Int ern at i onal  Journ al of  P ow er El ectron i cs a n d  Drive  S ys te m   (I J PE D S )   Vo l.   9 , No .   2 ,  J un e   201 8 , pp.  921 ~ 92 5   IS S N:  20 88 - 8 694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v 9 .i 2 . pp 921 - 92 5           921       Journ al h om e page :  http: // ia escore.c om/j ourn als/i ndex. ph p/IJPE D S   A New   Seven L evel Symm etr i cal I nvert er  with  Re du ce d Switch  Count       Thi yagara jan  V 1 ,  S om as u nd aram P   2   1 Depa rte m ent of   EEE,   SS N Col l ege   of   Eng ine e ri ng,   Kal ava kk am,   Chennai,   India   2 Depa rte m ent of   EEE,   CEG,   Anna  Univer si t y ,   Ch enna i ,   Ind ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Dec  21, 201 7   Re vised Jan  22 , 2018   Accepte d  Fe b 7, 2 018       Multi le v el   inverter s  offe rs  les s  distort ion  a nd  le ss   elec tr o - m agne tic   int erf ere n ce   compare d  with  othe r   conve nti ona l  in ver te rs   and  hence,   it   c an  be   used  in  m any   in dustria l  and  com m erc ia l  app li c ati ons.    Thi s  pape r  ana l y z e  the  per form anc e  of  the   m odifi ed  sin gle   phase   seve n   le vel   s y m m et ri ca l  inv erter   using  m ini m um   num ber   of  sw it c hes.   Th e  propos ed  topol og y   con sists   of  six   sw it che s  an d  t wo  dc  source s,   and  produc es  seve n  le v el   out put  volt ag e   wave form   during  sy m m et ric   op era t ion.   The   cost  and  size   of  the   propsoed   inve rt er  m ini m um   as  it   u ses   m ini m u m   nu m ber   of  comp onent s,  The  per form anc e  of   the   proposed  m ult il evel  inv er te r  is  an aly sed  for  d iffe ren t   sw it chi ng  ang le s   and  th e  cor r esponding  sim ula ti o n  result s  ar e  pre sente d.   Th e   sim ula ti on  of  th e  proposed  inv e rte r  is  ca rr ie d  o ut  using  MA TLA B/Sim uli nk  software .   Ke yw or d:   Asym m et ric   Inver te r   Mult il evel   Sy m m e tric   THD   Copyright   ©   201 8   Ins t it ut e  o f  Ad vanc ed   Engi n e er ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Thiya gar a j a n V,    Dep a rtem ent   of  Elec tric al  and  Elec tro nics E nginee rin g,   SSN Coll ege  of E ng i neer i ng,   OMR,  Kalava kkam , Ch en nai,  Tam il nad u, , I nd ia .   Em a il : t hiya ga raj a nv@ss n. e du.in       1.   INTROD U CTION     Mult il evel  inve rters  play s  a n  incre dib le   r ole  in  m od ern  power   el ect r onic s  [ 1].  Gene rall y,  the  dc  so urces  us e d  i n  the   m ultilevel  inv e rter  incl udes  photov oltai c ,  capaci to rs   a nd   batte ries  [ 2].  They  a re  cl as sifie d  into  two  groups  su c h  as  sym m e tric   inv ert er,  w her e  the  al l  so ur ces  ha ve  sam e   m agn it ud e  an d  asy m m e tric   inv e rter,  wh e r e  the  vo lt age  s ources  hav e  diff e re nt  m agni tud e   [ 3].  The   var io us   a dv a ntages  of   m ulti le vel  inv e rters  ov e r  conve ntion al   t wo   le vel  inve rt er  inclu des  l ow  dist or ti on,  m ini m u m   switc hin g  lo sses   high   powe r  qu al it y,  m in i m um   peak   i nv e rs e  volt age ( P IV)  a nd    lo w  dv/d t  stress [ 4 - 5].   Howe ver,  it   re qu i res  gr eat e r  a m ou nt   of  p ower  el ect r on ic   c om po ne nts  an d  gate  dr iver   ci rc uits   to  achieve h ig her  o ut pu t  le vels  [ 6].  The  m os t  po pula r   com m ercial   top ol og ie s  of   m ulti le vel  inv erters  inclu des  ne ut ral  po int  cl am ped,  fly ing   ca pa ci tor  an d  casc aded  H - br i dg e  i nv e r te rs  [ 7 - 9].  T he  CHB   inv e rter  is  m or e  m od ular  an d  can b e  easi ly   exp an dab l e  fo r  gr eat e r  num ber  of   ste ps   in   the   ou t pu t  volt ag e.  It   re quires  l ess  switc hi ng   com po ne nts  as   com par ed  with  ot her   i nverte rs  to  achieve  sam e  le vels  of  ou t pu t .  The  num ber   of   le vel  in  the  ou t pu t  vo lt a ge  wav e f or m   can  be  inc rease d  sim pl y  by  ad ding  the  r equ i red   nu m ber   of   dif fer e nt  dc   so urces   [ 10] .   Nowad ay s ,  m any  researc he r s  hav e  pro po s e d  ne w  inv e rter top ology wit h m od ifie d  c on t ro l t ec hniq ues  t o  im pr ov e  their  p e rfo rm ance.   This  pa per   pr e sents  a  ne w  sym m e tric   ty pe  i nv e rter  with  re du ct io n  in  s wi tc h  co un t.    It  consi sts  of  three  volt age  so urces  a nd  si x  s witc hes  w hich  ge ner at e  seve n  le vel  outp ut  wa ve for m   du rin g  sym m et ric   op e rati on.  Dif f eren t  m od es  of  ope rati on  of   the  in ver te r  i s  ex plaine d  in   Sect ion  I I.   D iffer e nt  m et ho ds   of   cal culat ing   the   switc hing  a ngle s  are  present ed  in  Sect io n  I II .  The  sim ulati on   resu lt s  are  discusse d  i n  S ect ion  IV .  T he  c on cl usi on w as   gi ven in S ect io n V.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694     I nt J  P ow  Ele c  &  Dr i   Syst , Vol.  9 , N o.   2 ,  J une   2018 :   921   –   92 5   922   2.   PROP OSE D  I NV E RTER T OPOLO GY   T he  sc hem atic   diagr am   of   th e  propose d  in ve rter   ci rc uit  is  sh ow n  in  Fi g ure  1 .  It  can  pro du ce  7 - le vel   ou t pu t v oltage  durin g  sym m etr ic al  case o f  op erati on. I n  t he  pro po se d  in vert er,  the  m agn itu de of  the s our ce s is  sam e  and  h e nc e the  nam e "sy m m e try ".           Figure  1.  Pro pose d  Mult il eve l Inverte r       The  diff e ren t  operati ng  le vels   of   t he  prese nted   in ver te r   t op ology   is  show n   in  Fi gure  2.   In   le vel   -   0,   zero  volt age   is  ob ta ine d  with   t he  s witc hes   S 2   and  S 3   or  S 4   an d  S 6  a re  O N  a nd  t he  oth e r  s wi tc hes  a re  OF F .   The   po sit ive  le vel   - 1  volt age  is  ob ta ined  with  t he   ON   sta te   swit ches  are  S 1   an d  S 3   an d  oth er  switc hes  wer e  OF F .  The  posit ive  le vel - 2  volt age  V 1 +V 2  is  obta ined   with  t he  s witc hes  S 3   a nd   S 5   ON .  D ur in g  the  posit ive  le vel   -   3,   the  switc hes  S 3   and   S 6   are  O N  an d  the  vo lt age  V 1 +V 2 +V 3   is  ob ta ine d  ac ro ss  t he  loa d.   Durin g  the  ne gative  le vel   -   1,   the  volt age  - V 3   is  obta ined  ac ro s s  the  load.  D uri ng  this  le vel,  the  switc hes  S 4   and   S 5   are  O N.  D uri ng   the  neg at ive   le vel   -   2,  t he  vo l ta ge  - (V 3 +V 2 )    is  obta ine d  wi th  the   switc hes   S 1   a nd  S 4   O N.  D ur i ng  the   ne gative  le vel   -   3 ,   the   volt age  - (V 1 +V 2 +V 3 )   is  obta ined   acr os s   the  l oad  wit h  the   s witc he s  S 2   a nd  S 4   ON.   T he   com par ison f or d if fer e nt to polog ie s  of m ulti l evel in ver te r  ar e g iv e n  i n  Ta b l e 1 .               (a)     (b)   (c)   (d)             (e)   (f)   (g)   (h)     Figure  2. O perat ing  M od es  ( a )  P os it ive Le ve l 0 (b ) Negati ve  Lev el   0 (c)  P os it ive Le vel  1  ( d) P os it ive L evel  2    (e) P os it ive  Level  3  ( f) Ne gative Le vel  1 (g)  Neg at ive  L evel 2 an d ( h)   Neg at ive   Le vel 3       Table  1.   C om par iso n of Dif fe ren t  M ulti le vel Inv e rter  T opol og ie s   Inv erter   Nu m b e r  o f   So u rces  (N dc )   Nu m b e r  o f   Switch es   (N S )   Nu m b e r  o f  level  (N)   Ratio   (N dc   / N )   Ratio     (N S  /  N)   Cas caded     3   12   7   0 .42 8 6   1 .71 4 3   Ref .  [ 1 1 ],  [ 1 2 ]    3   8   7   0 .42 8 6   1 .14 2 8   Ref .  [ 1 3 ]   3   10   7   0 .42 8 6   1 .42 8 6   Ref .  [ 1 4 ]   3   16   7   0 .42 8 6   2 .85 7   Ref .  [ 1 5 ]   3   9   7   0 .42 8 6   1 .28 5 7   Ref .  [ 1 6 ]   3   7   7   0 .42 8 6   1   Prop o sed   3   6   7   0 .42 8 6   0 .85 7 1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   P ow  Ele c  &  D ri   Syst     IS S N:  20 88 - 8 694       A New  S eve n L evel  S ym metri c al Inverte r wi t h  Re duced  S wi tc h  Co unt   ( Th i yagar ajan V )   923   Fo r  the  pro po s ed  inv e rter,  the   rati o  of   the  nu m ber   of   so urce s  to  the  le vel   is   0. 42 86   w hic h  is  equ al   to   CHB   an d   oth e r   pr e sente d   in ve rter  to polo gies.   H ow e ver  the  r at io  of  the  nu m ber   of   s witc he s  to  ou t pu t  le vel   is   0.857 1 wh ic h  i s less tha n  that  of   othe r  i nv e rt er top ologies T her e fore,  it  is cle ar th at  this i nverter  to po l og y  u ses   m ini m u m  a m o un t  of s witc hes  to  ac hieve  7 - le vel volt age  w a vefor m .       3.   SWITC HING  ANGLE   CAL CU L ATIO N   T h e   a n g l e s   c o r r e s p o n d i n g   t o   t h e   p e r i o d   0   t o   9 0 o   a r e   c a l l e d   a s   m a i n   s w i t c h i n g   a n g l e s   a n d   a r e   c a l c u l a t e d   u s i n g   t h e   f o l l o w i n g   d i f f e r e n t   m e t h o d s   [ 1 7 - 19 ].   Metho d  –   1   T h e   a v e r a g e l y   d i s t r i b u t e d   s w i t c h i n g   a n g l e s   o v e r   t h e   r a n g e   0 – 90 o   a r e   d e t e r m i n e d   b y ,       2 1 - N 3 . . . ,   2,   1,         w h er e , 1 8 0 0 i N i i   M e t h o d   -   2   H e r e ,   t h e   k e y   s w i t c h i n g   a n g l e s   a r e   d e t e r m i n e d   b y ,       2 1 - N 3 .. .,   2,   1,       w h e r e , 1 180 0 i N i i   M e t h o d   -   3   I n   t h i s   m e t h o d ,   t h e   m a i n   a n g l e s   a r e   d e t e r m i n e d   b y ,         2 1 - N ....   3   2,   1,     w h e r e , 1 1 2 s i n 1 i N i i   w h e r e ,   N   =   N u m b e r   o f   o u t p u t   l e v e l s .   T h i s   m e t h o d   g i v e s   b e t t e r   o u t p u t   v o l t a g e   w a v e f o r m   c o m p a r e d   w i t h   o t h e r   m e t h o d s .   T h e   s w i t c h i n g   p u l s e s   o b t a i n e d   u s i n g   t h e   d i f f e r e n t   m e t h o d s   a r e   s h o w n   i n   F i g ure   3 .   T h e   d i f f e r e n t   s w i t c h i n g   s t a t e s   a r e   g i v e n   i n   T a b l e   2 .           (a)   (b)         (c)     Figure  3.  S witc hing P ulses  (a) M et hod  -    1 ( b) Met hod   -     2  a nd ( c )  Me th od    -    3       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694     I nt J  P ow  Ele c  &  Dr i   Syst , Vol.  9 , N o.   2 ,  J une   2018 :   921   –   92 5   924   Table  2.   Sw it c hing  Stat es  For  D if fer e nt  Mo de s  of  Op e rati on   Mod e   S   1   S   2   S   3   S   4   S   5   S   6   Ou tp u t   Po sitiv e L ev el - 0   0   1   1   0   0   0   0   Po sitiv e L ev el - 1   1   0   1   0   0   0   V 1   Po sitiv e L ev el - 2   0   0   1   0   1   0   V 1   +V 2   Po sitiv e L ev el - 3   0   0   1   0   0   1   V 1   +V 2 +V 3   Neg ativ e  Level - 0   0   0   0   1   0   1   0   Neg ativ e L ev el - 1   0   0   0   1   1   0   - V 3   Neg ativ e L ev el - 2   1   0   0   1   0   0   - (V 3   +V 2 )   Neg ativ e L ev el - 3   0   1   0   1   0   0   - (V 3   +V 2 +V 1 )       4.   RESU LT S  AND DI SCUS S ION   Th i s   s e c t i o n   p r e s e n t s   t h e   s i m u l a t i o n   r e s u l t s   o f   t h e   d e v e l o p e d   s y m m e t r i c a l   7 - l e v e l   i n v e r t e r .   T h e   m a g n i t u d e   o f   t h e   s o u r c e s   a r e   t a k e n   a s   V 1   =   V 2   =   V 3   =   6 0   V .     T h e   m a x i m u m   v o l t a g e   o b t a i n e d   a s   2 4 0   V   ( i . e . ,   V 1 +V 2 +V 3 ) .     F i g u r e   4   s h o w s   t h e   s e v e n   l e v e l   v o l t a g e   o b t a i n e d   f o r   d i f f e r e n t   s w i t c h i n g   m e t h o d s .   T h e   F F T   a n a l y s i s   o f   t h e   7   l e v e l   v o l t a g e   w a v e f o r m   f o r   a r e   g i v e n   i n   F i g u r e   5.           (a)   (b)     (c)     Figure  4.  O utput V oltage  (a)  Me thod    -    1  ( b) Met hod   -      2  and (c )  Me th od    -    3           (a)   (b)     (c)     Figure  5.  FFT   An al ysi s  (a)  M et hod  -    1 (b)  Me thod  -    2  a nd  (c)  Met hod   -      3   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   P ow  Ele c  &  D ri   Syst     IS S N:  20 88 - 8 694       A New  S eve n L evel  S ym metri c al Inverte r wi t h  Re duced  S wi tc h  Co unt   ( Th i yagar ajan V )   925   T h e   s i m u l a t i o n   r e s u l t   s h o w s   t h a t   t h e   h a r m o n i c   c o n t e n t   f o r   t h e   s w i t c h i n g   m e t h o d   -   3   i s   l e s s   w h e n   c o m p a r e d   w i t h   t h e   m e t h o d - 1   a n d   m e t h o d   - 2 .     T h e   r e s u l t s   a r e   g i v e n   i n   T a b l e   3 .       T able   3.   C om par iso n of Total   Har m on ic   Distortio n    Method   THD (%)   Method  -   1   31. 35   Method  -   2   25. 46   Method  -   3   12. 20       5.   CONCL US I O N   T h i s   a r t i c l e   p r o p o s e d   a   n e w   s y m m e t r i c   7 - l e v e l   i n v e r t e r   t o p o l o g y .   T h i s   i n v e r t e r   u s e s   t h r e e   s o u r c e s   t o   a c h i e v e   7 - l e v e l   o u t p u t   v o l t a g e .   T h e   p r o p o s e d   i n v e r t e r   c i r c u i t   c a n   b e   c n n e c t e d   i n   s e r i e s   t o   g e n e r a t e   h i g h e r   l e v e l s .   T h e   d i f f e r e n t   m e t h o d s   u s e d   t o   c a l c u l a t e   t h e   s w i t c h i n g   a n g l e s   a r e   d i s c u s s e d   i n   t h i s   p a p e r .   T h e   s i m u l a t i o n   r e s u l t   s h o w s   t h a t   t h e   s w i t c h i n g   a n g l e s   o b t a i n e d   b y   m e t h o d   -   3   a c h i e v e s   m i n i m u m   T H D   a s   1 2 . 2 %   c o m p a r e d   w i t h   o t h e r   m e t h o d s .         ACKN OWLE DGE MENTS     This  researc h  work wa s s upporte d   a nd fund ed   by  SS N  T r ust .       REFERE NCE S     [1]   R.   H.   Bake r   and   L.   H .   Bann iste r ,   "Ele c tri c   Pow er Convert er , " U. S.   Pate n t  3   867  64 3,   Feb .   1975 .   [2]   J.  S.  L ai   and  F.   Z.   Peng ,   "M ultil eve l   conve r te rs - a  new  br ee d   of  p ower  conve r te rs, "  in   IE EE  Tra ns ac t ions  on  Indus tr y   Applic a ti ons,  vo l.   32 ,   no .   3 ,   pp .   5 09 - 517,   1996 .   [3]   V.  Thiy aga r ajan   and  P.  So m as undar am  ,   “ Mo difi ed  Nine  Le v el   Inve rt er  with   Reduc ed  Number   of  Sw it che s”,   Inte rna ti ona l  Jou rna l  of   Contro l  T heor y   and   Appli ca t ions,  Vol . 10,   No.  2  (2017) ,   PP   217 - 225.   [4]   J.  Rodrigue z ,   S.  Berne t ,   J.  Pontt ,   B. W u  and  S.  Kouro,  ‘Multilevel  volt ag e  source   c onver te r  topol og ie s  for  industrial  m edi um   volt age  drive s’, IEE E Tr ansa ctions Industri al Ele ct roni cs,   54(6), 2930 - 294 5,   2007 .   [5]   L.   M.  To lbe r t,   F .   Z.   Peng ,   T .   G.   Habe tler,   “ Mult il ev el   conv erters  for  la rge   elec tr i c  drive s, ”  IE EE   Tra nsac ti ons  on  Industr y   Applica ti ons,  vo l. 35, no .   1 ,   pp .   36 - 44 ,   1 999.   [6]   J.  Rodriguez,   J.   S.  La i   and  F.   Z.  Peng,   "M ult ilev el   inv erter:   a  surve y   of  topo logi e s,c ontro ls,   and  a ppli c at ions",  I E EE   Tra ns. Ind.   Elec t ron. ,   2002,   49,   ( 4),   pp .   724 – 738 .   [7]   A.  Naba e,  I.  Takaha shi  and  H.   Akagi,     "A   Ne w  Neutr al - Poin t - Cla m ped  PW M  Inve rt er",  IEEE  Tr ansa c ti ons  on  Industr y   Applica ti ons,  IA - 17 ,   51 8 - 523,   1981 .   [8]   J.  Huang,   K.  A  Corzi ne ,   “ Ext e n ded  oper ation  of  fl y ing  c apa c it or   m ult il eve l  inv er te rs”,,  IEEE  Trans ac ti ons  on  Po wer  El e ct roni cs,   vo l.  21,   no .   1 ,   pp .   14 0 - 147,   Janu ar y   2 006.   [9]   Z.   Du,  L .   M.  T olbe rt ,   B.   Ozpin ec i ,   J.  N.  Chi asson,  "F undamenta l  fre qu ency   sw it chi ng  str ategies   of  a  seve n - lev e l   h y brid   c asc ad ed H - bridge   m ult i level inve rt er", IEEE Tra ns.   Pow er  Elec tron . ,   2009,   24,   (1), pp. 25 – 33   [10]   Bana e i,   M.R . ,   S al ar y ,   E . ,   ‘New  m ult il evel  inv erter  with  red u ct io n  of  sw it che s  a nd  gat e  driv er’ ,   Ene rg y   Convers .   Mana ge.,  2011 ,   52,   pp .   1129 – 11 36.   [11]   E.   B abaei ,   M.F. Kanga rlu,     F.   Maz gar ,   "S y m m et ri c  and   as y m m et ric   m ultile v e l  inv ert er   topo l ogie s  with   red u ce d   sw it chi ng  d evi c e s" ,   Elec tr ic Pow er  S y s te m s Re se arc h,   Volum e  86 ,   Ma y   2012,   Pag es  122 – 130   [12]   K.  Ramani,   M.A .   Sathi k ,   S  Sivak um ar,   "  A  New  S y m m et ric   Mult il ev el   Inve r te r  T opolog y   Us ing  S ingl e  and  Doubl e   Source   Sub - Mul ti le v el Inve r te rs"   ,   Journal  of   Pow er  E lectr oni cs,     Volum e  15,   Iss u e  1,    2015 ,   pp . 96 - 105.   [13]   M.  Toupc h i  Kho sros hahi ,   "Criss c ross   ca sca de   m ult ilevel  inv ert er   with  red u ct ion   i n  num ber   of  co m ponent s,"  in   I E T   Po wer  El e ct ron i cs,   vol .   7 ,   no .   12 ,   pp .   2914 - 2924 ,   12  2014 .     [14]   E.   B abaei ,   S.H.  Hos seini ,   G.B .   Ghare hpetian ,   M .   T ara fd ar  Haqu e,   M.   Sabah i,  "Reduc t ion  of  d c  v olt ag e  source s   a nd   sw it che s  in  as y m m et ric al   m ultil eve l  conve r te rs using  a  nove l  to polog y " ,   E le c tric   Pow er   S y stems   Resea rch   77  (20 07)  1073 – 1085.     [15]   M.  Ja y ab al an ,   B.   Jee var a thi nam  and  T.   Sandira s ega ran e,   "Reduc ed  sw it ch  count   pulse  width  m o dula t ed  m ult il ev e l   inve rt er, "  in   I ET Pow er  Elec tronics,  vol .   10 ,   no .   1 ,   pp .   10 - 17 ,   201 7.     [16]   V.  Thiy ag ara j an   and  P.  Som asu ndar am ,   "M odified  Seven  Le v el   S y m m et ric   Inve rte r  with  Redu c ed  Sw it ch  Count",     Advanc es  in   Nat ura l and  Appl ie d   Scie n ce s,   vol .   1 ,   no.   7,   pp.   264 - 2 71,   2017 .   [17]   V.  Thiy a gar aj an   and  P.   Som asunda ram,  "  Mod el ing   and  An alys is  of  Novel   Multi l eve l   Inve rter  Topol og y   w ith   Mini m um   Number   of  Sw it chi ng  Com ponent s,"  CMES :  Co m p ute r  Modeli ng  i n  Engi nee r ing  &  Scie nc es,   Vol.   113, No.  4 ,   pp .   4 61 - 473,   2017 .   [18]   V.  Thiy ag araja n   and  P.  Som asunda ram,  "N ew  single   ph ase   as ym m et ric   m ult il e vel   inv ert er  wi th   red uce d  num be r  of  power  sw it che s , "   2017  In t ernational  Confe r enc e   on  Pow er  and  E mbedde d  Dr iv e   Control  ( ICPE DC) ,   Chenna i ,   20 17,   pp.   219 - 222 .   [19]   F.  L. L uo   and   H.   Ye, Advanced  DC/AC Inve rte r s,CRC  Press   LLC,  2013.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.