Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem   (I J PE D S )   Vo l.   11 ,  No.   4 ,  Decem be r 202 0 , p p.   1872 ~ 1882   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v11.i 4 . pp 1872 - 1882       1872       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   An en hanced 17 - level hyb ridized m ultilev el invert er with s tair  case mo du l ation       Hemal at h a J avva ji 1 , Ba s avar aja  B anak ar a 2   1   Depa rt me nt   of   El e ct ri ca l   and   E l ec tron ic s E ng ineeri ng,   PV P Siddhar tha Insti tu te o f  Technol ogy ,   In dia   2   Depa rt me nt   of   El e ct ri ca l   and   E l ec tron ic s E ng ineeri ng,   Dava n agere  Univer si ty,  In dia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Dec   11 , 201 9   Re vised  A pr   4 ,  20 20   Accepte d  J ul   10 , 2 0 20       Thi s  p ape r   prop oses  a   hybridize d  symmetri c  ca s ca ded   mu lt i le v el  inv ert er   for   volt ag e  le v el s  r a nging  from  5  levels  to  17  le v el s .   Th e  proposed  Multi   L eve l   Inve rte r  (ML I)  topol ogy  is  built  using  a  mod if ie d  H - bridge   in ver te r  tha t   result s  in  an  in c rea sed  ou tput   vo lt ag e  l eve ls  wi th   a  sma ll er   numb er  of  solid - stat e   sw it ch es.   T his  techniqu e  en hanc es   the  h - br i dge  conf iguratio n  from   thr ee  le ve l  to  f ive   level  by  means  of  a  bi - d irecti on al   sw it ch   at  source .   Gati n g   pulses  of   hybr idi z ed  sym me t r ic  MLI   ar e  g ene ra te d   throug h  s tairc ase   modul ation.   Th e  op era t ion   and   per for ma n ce  o f  th e  proposed   topol ogy  is   te sted   for  d iffe r ent   ou tput   vo lt a ge  l eve ls ,   simu l at ion   result s  pro ve  th at   the   proposed  techni que  resul ts  in  l ess  THD  at   al l   le v el s  with   les ser  power   consumpt ion   an d  are easily   a ppl i ca bl e  for   ren ewa ble   ene rgy   appli ca t ions.   Ke yw or d s :   Ca scaded H - bri dg e  i nv e rter     M ulti le vel    Stai r  case m od ulati on  tec hniq ue   Total   ha rm onic  d ist ort ions    Vo lt age   le vels   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Hemalat ha  Javvaji ,    Dep a rtme nt of  Ele ct rical  an d  Ele ct ro nics  E nginee rin g,   PV P  Sid dhart ha  Insti tute o f  T echnolo gy,   Kanu ru, V ij a ya wad a , An dhra  Pr a des h,   I nd ia .   Emai l:  h emaj a vv aj i@ gm ai l.c om       1.   INTROD U CTION   M ulti le vel  i nv erter   to po l og ie s  are   e mer ge d  t o  be   a   ve rsati le   al te rn at iv e  i n  t he  area   of  hi gh   po wer  a nd  medium - volt ag e  con tr ol.  Mult il evel  inv erter s  (MLI )  co mprise   of   quit e  a  lot  of   in put  so urces,  ca pacit or s ,   act ive  s witc he s,  powe r  di od e s  a nd  dr i ver s   t o  ge n erate   the   require d  outp ut   volt age   us i ng   a   su it able   s witc hin g  patte ren  [1]   wi th  a n  apt   po we r  qual it y.   MLI   ha s  gain   more   at te ntio n  beca us e   of   their   a dvanta geous   fea tures  li ke  high  outp ut  po wer   qual it y,   am plit ud e   of   f undame nta l  com pone nt,  eff ic ie nc y,   le ss   harmo nic  distor ti on,   switc hing  l os s es,  a nd  lo w   dv /dt.  T hese   feat ur es   m otivate d  to  sh ift   f rom  t he  tra diti onal   t wo - le vel  co nv erter  t o  mu lt il evel  c onver te r s.   MLI ’s   ge ne rates  the   ste pp e d  volt ag e  wa ve form   at   the   outp ut  by  integrati ng   dc   so urc e   connecte d wit h i ts i np ut ter minals.  With inc r easi ng  t he  num ber   of   dc  li nks  at  inp ut  higher a nd   highe r  le ve ls o f   vo lt age s  a re   obta ined   at   out pu t.   Ba se d  on   disti nct  to polo gies  us e d  in   M L I  desig n  th e  dc   powe r   supp li es   at   input  ca n  be   i so la te d  or   inte r - c onnect ed   [2 - 6].   Be cau se  of  high   po wer  ou t pu ts   M LI ’s   are   m os tl y  use d  i n  industrial  appli cat ion s [7 ].  Co nv e ntio nal struct ur es s uc h  as  Diode Cl ampe d  or N e utral P oin t C la mp   (NPC) [4 ]   and  Flyi ng   Ca pacit or   (F C )  [ 8]  us e d  i n  the  de sign   of  MLI ’s   su f fer  f rom  hi gh   num ber  o f  diodes  a nd  cap aci tors  in  highe r  po w er  ap plica ti on s .  It  is  est ablish ed  in  li te ratute   that  casca de d  M L I  str uctu re   is  com pact  re li able  structu re  in   de riving  high  volt age  a nd  po wer   le vels  [ 9 - 13].   Ca sca de d  M L I’ s   are  c onstr ucted  by  l ink in g  numb e r  of  H - bri dge  i nverte rs   in  se ries  [ 14 ,  1 5 ]  i n  s ym met rical   or  as ymmet rical   struct ur e .  I n  t he  s ymmet ric   config ur at io n,  the  ma gnit ud e   of  in put  DC  so urces   are   eq ual,  i n  c on t ras t,  asy mmetric   M L I  hav e   differen t   mag nitud e  i nput  DC  sou rces   du e  t o  w hich  the  num ber   of  ou t pu t  le vel s  are  more  c ompare d  to  s ymmet rical   config ur at io n  with  re du ce d  Total   Harmo ni c  Dist or ti on   ( THD)   [ 16 - 2 2].   It   is  e vid e nt  f rom  t he  li te rat ur e   that  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       An  e nhance d 1 7 - le vel   hyb ri di zed mu lt il evel  inverte r wi th st air c as e  mod ula ti on   ( He ma l ath a Javv aji)   1873   casca de d  MLI   su pp or ts  high   powe r  le vels   with  the  us e   of   l ow   volt age  rati ng  c ompone nts  in  in ve rters.   Ca scade  M L I’s  are  more  reli able,  fau lt   tole ran t  a nd  ease   mainte na nce  be cause  of  it s  modu la r  str uct ur e   [ 23 ].  M L I’ s   are   ma de  fa ult  tolera nt  t hroug h  a n  appr opriat e  c ontr ol  strat e gy  that  bypass   th e  fa ulty   cel l  without   disturbin g  the   load   [ 24 ,  25 ] .   Althou gh  Ca sc aded  M L I’ s   ar e  sim pler   in   co ns tr uction  a nd  easy   to   co ntr ol   the y  us e  higher  nu mb e r of   switc hi ng  c omp on e nt s and  dc  s ource s.    The  a dvan cem ents  in   M LI ’s   al so   resu lt ed   i n  disti nct  m od ulati on  te ch niques.   M od ulati on   te c hinqu e s  are  sel ect ed  de pnding  upon  conve rter  to pology  an d   it s  domain  of  ap plica ti on   that  ha s   it s  ow n  merit s  and   deme rits.  F ur t he r  hi gh  or  l ow f re qu e nc y  s witc hing b ase d  m odulati on  te cni qu ei s prop os e d  [ 26 ]  f or M LI ’ s  with  switc hing  f re quenc y  up   t o  1  kH z  for  high   power   a ppli cat ion s.  O ne  of   the  fr e quently   adopted  mod ulati on  te chn iq ues  f or   M L I’ s  is  si nus oid al   P W M   wi dely  us e d  in  t w o  di ff e ren t  for ms,  with  the  fi rst  bei ng   le vel  sh ifte d  PWM   w hich   i s  wi dely   us ed   to   ge ne rate  hi gh  qual it y  ou tpu t  wa ve  f orm  a nd  oth e r  Ph ase   s hifted   PWM   te chn iq ues   [ 14 ].   I n  sec ond  te chn i qu e s,  car r ie rs  a re  ei the r   tria ngular,  sa w - to oth   or  c ons ta nt  DC   ma gnit ud e  wav e f or m s  et c.,  a nd   t he  re fe ren ce  wa veforms  are  si nuso i dal,  sin usoidal   injec te d  wit h  third  ha rm on i c  an d  trapez oid al   vo l ta ge  wa ve form s.  [ 2 7 - 32 ].   In   this  pap e r,   a   sy mmet ric  H ybri dized  M LI  t opolog y  pro po sed  to  ov e rc ome   so me  of   t he   dr a wb ac ks   of  co nventi onal   casca de d  M L I’ s.   T he   pro posed   hybr i dized   MLI   to po l ogy  ad opts   sta ircase  modu la ti o n  te chn iq ue  t hat  gen e rates  m ore   outp ut  volt age   le vels  with   le s s  num ber s   of  s witc hes  or  act ive  dev ic es .  Re su lt s   ob ta i ne d  a re  va li dated  by  co m par i ng w it h exi sti ng  c onve ntio nal casca ded H b rid ge MLI ’s.   Sect ion   II ,  dis cusses  th e  pro po s ed  str uct ure  and   possible   sta te s.  A  disc us sio n  on   c ontrol  met hod,   losses  a nd  reli abili ty  is  pr e se nted   in   sect io n   I II .   Sim ulati on  res ults  an d  Com par at ive   s tudy  a re  bro ug ht  in  sect ion   IV. Fi na ll y,   the  co nclu sion   of this  p a pe r  is  giv e n  in  s ect ion   V.       2.   PROP OSE D T OPOLOG Y    Figure  1   prese nts  the   to polo gy  of  the   novel  hybri dized   H - bri dge  casca de d  MLI.   It  co m pri ses  of  five   bid irect io nal  a ct ive  switc hes   f rom  vo lt a ge  pros pect  ( S 1 ,  S 2 ,  S 3 ,  S 4  a nd   S A )   an d  tw o  sy m metri cal   in pu t   dc   vo lt age  s ource s.  Ta ble 1 an d Table   2  s hows t he  outp ut leve ls of ge ner at e d vo lt age  usi ng t he dist inct swit chin g  patte rn s  in  t he pr opos e d  t opol ogy. I n  Ta bles,  g ree n  cel l i ndi cat es co n duct ing de vice ( O n po sit io n) an d r ed  cel l  ind ic at es  non  cond ucting  de vice  ( O ff  posit ion).   The   propose d  si ng le - ph ase,  5 - le vel  ca scade  M L I,  s how n  in  Figure 1 ,  is  a hybridiz e d  5 - le ve l  inv erte r.   Ta ble  1,  de picts  the  s witc hing pat te rn   f or  a  fi ve - le vel  out pu t vo lt age   gen e rated   with   two  posit ive,  t wo  ne gative  a nd  on e   zer o  at   t he  ou t pu t.   The   5 - le vel  hy br id   inv e rter  c ompr ise s  a  sing le - phase  c onve ntion al   H - bri dge  cel l,  a nd  a  bi directi on al   s witc h  c onnected   to  t he   two  dc  s our ces  at     center ta p.   In symmet rical  confi gurati on  with  2  in put dc  sour ce s, o utpu t l evel can  b e  obtai ned as  fo ll ow s         = 4 ∗ + 1   (1)     Wh e re  p  is e qu al  to  the  num be r of  cell s.   The n umber o f  sw it ches  is  give n  as       Numbe r of S w it ches  = ( − 1 )  ℎ         ∗ (   ℎ        + 1 )     ( 2)     Simi la rly,  a  se ven te e n - le vel  c ascade   MLI   is  ob ta ine d  by   us ing  4  hybri dize d  H   bri dge   cel ls.  Fi gure   2.  sh ows  the  pro pose d  sin gle - ph ase,  17 - le vel c ascade d MLI a nd it s sw it chi ng  patte rn are  r e pr ese nted  in T a ble 2.        Table  1.   Sw it c hing Stat es  for 5  -   le vel  hybri di zed  M LI   S.  NO   S 1   S 2   S 3   S 4   S 5   S 6   S 7   S 8   S A   V 0   1                     V dc   2                     2  V dc   3                     0                     4                     -   V dc   5                     - 2  V dc     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1872   –   1882   1874       Figure  1. 5 - Le vel hy br i dized H  br i dg e  MLI       Table  2.   Sw it c hing  sta te s  for a  17 – le vel hy bri dised   M LI   S.   NO .   S 1   S 2   S 3   S 4   S 5   S 6   S 7   S 8   S 9   S 10   S 11   S 12   S 13   S 14   S 15   S 16   S A   S B   S C   S D   V 0   1                                           V DC   2                                           2V DC   3                                           3V DC   4                                           4  V DC   5                                           5  V DC   6                                           6  V DC   7                                           7  V DC   8                                           8  V DC   9                                           0                                           10                                           -   V DC   11                                           - 2  V DC   12                                           - 3  V DC   13                                           - 4  V DC   14                                           - 5  V DC   15                                           - 6  V DC   16                                           - 7  V DC   17                                           - 8  V DC     Off  st ate of  th e Sw itch     On  state of the  Swi tch       Table  3.  C omp ariso n of  so li d - sta te   com pone nts  of  c onve ntion al  t opologies     with  hybri dize d  casca de d  M L I  f or  17  - Le vel   Inv erter   Top o lo g y   Dio d e Clam p ed   Fly in g  Cap acito r   Cas caded  H - Brid g e   Hy b ridized   H - Brid g e   Main switch es    (  - 1 )*2 =   32   (  - 1 )*2  =   32   (  - 1 )*2 =   32   (  − 1 )  ℎ        ∗ (  ℎ        + 1 )   =2 0   Clampin g  dio d es   (  − 1 ) ∗ (  − 2 ) = 240   0   0   0   DC  Bu s   1   1   8   8   Bu s Cap acito rs   (  - 1 )=16   (  - 1 )=16   (  - 1 )/2=8   0   Balan cin g   Cap acito rs   0   (  − 1 ) ∗ (  − 2 ) 2 = 12   0   0       Table  3.  sup ports  the   de vel oped  t opolog y  as   the  main   m otto  be hind  th e  de velo ping  pres ent  to polo gy   is  to  r ed uce  t he  numb e r  of   so li d - sta te   de vices.  T he   pr opos e d  t opology  use s  on l y  4  H - br i dg e   MLI’s   in   gen e rati ng  17 - Level  outp ut  wh ic h  ef fecti ve ly  re du ce d  th e  s olid - sta te   de vices  by  37.5%  in  co mp a ris on   t o  conve ntion al   c ascade d  H   br i dg e   M L I.  As   the  num ber   of  com pone nts  are  re du ce d  w hen   c ompare d  with   conve ntion al   topolo gies  t hat also  re su lt s  i n  r edu ce d  switc hi ng  losse s  a nd  num ber  of GAT E  dri ve rs.  It  al s o  has   reduce d  ci rc uit com plexit y wit h  inc reased  m odularit y an d  i s m or e ec onom ic .        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       An  e nhance d 1 7 - le vel   hyb ri di zed mu lt il evel  inverte r wi th st air c as e  mod ula ti on   ( He ma l ath a Javv aji)   1875       Figure  2. 17 - L evel  hy br i dized  casca de d ML I       3.   CONTR OL  METHO DS   In  c onve ntion  and  Hyb ridize d  ca scade d  MLI  t opologies   on e   of  the   pro minent   te ch niques   us e d  to   achieve   re quir ed  s witc hi ng  pa tt ern   is   m ulti   carrier   sin usoi dal  P W M .   A s  the  ou t pu t   le ve ls  increa ses  it   r equ i re   high  switc hing   fr e qu e nc y  res ulti ng   in  more  switc hing  los s es.   The  sta irca se  PWM  a pp li ed  in  the  prese nt  w ork  is  a  mixtur e  of  sin us oi dal  P W M   an d  sel ec ti ve  harmo nic  el imi nation.   St ai t  case  PWM  is  der ive d  f rom  a  sinu s oid al   P W M   by  re placi ng  t he  sine   wa ve   with   a   sta ir  c ase.  Num ber  of  ste ps   i n  sta ir  case  are   deter mi ned   base d  on  t he  s pecific  har m on ic   cancel la ti on .   The  desire d  outp ut  volt age  l evel  an d  qual it y  is  ibtai ne d  w it h  a  pro per   sel ect io n  of  f reque nc y  rati o  an d  num ber   of   ste ps   in  the  sta ir  case.  Wh e ne ver   t he  value  of   mod ul at ing   sign al   is  m ore  than  t he  car rier   sig nal  pulse s  are  ge ne rated.   Com par e d  with  the  c ar rier - ba sed  P W M   te c hn i qu e ,  the  sta ircase   modu la ti on   fe at ur es   lo wer  s witc hing   losse s  since   t he  e nt ire  po wer  se micond ucto r  de vice s   op e rate  at   the   fun dame ntal  f r equ e nc y.  Stai r case  m odulati on  is   pro ven  to   a  fea sibl e  so l ut ion  in   re duci ng  t he   switc hing l os se s w it h a l ow  frequ e nc y.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1872   –   1882   1876   In   dig it al   impl ementat io n  of  sta ir  case  PWM  the  s witc hing  an gles  are  de te rmin e d  in  pr i or   for  al l  the  4  hy br idize d  M L I’ s  a nd   a re   store d  in  a  ta ble.  I n  this  w ork  a  m odulati ng  wa ve  has  be en  sep a rated  i n  to  15   zon e s  with  eac h  z one  re fe rr in g   a   switc hi ng  pa tt ern   to   ob ta in   the  volt age  le vel  in   the  outp ut  wa ve   f orm.  Figur e   4.   S how s  the  switc hing  patte rn s  of  the  po wer   s emic on duct or  m odules   of   pro pose d  topolo gy  a nd   s te pp e d - vo lt age  w a ve form.   The  sta irca se  ref e ren ce  is  c ompare d  wit h  tria ngular  ca rr ie rs  with  dif fer e nt  fr e quen ci es  wh ic h  gen e rate  the  B oo le a n  ou t pu t.   A  lo gic  ope r at ion   is  ap plie d  acc ordin gly   to  get  the  swit chin g  pa tt ern   of   t he  pro po se d  M L I   topolo gy  f rom  ge ner at e d  B oo le a n  ou t pu t,   wh ic h  gen e ra te s  pu lse s   f or   corres pondin g  powe r   modu le s  is s hown in Fi gure  3.           Figure  3. Bl oc k diag ram  t o g ener at e  gate  pulse s       3. 1.   C alcula tio n of  s witchin g freq uency   Sw it chin g fr e quenc y f or  a ny l evel is  pr e deter mined u sin g       ℎ =       ∗ 2 ( 2 − 1 )     ( 3)     3. 2.  I den tifica tion o f  s tep  angle     =  − 1 ( − 1 ) + +   f or   k= 1,2,…z     ( 4)     Wh e re  k  =  numb e r  of  ste p  a ng le s ,  z  =  M ax imum  num ber   of   ste ps   a nd  y  =  Coef fici ent  f or   a dju sti ng   s witc hin g  ang le .   The mo dula ti on  in de x  ca n be  ob ta ine d usi ng     = 1 ∗ 4      ( 5)       Wh e re  1 = Fundame nt a l   vo latge      =D .C  Bus  vo lt age .     3. 3.  L os ses   In   t he  ope rati on  of  s olid  sta te  co m pone nts  ba sed  ci rc uits,  co nductio n  loss , s witc hing  los s,   Off - sta te   los se s  an d  gate  losses   ar e  co ns ide red   f or   t he  a nalysi s.  I n  gen e ral,   the  O ff - sta te   an d  Gate  l osse s  are  ne glig ible  in  com par is on w i th the othe r  t w o hen ce  are  n e glect ed  i n  the  a nalysis.       3.3.1. Conduc tion l osse s   The  c onduct io n  lo sses  a re  ge ner at e d  in   ea ch  dev ic e   duri ng  O N  sta te .   In  MLI ’s  c ondu ct io n  l os ses   al so  dep e nds  on   c onduct io n  ti me  of   t he  de vice.  Hen ce  t o  co ns i der   t he  ti me  co nductio n  losse s  are  m ulti plied  by  a   correct ion fact or P CON . In ge ne ral, the  con duct ion  lo ss in   MLI’s  is  giv e n  as              =  × ×      ( 6)     Wh e re  V CE   is  the  c ollec tor - e mit te r  volt age  dro p  an d  I C   is  the  colle ct or  c urren t  durin g  ON - sta te   of  th e  de vice   and        = −   (7)     T is the t otal t ime pe rio d, an d t L - i   is t he  total   ON stat e ti me  of the  de vice in  p th   le vel.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       An  e nhance d 1 7 - le vel   hyb ri di zed mu lt il evel  inverte r wi th st air c as e  mod ula ti on   ( He ma l ath a Javv aji)   1877   3.3.2. Sw itchi ng l os s   The  s witc hing  loss in  the  I GBT are  i n gene ra l give n   as        =  × (  (  ) +  (  ) )     ( 8)     Sw it chin g  loss   al so  dep e nds   on  the   s witc hi ng  ti me.   I n  th e  de sig n  of  MLI’s   cal c ulati on   of  s witc hi ng  ti me   dep e nds  on  s witc hing  fr e quency  w hich   be comes   co mp l ex  with  highe r  f re qu e ncies.   Sw it chi ng  lo ss  with   switc hing ti me  are give n  as        =  × (  ( ) +  (  ) ) ×      ( 9)     Wh e re  D sw   is  f act or  acc ounte d for s witc hing  ti me   =              Figure  4. S witc hing Patt er ns   of Hy br i dized ML I       4.   SIMULATI O N AND  RES U LT S   In   orde r  to  s upport  the   pr opos e d  casca de d  M LI  t opol ogy,   simulat io ns   stu dies  a re   carrie d  in   M A TLAB   S I M U LI NK   e nviro nm e nt  with   the  c onstr ucted  Si mu li nk  model.  With  t he  s witc hing  scheme s   descr i bed  in  S ect ion   3,   5 - le ve l  and   17 - le vel  M L I’ s  a re  c onside red  f or   t he   analysis .  I n  a   17  Le vel  hybr idize d  M L I  sta ir   case   P W M   s witc hi ng  patte rns  T 1 - T4   a re  ge ner a te d  with   switc hi ng  fr e que nc y  of  100Hz,   300Hz,   700Hz  a nd  15 00Hz  a gain st  a  Stai r  case  re fer e nce  wav e   at   fun dame ntal  fr e quenc y  of  50  Hz ,  as  de pi ct ed  in  Figure  5   a nd Fi gure  6.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1872   –   1882   1878       Figure  5. Sim ul ink  m odel   of   pulse   gen e rati on  u si ng stai rcase  mod ulati on         (a)   (b)     Figure  6.   Stai r c ase m odulati on  for  the  pr opose d 1 7 - le vel  hy br i dized  M L I   (a)   sta ircase  m odulati on a nd  corres pondin g ca rr ie r  (b)  ge ne rated  pulse s       4. 1.   C alcula tio n of  s witchin g freq uency   Sw it chin g fr e quenc y f or  a ny l evel is  pr e deter mined u sin g       ℎ =       ∗ 2 ( 2 − 1 )       Table  4  s how s  the   switc hi ng  fr e quenc y  a dopted   in   this   pa per  f or  dif fer e nt  ou t pu t   le vels  of  th e   hybri dized  cas caded  M LI .        Table  4  S witc hi ng   fr e quencies  for   outp ut leve ls   Ou tp u t L ev el   Switch in g  f requ en cy   5 - Level    1 0 0 Hz   9 - Level   3 0 0 Hz   13 - Level   7 0 0 Hz   17 - Level   1 5 0 0 Hz     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       An  e nhance d 1 7 - le vel   hyb ri di zed mu lt il evel  inverte r wi th st air c as e  mod ula ti on   ( He ma l ath a Javv aji)   1879   4. 2.  I den tifica tion o f  S tep  angle     =  − 1 ( − 1 ) + +   f or   k= 1,2,…z       wh e re  k  =  nu mb e r  of  ste p  ang le s ,  z   =  M a ximum  numb e r  of  ste ps   an d  y  =  C oe ff ic ie nt  f or  a dju sti ng    switc hing a ngle   Fo r   a  hybri diz ed  17  le vel  MLI  the   val ue  of  z  =  8  a nd  y  =  1  a re  c on si der e d.   The   obta ine d  ste p  a ng le s   are  giv e n  by  1 = 6 . 38 ° ; 2 = 12 . 84 ° ; 3 = 19 . 47 ° ; 4 = 26 . 39 ° 5 = 33 . 74 ° ; 6 = 41 . 81 ° ; 7 = 51 . 05 ° ; 8 = 62 . 74 °   an d  a re show n i n  Fi gure  4.   The mo dula ti on  in de x  ca n be  ob ta ine d usi ng     = 1 ∗ 4      Wh e re  1 = Fundame nt a l   vo latge      =D .C  Bus  vo lt age .           Figure  7. 5 –   le vel  outp ut  vo lt age ac ro s s  on e   sy m metri cal  hybridize d  M LI       Figure  7.  sho w s  the  5 – le vel  outp ut  volt age  a cro ss  one  sym metri cal   hybr i dized  M LI .  Fig ur e  8.   s hows   the  sim ulate d  wav e f or m s  of  outp ut   volt ag e  an d  loa d  cu rr e nt  with   a  R   loa d  f or   the   17 - le vel   in ver t er  b y  sel ect ing   mod ulati on  in dex  as  0.9   a nd  a   input  s ource   volt age  V s  =   55V  for   each   cel l.  It   is  ob s er ve d  from   Figure.   8  th at   ge ne rated   ou t put  vo lt age   wave  f rom  is   m uc h  cl osure   to   sinu s oi dal  f r om  than   the   co nve ntion  CHB M LI ’s.         (a)     ( b)     Figure  8. 17 – L evel  outp ut  volt age and  c urre nt w a ve form o f hybr i dized  MLI a nd CHB  MLI   (a)   c ompa rison   of  gen e rated  outp ut volt age  (b)  co mp a rison  of outp ut c urre nt       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1872   –   1882   1880   The   ste ad y  sta te   te sti ng  has   be en   pe rformed   with   resist ive   l oad  (unity   pow er  facto r   loa d)  with   22 0  V   peak  to   pea k  outp ut  volt ages .   The   obta ine d  ou t pu t  cu rr e nt  is  ab ou t  20A ,  peak  to   pea k.  The  R M S   val ue   of  the   ou t pu t  volt age  and cu rr e nt  ob t ai ned  a re  155.5 6V a nd c urren t  14.14 A  r espect ively.         (a)   (b)     Figure  9. FFT   sp ect r um   of  hybr i dized ML I  a nd CHB  M L I       Figure  9  sho ws   the  TH D   s pectrum  of  the p r opose d  hybri diz ed  m ulti le vel  inv e rter.  Form  t he  Fig ure   9  (a)   to ta l  TH D  i s  reduce d  tha n  that  of   Fi g ure   9  ( b)   due  to  th e  var ia ti on   in  the  num be r  of  s olid  sta te   switc hes  in   gen e rati ng the   same  ou t pu t l e vels.   Table   5  sho ws   the  co mp a rison  betwee n  pr opose d  hybri diz ed  M LI   an d  ca scade d  H   bri dg e  M L I.   T he   per ce ntage  le ve l  of   T H D  are   low  with  the  pro po se d  to pology  for  disti nc t  le vel  of   volt age  ge ne rati on.  Fr o m   the  ta ble  it   is  al so   evi den t  t ha t  the  pro posed   topolo gy  res ults  in  an   imp r oved  ou t pu t  vo lt a ge  in  c ompa rison   t o  casca de d H Bri dg e   M LI . Com par is on b et wee n bo t h  the  to polog ie s   a re  pr es ented  i n  Fi gure  10.       Table  5.  C omp ariso n of o utpu t vo lt age  a nd T HD f or d if fe re nt levels   Level   Sy m m et ric  Hy b ridized  M L I   Cas caded   Hy b ridized  M L I   5 – Level   Fu n d am en tal ou tp u t vo ltag e ( Max)   2 1 8 .7   2 1 5 .4   THD   2 7 .07 %   2 9 .65 %   9 - Level   Fu n d am en tal ou tp u t vo ltag e ( Max)   2 2 1 .6   2 1 9 .9   THD   1 2 .94 %   1 4 .11 %   13 - Level   Fu n d am en tal ou tp u t vo ltag e ( Max)   2 2 0 .1   2 1 9 .2   THD   8 .06 %   9 .45 %   17 - Level   Fu n d am en tal ou tp u t vo ltag e ( Max)   2 2 3 .6   2 2 3 .9   THD   4 .78 %   6 .94 %           Figure  10. T H D  Co m par is on  of  symmet rical  hybridize d  a nd casca de d hyb ridized   MLI   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       An  e nhance d 1 7 - le vel   hyb ri di zed mu lt il evel  inverte r wi th st air c as e  mod ula ti on   ( He ma l ath a Javv aji)   1881   5.   CONCL US I O N    A  H ybri dized  M L I  with  sta i r  case  m odula ti on   sc heme  was  propose d  in  this  pa pe r.   It  ge ner at es   cl os ure  sin us oi dal  vo lt a ge  at   the  ou t pu t   with  a   s mall er  nu mb e r  of  s oli d - sta te   switc hes .   T wo  kinds  of   M LI ’s   gen e rati ng  dif f eren t  outp ut  l evels  a re  te ste d  by  sim ulati on.  As   the  ou tpu t  le vels  inc reases  t he  pro po s ed   topolo gy  co ns i der a bly   re du ce s  switc hi ng   de vices  w he n  c ompa red   t o  the   CHB  MLI.   Co ns ide rab le   a dv antages   of   t he  pr opo se d  to po l ogy  a re  1)   As  t he  num ber   of  le vels  a r e  increase d  it   ge ner at es  outp ut  wav e f orm  cl ose r  to   sinu s oid al .   2)  Few   switc hing   de vices   co mpa red  with  t he  conve ntion al   M L I   3)  L ow  T HD  4)  L ow  s witc hing   dev ic es   loss   as   de vice  co nduc ti on   ti me  is  re du ce d.   Ba sed   on   the  a bove   merit s,  the   pr opose d  H ybridis ed  M L I  with stai r  ca se  modu la ti on s hows  a  bette r pe rformance  in  c omparis on to  c onve ntion  M LI ’s       REFERE NCE S    [1]   J.  Rodríguez,  J. - S.  Lai,   and   F.  Z .   Peng,   “ Multi le v el   inve rt ers:  A  s urve y  of  topol og ie s,  cont rols ,   an d  applications ,”   IEE E   Tr ans.  Ind .   E lectron. ,   vol .   49,   no .   4 ,   pp .   72 4 - 738,   Aug.   200 2.   [2]   L.   G.   Franque lo ,   J.  Rodr igue z ,   J.  I.   Le on ,   S.  K ouro,   R.   Portil lo ,   and   M.  A.   M.   Prats,   “T he   ag e  of  mu lt i le v el  conve rt ers  arr ives , ”  IE EE Tr ans. Ind.  E lectron. M ag . ,   vol. 2, no .   2,   pp.   28 – 39,   June ,   2008 .   [3]   A.  Nami.  “A  Ne w  Multi l eve l   Co nver te r   Configur at ion   for  High - P ower  High - Qual it y  Appl ic a ti on , ”   PhD  Thesis ,  Quee nsland  Uni ver sity  of   T ec hn ology,   2010 .   [4]   Thi yag ara j an   V,   Somasundar am  P,   “A   New  Se ven  Le v el  Sym me trica l   Inve rt e r  with   Re d uce d   Sw it ch  Coun t, ”   Inte rnational   Jo urnal  of Powe r  El e ct ronics  and   Dr iv e  Syst em  (I J PE DS) ,   vo l. 9, n o.   2 ,   pp .   921 - 92 5,   Jun 2018 .   [5]   I.   López,  S.   Ceb al los,   J.   Pou,   J.   Za rag o za,  J .   An dre u,   I.  Kort aba r ria  and   V.   G.   Ag el idi s ,   “Modula t i on  stra te gy   for   mul ti ph ase   Ne u t ral - Point   Clamp ed  conv erters,”  IEE E   Tr ans.  P ower  Elec tron. ,   vol.  31,   no.   2,   pp.   928 – 941 ,   Marc h,   2015.   [6]   Motapa rth i  Nag ara ju ,   Ma ll igun t a  Kira n   Kumar ,   “Ana lysis  of   ser ie s/par al l el  multi le ve l  inv erter  wi th  symm et ri ca l   and  asymmetric al   conf igura t ion s,”   Inte rna t iona l  Journal  of  Po wer  El e ct ronics   and  Dr iv e  Sys te m  (IJ P EDS) ,    vol.   10 ,   no .   1 ,   pp .   300 - 306 ,   Mar   2 019.   [7]   V.  Darg ahi,   A.   K.  Sadigh ,   M.   Abarz ade h ,   S.   E skanda ri   and   K.   Corz ine,   “A   ne w  family   of   mo dula r   multil eve l   conve rt er  b ase d  on  modi fi ed  f lying  ca p ac i tor  mul ti c el l   conve r te rs ,”   IE EE   Tr ans.  P ower  Elec tron. ,   vol.   30 ,   no .   1 ,   pp.   138 - 147 ,   Jan uar y,   2015 .   [8]   Y.  L ei  et  a l. ,  “ A  2 - kW  singl e - pha se  seve n - le ve l   fl ying  c apaci tor   m ult ilevel  inve rt er   with   an   a ct iv e   e ner gy  buff er ,”   IEE E   Tr ans.  Po wer  Elec tron . ,   v ol.   32 ,   no .   11 ,   p p .   8570 - 8581 ,   No v.   2017 .   [9]   Hema   Latha   Jav vaj i ,   B asa var aj a   Bana k ara,  “Simulat ion   &   an al y sis  of  diff ere nt   par amete rs   of  v ari ous  l evels  o f   ca sca d ed   H  br idge  multil eve l   inv ert er , ”  I EEE  Asia  Pac i fic   Conf ere nce  o n  Postgraduat e   R ese arch   in   Mic roel ec troni c s and  Elec tronics   (Prime   Asia ) ,   2 013;  62 - 67.   [10]   E.   B aba e i,   S .   L a al i ,   and   S.  Ali lu ,   “ C asc ade d   multil ev el   inve r te r  with  serie s  conn ec t ion  of  nov el   H - bridge   basi c   unit s, ”   IE EE   Tr a ns.  Ind. Elec tron. ,   vol. 61, no. 12, pp. 6664 - 6671,   Dec .   2014.   [11]   J.  Ebra h im i ,   E.  Baba e i,  and  G .   B.   Ghar ehpe t ia n ,   “ A  n ew  topol og y  of  c asc ad ed  m ult ilevel  conv erters  with  r educed   numbe r  of   co mp onent s  for   high - volt ag e  appl i ca t i ons, ”   I EE E   Tr ans.  Powe r   Elec t ron. ,   vo l.  26,   no .   11 ,   pp .   3109 - 3118,   Nov.   2011 .   [12]   S.  Kaka r ,   S.   M.   Ayob,  N.   M.  Nordin,   M.   S.  Arif ,   A.   Jus oh,   N.  D.  Muha mad  “A  nov el   sin gle - phase   PW M   asymm etric al  m ult ilevel  inve rt er   with   numb er   o f  sem ic onduc tor   sw it ch es  r educ t ion, ”   Int ernati o nal  Journal  o f   Powe r E le c troni cs  and  Dr ive  Sys te m (IJPEDS) ,   v ol.   10 ,   no .   3 ,   pp .   1133 - 1140,   Sep   2019.   [13]   B.   P.  Redd y,   M .   R.   A,  M.  Sah oo,   and  S.  Ke er thi pat,  “ A  f aul t  tol er ant   mu lt i le v el   inv ert er  for  i mprovi ng  the   per forma n ce  of  pole - phase   mod ula t ed  nin e - phas e  indu ct ion   mo to r  drive, ”   IE EE  Tr ans.  Ind.   Elec tr on. ,  vol.  65,   no.   2,   pp .   1107 - 111 6,   July.   2017.   [14]   M.  Mal inowski,   K.   Gopakumar,   J.   Rodriguez,  a nd  M.   A.  Per ez,   "A   survey   on  c asc ade d   mu lt i level  inve r te rs, ”   IEE E   Tr ans.  Ind .   E lectron.,  vol .   57,   pp .   2197 - 22 06,   Augus t, 201 0.   [15]   Li pika  Nand a,  A   Dasgupta ,   U .   K.   Rout,  “A  co mparat iv e  Ana lysis  o f  Symmetri ca l   a nd  As ymm et r ica l  Casc ade d   M  ult ilevel  Inv erte r  Having   R edu ce d   Number   of   Sw it ch es  and  DC  Source s” ,   I nte rnational   Jo urnal  of   Pow er   El e ct ronics  and   Dr iv e  Syst em  (I J PE DS) ,   Vol .   8,   No.  4,   Dec em be r  2017,   pp.   1595 - 1602   [16]   C.   I.  Odeh,  D.  B.   Nnadi ,   and  E.   S.   Obe,  “ Thr ee - phase ,   f ive - l e vel   mu lt i le v el in ver te r   topol ogy ,”   E le c tr.  Powe r   Compon.  Syst . ,   v ol.   40 ,   no .   4 ,   pp .   1522 - 1532,   201 2.   [17]   V.  Sonti ,   S.  Ja in ,   and   S.  Bh at t acharya ,   “ Analysis   of   the  modul a tion  stra te gy   for   t he  mi ni mi z at ion   of   the  le ak age   cur ren t   in  the   P V  grid - connect e d  ca sc ade d  mul t i le ve l  inv ert er ,”   I EE E  Tr ans.  Pow er  El e ct ron. ,   vo l .   32,   no.   2 ,   pp .   1156_1169,   Feb .   2017.   [18]   S.  Sabyasa ch i,   V.  B.   Borgh at e ,   R.   R.   Kara san i ,   S.  K.  Maddug ari ,   and  H.   M.  Suryawanshi,   “ A  funda me nt al   fre quenc y   hybri d  cont ro l  techni que  bas ed  t h ree  phase   ca sca d ed  mul tilevel  inve r t er  topo logy ,”   I E EE   Acce ss ,   vo l.   5,   pp .   26912 - 26 921,   July.   2017.   [19]   Ibra him   Harun a   Shanono,   Nor  Rul  Hasma   Ab dull ah ,   Aisha  Muhamm ad ,   “9 - Le ve l  Volt age   Source   Inve rt er   Control le d   Us in g  Sel ec t ive  Har moni c   E li m ina t i on”,  Int ernat ion al  Journal   of   P ower  E lectronics   and   Dr iv e s   Syste m   (IJP EDS) ,   Vol .   9 ,   No.   3,   Septe mb er  2018 ,   pp.   1251 - 1262   [20]   P.  L.  Kam ani  and  A.   M.  Mu ll a ,   “ Middle - le v el   SH E  pu lse - a mpl it ud e  modulati on   for  ca sc a ded  mu lt i le ve l   inve rt ers ,”   IEEE   Tr ans.  Ind.   Elec tron. ,  vo l. 65,  no .   3 ,   pp .   2828 - 28 33,   Augus t. 201 7.   [21]   L.  Wa ng ,   Q.   H.   Wu ,   and   W.  T ang,  “ Nove l  ca s ca ded   sw it ch ed - diode   mul t ilevel  inverter   for   ren ewa ble  en erg y   int egr at ion ,”   IE EE   Tr ans.  En erg y  Conv ers. ,  vol.  32,   no . 4,   pp.   157 4 - 1582,   De c. 20 17.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.