Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l. 5,  N o 1 ,  Ju ly 20 14 , pp . 56 ~62  I S SN : 208 8-8 6 9 4           56     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJPEDS  A Novel Topology of Multile vel In vert er with Redu ced  Number of Switches and DC Sources      Nakul Th omb re, Ratika sin g Rawa t,  Pri y ank a  Rana, Umash a nk ar S  School of  Electr i cal Engin eer ing,  VIT  University Vellore Tamilnadu, India      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Feb 17, 2014  Rev i sed   May 17 , 20 14  Accepted  May 29, 2014      This paper  intro duces new topo log y  of c a scade d  m u ltilev e l in v e rter , wit h   considerab le  red u ction  in  the  nu m b er  of switch e s and DC voltage sources The proposed to polog y  is based  on as y m m e trical m u ltil evel inv e rter which   produces 21  lev e ls of ou tput with th use o f  11  unidir ectional switches,  3   diodes and 4  DC voltage sources. The adv a ntages of this topolog y  ar reduction in the number of switches (2 nos.)  and  gate driv er circu its (2 nos.),  reduction in the number of DC  sources  (2 nos .) als o  cos t , com p lexit y ,  an d   space r e quired  f o r hardware  is re duced  wi thout s acrif icing  the  qu alit y   output   of the  inver t er To redu ce  the  THD further Level shifting  SPWM techniqu es   s u ch as  P D , P O D & AP OD are us ed and  compar ison is shown on  the basis of   THDs obtained  from the above SPWM t echniques. Frequen c y  of car rier   waves is 1KHz, and modulatio n index  is 1.0. To valid ate th e proposed   topolog y  the  cir c uit is  simulated  and verif i ed  b y  us ing MATLAB/Simulink.  Keyword:  21  l e vel s     Asymmetric mu ltilev e in v e rter  Mu ltilev e l in v e rters  PW M T e chn i qu es   Tot a l  ha rm oni c di st o r t i o n   Copyright ©  201 4 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Nak u l  T h om bre,    Sch ool   o f  El ec t r i cal  En gi neer i ng,   VIT Un iv ersity, Vellore,  Tam i l n adu,  I n di a.   Em a il: n a k 1 2 8 9 00@g m ail.co m       1.   INTRODUCTION   No w-a - day s , i n  i n dust r i e s,  po we r co nve r s i on sy st em s becom e  ver y  po pul ar a n d are  use d   extensi v ely. The power c o nversion system   include AC - D C, DC -AC ,   DC- D C, AC - A C co nv ersi o n s. M a ny  hi g h  an d m e dium  vol t a ge ap pl i cat i ons re q u i re suc h  p o we r  con v er si o n  sy st em s. Those a ppl i cat i o ns are  HV DC   t r ansm i ssi on,  FAC T S ,  AC / D C  dri v es,  rene wabl e e n er gy  s o urces s u c h  as  PV s o lar cells , wind, fuel ce lls etc.   [2] - [ 4] . T h i s   p a per c o ncent r a t es on  DC - A C   con v e r si o n  ( I n vert er  act i o n ) A co n v e n t i ona l  si ngl phase  i nve rt er   i s  abl e  t o  pro d u ce v o l t a ge l e vel s  of + V dc , 0, - V dc , so t h e out p u t  wa ve fo rm  of t h e i nvert er i s  q u asi - sq ua re  wave , w h i c h i s  not  ad vi sabl t o  use as an i n put  t o  any  AC   sy st em . Hence,  t o  get  nearl y  si nus oi dal  wa ve fo rm m u l tilev e l in v e rter is in tro d u c ed  in   1 975  [1 0]. Th e ou tp u t  of m u lti lev e l in v e rter is a staircase wave, which  is  n early sinu so id al. By in creasin g  t h e nu m b er of  o u t p u t   vo ltag e  lev e ls i n  m u ltilev e l in v e rter th e THD can be  min i mized . Al so  ri p p l e co n t en t in  th o u t p u t o f  m u ltilev e in v e rter is lesser th an  th at of  co nv en tio n a l i n v e rter  [9].  One m o re  adva ntage t h at MLI posses s es over th e co nv en tio n a l inv e rter is  v o ltag e  stress across th i ndi vi dual  s w i t c h i s  l e sser i n   case of M L [5 ] .  M a ny  t o p o l o gi es o f  M L I a r e devel o p e d a n d st u d i e d .  T h e y  are  g e n e rally classified  in t o a)   Fl y i ng-ca paci t o r  i n vert er   b)   Diode-clam ped inve rter  c)   C a scaded  H - br i dge i nve rt er   Fro m  th ese in v e rter t o po logies cascad ed   H-Bri d g e  m u l tilev e l in v e rter is wid e ly used  [6 ]-[7 ].  Cascaded i nve rter has  ‘n’ num ber of series  connected  cell s , with a n  indi vidual DC voltage source connected  to each cell. There a r e two groups   of ca scade m u ltilev e l converters,  the symm e t ric and the asymmetric   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       A Novel Topol ogy  Of  Multilevel Inverter Wi th Re duce d  N u mber Of  Switches An d DC… (Nakul  Thombre)  57 m u ltilevel converters. In sym m e tric MLI all the DC volta ge sources use d   are of e qual m a gnitude,  whe r eas in  asym m e t r i c  M L I m a gni t u des  of  DC   v o l t a ge  sou r ces  are  u n e qual .   In  th e asymme tric to po log i es, th e v a lu es  o f   DC  v o l t a ge s o urces m a gni t u des are  u n eq ua l .  B y  gi vi ng   pr o p er swi t c hi ng se qu ence t o  t h e gat e  d r i v er ci rc ui t s , d e si red n u m b er  of o u t p ut  v o l t a ge l e vel s  can be  obt ai ne d.  So t h e n u m b er o f  po we r el ect ro n i c com ponent s  req u i r e d , wi l l  be re duce d  as  com p ared t o  t h at  of   MLI  with  symmetrical DC vo ltag e  sou r ces  [8 ].  On o f  th e  adva ntages  of asymmetrical  MLI is t h at wi th the   sam e  num ber of s w i t c hes an d DC  v o l t a ge  sou r ces , t h e n u m b er of  o u t put  v o l t a ge l e vel  obt ai ned i s   m o re,  wh en  co m p ared  to th symme trical to po log y Thi s  pa per  pr o pos es ne w asy m m e t r i c  t opol ogy  f o r 2 1 - l e v e l  vol t a ge  out p u t  wi t h  re d u ce d n u m b er of   swi t c hes. T h e pr o pose d  t o pol ogy  has  been a l so anal y zed w i t hout  usi n g an y  PW M  t ech ni que . B u t  aft e r usi n g   SP W M  t e c hni que s T HD  of  t h out put  ca be re d u ced  f u rt her .  T h ree t e c h ni q u es  of  SP W M  are u s ed  he r e  an com p ared am ong them selves,  to   figu re  ou t t h e techn i qu e wh ich   g i v e s least THD.      2.   PROP OSE D  TOPOLOG Y         Fi gu re  1.  Pr o p o se d t o p o l o gy       The propose d topology has  be en su cces sful in significantly reducing  the s w itch count a n d no. of DC  v o ltag e  sou r ces. It co nsists of four  asy m m e trical DC v o ltag e  sou r ces for 21  lev e ls. Increm en ts in  th e DC  voltage s o urce s are in the fas h ion n,  2n, 3n,  4n. ...  Wh e r e n = lowest DC voltage s o urce  m a gnitude . Pr opos e d   t o p o l o gy  fol l o w s o n e rel a t i o n bet w een  n u m ber of o u t p u t  vol t a ge l e vel s  and  n u m b er of  DC  so urce s. The   relatio n  is,    N lev e l =  N DC  ( N DC +1) +  1    Whe r e,   N lev e l= Nu m b er of l e v e ls,  N DC = Num b er  of DC  s o urces.  The f o l l o wi ng  t a bl e sho w s t h e swi t c hi ng s e que nce gi ven  t o  t h e pr op os ed t o p o l o gy  t o  gene rat e  2 1   lev e l vo ltag e   ou tpu t     Tab l e 1 .  Sw itch i ng   states o f   pr opo sed  top o l og Sr .  No   Output Voltage L e vel  S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7      OFF  OFF  OFF  OFF  OFF  OFF  OFF   2 + Vdc  ON   OFF  OFF  OFF  OFF  OFF  OFF   3 + 2Vdc  OFF  OFF  ON   OFF  OFF  OFF  OFF   4 + 3Vdc  OFF  OFF  OFF  OFF  ON   OFF  OFF   5 + 4Vdc  OFF  OFF  OFF  OFF  OFF  OFF  ON   6 + 5Vdc  ON   OFF  OFF  OFF  OFF  ON   OFF   7 + 6Vdc  OFF  OFF  ON   OFF  OFF  ON   OFF   8 + 7Vdc  OFF  OFF  OFF  OFF  ON   ON   OFF   9 + 8Vdc  ON   OFF  OFF  ON   OFF  ON   OFF   10  + 9Vdc  OFF  OFF  ON   ON   OFF  ON   OFF   11  + 10Vdc  ON  ON  OFF   ON  OFF   ON  OFF     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 1 ,   Ju ly 20 14   :   56  –  62  58 3.   PULSE WIDTH  MODUL A TIO N  METHODOLOG For  an  – l e v e l  i nvert e r  t h m u lt i carri er P W M  m e t hod  u s es n - 1 t r i a n g u l ar carri e r  si g n a l s  and  o n l y   one  m odulating si nus oidal  signal is  applied as re fere nce.   The ze ro re ference is  placed in the  m i ddle of the   carrier set.  At  every insta n t each carrier s i gnal is  com p ared  with the  m odulating si nus oi dal signa l. Each  com p ari s on  gi ves  one  i f  t h e   m odul at i ng si g n al  i s  g r eat er t h an  t h e t r i a ng u l ar car ri er si g n a l ,  ot he rwi s e  z e ro . T h M u l t i carri er  P W M  m e t hod i s  cat ego r i zed  i n t o  2  g r ou ps:     1 )  Phase sh ifted  PWM m e th od wh ere th e m u ltip le carriers  are  p h a se sh ifted  acco r d i ng ly.    2) C a rri er  di sp osi t i on m e t hod s (C D )  w h ere  t h e refe re nce s i gnal  i s  sam p l e d t h ro u gh a  num ber  o f   carrier signals  displace by continuous i n crem ents of  the re fe re nce si gnal   am pl i t ude. Fu rt he c a rri er   d i spo s itio n PWM m e th o d  is gro u p e d  in t o  three:  a) Phase  Di sp osi t i on ( P D )   M e t h o d  - The  pha se di sp osi t i on m e t hod ha s  an equal  n u m b er  of car ri er   si gnal s  a b ove  a n d  bel o w  t h e z e ro  re fere nce a n d  are  i n   p h ase  wi t h  t h e sam e  am pl i t ude a n d   fre que ncy .           Fi gu re  2.  P D  P W M       b )  Altern ativ e Ph ase Oppo sitio n  Dispo s ition  (APOD)  Metho d   - All carrier wav e fo rm s in  th is APOD  m e thod a r phase-dis placed by 180°  alternat ively.           Fi gu re  3.  A P O D  P W M       c) Ph ase  O ppositio n  D i spo s itio n  (POD) Meth od  - A ll  carrier sig n a ls ab ove th e zero  referen ce are in  th e sam e  p h a se bu t th e carrier  sig n a ls  b e low t h e ze ro re fere nce are  phase s h ifted  by 180  de grees     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       A Novel Topol ogy  Of  Multilevel Inverter Wi th Re duce d  N u mber Of  Switches An d DC… (Nakul  Thombre)  59     Fi gu re 4.   P OD P W M          4.   PULSE GEN E RATIO N CI RC UIT   For  t h pul se  g e nerat i o n i n  t h e new  t o pol og y  20 ca rri e r s si gnal s  a r e em pl oy ed  wi t h  t h am pl i t ude o f   each triangular carrier as  0.1 and freque nc y 1KHz.  One  sinusoidal  wa ve of am plitude  1 a nd  fre quency 50  Hertz is em ployed as a  refe re nce signal.  In  order to t u rn   on  th e switch e s in  th p a rticu l ar d e sired  in st an ts,  pul se  ge nerat i o n ci rc ui t  i s  use d In  t h i s  circ ui t, the re fere nce  signal is c o m p ared  with t h e c a rrier  signal and the   out put   of t h e c o m p ari s on i s  f e d t o  t h e l o gi gat e s an d t h e r e qui red  pul se  pat t e rn i s   gene rat e d at  t h e o u t put   o f   th e log i g a tes to  tri g g e r t h e switch e s. Th e pu lse  gene rat i on ci rcui t  i m pl em ent i ng P D  P W M  t e c h n i que i s   sho w n i n  Fi gu r e  5.           Fi gu re  5.  P u l s e Ge nerat i o n C i rcui t     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 1 ,   Ju ly 20 14   :   56  –  62  60 5.   SIMULATION RESULTS  Propo sed  circuit is v a lid ated  o n  M A TLAB/Si m u lin k  p l atfo rm . IGBT in   p a rallel with  th e series RC   snu b b er ci rc ui t  i s  used as a swi t c h. T h e m a gni t u des  of D C  vol t a ge so u r ces t a ken are  10 V,  20 V,  30 V, 4 0 V .   Loa d  resi st an c e  i s  t a ken as  1 0 O h m .  R e peat i ng se q u ence  bl oc k i s  use d  t o  ge ne rat e  t h e  swi t c hi n g  se q u ence Pul s e ge nerat o rs are use d  t o   gi ve p u l s es t o   t h e H - b r i d ge.  Fi gu re 3 sh o w s t h e ci rcui t   di ag ram  of pro pos ed   t o p o l o gy . Fi g u r e 4 sh ow s t h e 21 l e vel  o u t p ut  of t h e i nve rt er . Fi gu re 5 sh o w s TH D co nt ent  i n  t h e out p u t . It  i s   12 .6 9 % . Fi gu r e  sh ow s T H D   of  t h o u t p ut  w a vef o rm s aft e usi n g P D ,  P O D,  AP O D  P W M  t echni ques .               Fi gu re  6.  TH D  o f  t h e  o u t p ut   wave f o rm  wi t hout  a n y  P W M  t echni que             Fi gu re  7.  TH D  o f  t h e  o u t p ut   wave f o rm  usi n PDP W M  t e c h n i que   Fi gu re  8.  TH D  o f  t h e  o u t p ut   wave f o rm  usi n PODP W M           Fi gu re  9.  TH D  o f  t h e  o u t p ut   wave f o rm  usi n AP OD P W M   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       A Novel Topol ogy  Of  Multilevel Inverter Wi th Re duce d  N u mber Of  Switches An d DC… (Nakul  Thombre)  61 Tabl e 2.   C o m p ari s on   o f  SP WM   t ech ni q u e s   Sr .  No.  PWM  T e chnique  T HD  ( % 1.  PD  5. 67   2.  POD  5. 93   3.  APOD  6. 15       6.   CO NCL USI O N   I n  t h is  p a p e r ,   a n e w  topo logy f o r   2 1  lev e ls is pr opo sed with  r e d u c ed   num b e r  o f  sw itch e s and  D C   sources. Thus, this new circ uit will require lesser hardwa re space, lesser cost; also  the com p lexity of the   circu it will red u ce.Th e FFT an alysis d o n e  with  th e fu n d a m e n t al switch i ng frequ en cy resu lted  in  th e THD  o f   1 2 .69 % . Fro m  th e FFT  an al ysis, it is fo und  th at PDPWM tech n i qu giv e s least THD. Th n e circu it is  ex am in ed  in  MATLAB/Simu lin k. It is  obs erve d t h at  eve n  aft e r t h e re d u ct i on i n  s w i t c hes an d so urce s, t h e   desi re d out put  i s   o b t a i n ed .       REFERE NC ES  [1]   Ba yat ,  Z. ; Baba ei,  E. , "A new cas caded m u lt ile ve l inver t er with reduced numb e r of switches,"   Power Ele c troni cs  and Drive S y stems Technology ( PEDSTC) , 2012  3rd , vol., no ., pp .416-421, 15-16  Feb. 2012 [2]   S. Lai and F.Z.  Peng, "Multil eve l  conve rt ers -a n e w breed of power conver t ers," I EEE Tr ans. Ind  Appl., vol . 32, n o 3, pp . 509-17 ,M  ay /June 1996 [3]   Ebrahim i , E .  Babaei , and G.B.  Gharehpet i an " A  new  m u ltilev e l convert er topol og y  with redu ced num ber of po wer   electronic components,"  Accepted  and will be pu blished on  IE EE Trans. Ind.  Electron.   [4]   S.  De,  D.  Banerjee I ,  K.  Si va k u mar, K. Gopakumar, R.  Ramchand, and C. Pa t e l, "Multi lev e l i nverters for low - power applicatio n," lET  Power  Electron., vol. 4 ,  n o . 4 ,  pp . 384-39 2, 2011 [5]   E. B a ba ei  and  S.H. Hosseini,  "New casc a ded  m u ltileve invert er topo log y  wit h  m i nim u m  num ber of switch e s,"   Elsevier Journal  of Energ y   Conv ersion and  Ma nagement, vol. 50,  no. II , pp . 2761- 2767,N ov. 2009 [6]   S. Mekhilef an d M.N. Abdul  Kadir,  "Novel vector con t rol  m e thod for thr ee-stage h y brid  cascad ed m u ltil evel   inverter,"  I E EE Trans. Ind.  Electron.,  vol. 58, no. 4, pp. 1339-134 9, April 2011.    [7]   S.D.G. Jay a sing hal, D.M.  Vi lath gam u wal,  and U . K. Mad a wala, " C ascad e m u ltil evel st ati c  s y nchr onous com p ensator   configuration  for  wind farms," lET Power El ectro n ., vol. 4, no. 5,p  p. 548-556,201 1.  [8]   Ranjan , S.; Mishra, S.K., "Anal y sis of as y m m e tric al  cas caded  m u ltileve l inver t er for tra c tion  s y stem s,"  En erg y   Effi ci ent Techno logies for Susta i nabilit ( I CEETS) , 2013 Interna tional Con f eren ce on   , vol., no.,  pp.708,713 , 10- 12   April 2013   [9]   Lakshmi, T.V . V.S.; George,  N.;  Um as hankar, S . ; Kothari ,  D. P ., "Cas cad ed seven level  inverter with redu ced   number of switches using lev e l shifting PWM technique,"   Power,  Energy and  Con t rol ( I CPEC) ,  2013 Internationa Conference on  ,  vol., no., pp .676,680, 6-8  Feb. 20 13  [10]   Ned m ohan, Tore.M, undeland,  and Willia m . P.  Robbins “power  electronics , co n v erters, Appli c at ions and Design”,  Third  edit ion,  New Delhi ,  W i l e y India (P.)Ltd. R e print.    [11]   M.H.Rashid “ P ower el ec tronics  :  Circu its,  Devic e s   and app l i cat ion s . Third  ed ition ,   Prentic e ha ll , 20 04      BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS       Nakul Thombre  was born in  Thane, Mah a rashtr Curren t ly , he is pursuing a Master’s Degree  in P o wer Ele c tr onics  and Drive s  at VIT Univer s i t y , Vel l ore .  He  rece ived his   B ache l or Degre e   in Electrical En gineer ing in the  y e ar 2012 at C o lleg e  Of Engineering A’nag a r  affiliated  to  Universit y  of Pune, Mahar a shtra .  His research  int e rests are  casc a d e d m u ltilev e l In verter , SMPS,   Batter y  oper a ted  vehicles   and el e c tri cal   driv es .           Ratika Singh Rawat was born in Hapur, Uttar Pr ad esh. Curren t ly, she is pursuing a Master’s  Degree in P o wer Electr onics  an d Drives  at VIT  Univers i t y , Vel l o re. S h e rece ive d  her Bachelor  Degree in E l ect r onics and Instrum e ntation Eng i neer ing in the  y e ar 2013 at th e Institut e  Of  Techno log y  and  Management co lleg e  affiliated  to Rajiv Gandhi  Techn i cal University , Mad h y Pradesh. Her research in terests a r e cascad ed m u ltilev e l Invert er a nd control of power elec tronic   converters.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 1 ,   Ju ly 20 14   :   56  –  62  62   Priy ank a  Rana  was born in Gwalior ,  Madh y a  Pr ades h. Curren t l y , s h is  purs u ing a M a s t er’s   Degree in P o wer Electr onics  an d Drives  at VIT  Univers i t y , Vel l o re. S h e rece ive d  her Bachelor  Degree in E l ect r onics and Instrum e ntation Eng i neer ing in the  y e ar 2013 at th e Institut e  Of  Techno log y  and   Management Co lleg e  aff iliated  to Rajiv  Gandhi  Techn i cal Univ ersity , Madh y a   P r ades h. Her  res earch  int e res t s   ar e c a s cad ed m u lt i l eve l  Inve rter  an d DC to DC  con v erter .           Um as hankar S  rece ived B . E.   D e gree   in  Ele c tri cal  and El ec tro n ics  Engin eerin g from  Govt.   College of Technolog y ,  Coim batore  in th year 2001  and  M.  Tech.,  and P h D in Power   Electronics from VIT University ,  Vellor e  in  th year 2004  and 20 13 respectively .   Currently  h e   is working as  A s s o ciate  Pr ofes s o r   in the School of Electrical  Engineer ing at V I T University Vellore. He worked as  Asst. Professor-Senior,  S e nior R&D Engineer and Senio r  Application  Engineer in the  power electronics,  renewable Energ y   and  electrical  drives field for  more than 10   y e ars.  He has been one of the  Editorial Board  m e mbers in Internation a l journal of electronics communication  and electrical en gi neer ing  and   reviewer  in r e puted journals lik Elsevier , I E EE  and IET. He has  published / presented 98   papers in  nation a an d intern ation a l   journals/conferences. He h a s also co-authored /co-edited 10 bo oks/chapters an d 10 techn i cal  arti cles  on power  el ec tronics   a pplic ations  in  renewabl e en erg y   and all i e d  areas . His   current  ar eas of   research  ac ti vities  in clud e  power ele c tr onics appli c a t i ons in wind  and s o lar  en erg y , m odern  ele c tr ic al dr ives   and  con t rol, smart grid  and power qu ality.                                             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.