     68   60       Fig u r 8 .   Ou tp u v o ltag w a v e f o r m   o f   le v el  g en er atio n   p ar t           Fig u r 9 .   Ou tp u v o ltag w a v e f o r m   o f   r e v er s v o lta g g e n er a tio n   p ar t f o r   R - L o ad   w ith o u f i lter           Fig u r 1 0 .   Ou tp u t c u r r e n w av ef o r m   o f   r ev er s v o lta g g e n er atio n   p ar t f o r   R - L o ad   w ith o u f ilter           Fig u r 1 1 .   Ou tp u t   v o lta g a n d   cu r r en t   o f   1 5 - L e v el  I n v er ter   f o r   R   lo ad   w ith   f il ter       0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 - 4 0 0 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 100 200 300 400 T i m e   ( S e c ) V o l t a g e   ( V ) O u t p u t   V o l t a g e   f o r   R   L o a d   f o r   1 5   L e v e l   I n v e r e t r 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 - 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 10 20 30 40 T i m e   ( S e c ) C u r r e n t   ( A ) o u t p u t   c u r r e n t   o f   1 5 - l e v e l   i n v e r e t r   f o r   R   l o a d 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 - 4 0 0 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 100 200 300 400 T i m e   ( S e c ) V o l t a g e   ( V )   &   C u r r e n t   ( A ) O u t p u t   V o l t a g e   a n d   C u r r e n t   o f   1 5 - l e v e l   i n v e r e t r   f o r   R   L o a d   w i t h   Fi l t e r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       F P GA   B a s ed   S ymm etri ca l Mu lti Leve l I n ve r ter w ith   R ed u ce d   Ga te  Dri ve r   C i r cu its   ( Du r g a   P r a s a d )   61       Fig u r e   12 .   Ou tp u t v o lta g a n d   cu r r en t   o f   1 5 - le v el  i n v er ter   f o r   R L   lo ad   w it h o u f ilter           Fig u r e   13 .   Ou tp u t V o lta g an d   C u r r en t o f   1 5 - L ev el  I n v er ter   f o r   R L   lo ad   w it h   Fi lter           Fig u r 1 4 .   Su b s y s te m   o f   t h r ee   p h ase  Ma tlab /Si m u li n k   cir c u it   f o r   1 5 - lev el           Fig u r 1 5 .   T h r ee   p h ase  o u tp u v o ltag w a v e f o r m       0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 - 4 0 0 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 100 200 300 400 T i m e   ( S e c ) V o l t a g e ( V )   &   C u r r e n t ( A ) O u t p u t   V o l t a g e   a n d   C u r r e n t   o f   1 5 -   L e v e l   I n v e r t e r   f o r   R L   l o a d   w i t h o u t   f i l t e r 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 - 4 0 0 - 3 0 0 - 2 0 0 - 1 0 0 0 100 200 300 400 T i m e   ( S e c ) V o l t a g e ( V )   &   C u r r e n t   ( A ) O u t p u t   V o l t a g e   a n d   C u r r e n t   o f   1 5   L e v e l   I n v e r e t r   f o r   R L   l o a d   w i t h   f i l t e r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 7   :   53     68   62       Fig u r 1 6 .   C u r r en w a v f o r m   o f   th r ee   p h ase  cir c u it           Fig u r 1 7 .   T h r ee   p h ase  1 5 - L e v el  I n v er ter   f o r   R   L o ad   w it h   F ilter           Fig u r 1 8 .   T h r ee   p h ase  o /p   v o ltag w av e f o r m   f o r   R - L o ad   w it h   L C   f ilter           Fig u r 1 9 .   T h r ee   p h ase  cu r r en w a v e f o r m   f o r   R - lo ad   w ith   f il ter       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.