I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8 ,   p p .   1 7 3 3 ~ 1 7 4 4   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v9 . i 4 . pp 1 7 3 3 - 1 7 4 4          1733       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 JP E DS   A Nov el  DC - AC   I nv erte To po lo g y   to Eli m ina te    Lea k a g e Cur rent       T a re k   Sel m i 1 M a her  Rez g ui 2   1 F a c u lt y   o f   En g in e e rin g ,   S o h a U n iv e rsity ,   O m a n   2 F a c u lt y   o f   F o u n d a ti o n ,   S o h a Un iv e rsit y ,   O m a n       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   7 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   J u l   8 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   Sep   13 ,   2 0 1 8       Ex p e rime n ts  c o n f ir m e d   th a T ra n sf o rm e rles In v e rters   ( T Is)  d e li v e m o re   re li a b il it y   a n d   h ig h e e n e rg y   e f f i c ien c y .   No n e th e les s,  o n e   o f   th e   sh o rtco m in g o f   T Is  is   th e   lea k a g e   c u rre n th a o c c u rs  b e tw e e n   th e   p h o to v o lt a ic   ( P V stri n g   term in a ls  a n d   th e   g ro u n d .   S u c h   a   d r a w b a c k   is   ju stif ied   b y   th e   n o n - g a lv a n ic  i so latio n   c a u se d   b y   th e   tran s f o rm e b e in g   o m it ted .   A su c h ,   th is  stu d y   is  in ten d e d   t o   d e v e lo p   a   n o v e T in v e rter   to p o lo g y   f o so lar  P V   sy ste m s.  T h e   latter  is  m e a n to   re m o v e   t h e   lea k a g e   c u rre n a n d   e n h a n c e   th e   o p e ra ti n g   sy ste m   o f   th e   e n ti re   P V   c o n v e rsio n   a w e ll .   A d d e d   to   it n u ll   z e ro - c ro ss in g   d isto rti o n   a n d   c a p a b il it y   re g a rd in g   e n e rg y   e ff ic i e n c y ,   th e   d e v e lo p e d   T I,   b e in g   v a li d a ted   b y   si m u latio n   a n d   e x p e ri m e n t,   e ra d ica ted   th e   lea k a g e   c u rre n t.   K ey w o r d :   L ea k ag c u r r en   Z er o - cr o s s in g   d is to r tio n     Galv a n ic  is o latio n     T r an s f o r m er les s     P h o to v o ltaic   Co p y rig h ©   201 In s t it 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 :   T ar ek   Selm i,    Facu lt y   o f   E n g i n ee r i n g ,   So h ar   Un i v er s it y ,   T h Su ltan a te  o f   O m an .   E m ail: t s el m i@ s o h ar u n i.e d u . o m       1.   I NT RO D UCT I O N     T r an s f o r m er les s   i n v er ter s   ( T I s )   ar f o u n d   to   b m o r e   en er g y   ef f icie n t,  h i g h l y   e f f ec tiv e   an d   p er f ec tl y   co m p ac t   co m p ar ed   to   r eg u lar   in v er ter s   eq u ip p ed   w it h   h i g h   f r eq u en c y   o r   lo w   f r eq u en c y   tr a n s f o r m er s .   T h o u g h   th f i n p er f o r m a n ce s   o f   s u c h   T I s ,   th eir   in teg r atio n   i n   P s y s te m s   h a s   r ev ea led   s o m s h o r tco m i n g s .   T h leak ag e   cu r r en cir cu la tio n ,   o cc u r r in g   w h en   th tr an s f o r m e r   is   o m it ted   d u t h g alv a n ic   n o n - is o lat io n ,   i s   a   t y p ical  ex a m p le  o f   t h ese  d r a wb ac k s   [ 1 ] - [ 4 ] .   T h is   is   to   s a y   t h at  ev en   t h o u g h   T I s   ar th m o s to p o lo g ies  b ein g   u s ed   n o w ad a y s   i n   p h o to v o ltai ap licatio n s   d u e   to   t h eir   h i g h   ef f icie n c y ,   s m all   s ize   an d   lo w   w ei g h t a v o id in g   th g r id - s id o r   th D C - s id tr an s f o r m er   r eq u ir es   s o m m o d u latio n   tech n iq u es  ap p lied   to   n o v el  to p o lo g ie s   i n   o r d er   to   m i tig a te  D C   c u r r en co m p o n e n t s   f r o m   th e   g r id   a n d   th e   leak a g c u r r en t   t h at  ta k es   p lace   b et w ee n   th e   P m o d u le  a n d   th g r o u n d .   Giv e n   t h at  Vo lta g So u r ce   I n v er ter s   ( V SIs)   d is p la y   h i g h   p o w er   f ac to r   o w i n g   to   p u ls e   w id th   m o d u lated   ( P W M)   co n tr o s tr ateg ies   b ein g   i m p le m en ted ,   t h e y   ar k n o w n   to   b t h m o s i n v e r ter s   u t ilized   i n   p h o to v o ltaic  ap p licatio n s   [ 5 ] - [ 8 ] .   Nee d less   to   s ay ,   t h cu r r en s o u r ce   in v er ter s   ( C SIs)   ar b ein g   u s ed   f o r   m ed iu m   a n d   h i g h   p o w er   ap p licatio n s   i n   g e n er al.     So   f ar ,   n u m er o u s   f a m o u s   to p o lo g ies  h a v b ee n   in v e n ted ,   test ed   an d   ar cu r r en tl y   co m m er ciall y   av ailab le.   As  co m m o n l y   r ep o r ted   in   t h e   liter at u r e,   th e   e n u m er ated   VSI   to p o lo g ies  ar class i f ied   i n to   t w o   f a m ilies I n v er ter s   i n clu d i n g   tr an s f o r m er s ,   n o   m at ter   it  is   H o r   L tr a n s f o r m er   a n d   th in v er ter   w h er t h tr an s f o r m er   is   o m itted   k n o w n   as “ T r an s f o r m er les s   in v er ter   [ 9 ] - [ 1 1 ] .      B y   m ea n s   o f   HF   tr an s f o r m er ,   t h s o - ca lled   Fl y b ac k   t o p o lo g y   is   g a lv a n icall y   is o la ted .   Su c h   to p o lo g y ,   w h er t h o u tp u t er m in a ls   ar b ein g   co n n ec ted   to   ce n ter - tap p ed   tr an s f o r m er ,   d ep lo y s   lo p o w er   in v er ter .   T h e   tr an s f o r m er   o u tp u ts   ar f ee d i n g   th r es o f   th cir c u it  [ 12 ] .   T h m ai n   s h o r tco m i n g   o f   th i s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1733     1 7 4 4   1734   to p o lo g y   i s   th at  t h ze r o - cr o s s in g   d is to r tio n   p h en o m e n o n   h a s   n o b ee n   eli m in a ted .   Fu r th er m o r e,   t h is   to p o lo g y   is   b u l k y   a n d   b ig   in   s ize  d u to   th elec tr o l y tic  ca p ac i to r s   h av i n g   lar g v al u es.      [ 13] , [ 1 4 ]   d ev elo p ed   n o v el  to p o lo g y   i n cl u d es  b u ck - b o o s ch o p p er   w h ich   m i n i m ized   th s ize  o f   th elec tr o l y tic  ca p ac ito r s   a n d   th u s   it  i m p r o v ed   t h co m p ac tn es s   o f   t h to p o lo g y .   T h p r o p o s ed   to p o l o g y   i n   [ 13] , [ 1 4 ]   is   in s p ir ed   f r o m   t h e   Fl y b ac k   to p o lo g y   a n d   is ,   n o n eth e less ,   h ar m ed   b y   v o ltag e   s p ik e s   d u to   t h e   leak ag i n d u c tan ce   o f   t h tr an s f o r m er   [ 15 ] .   Hav in g   s aid   th a t,  [ 15 ] ,   d ev elo p ed   q u ite  en h an ce d   to p o lo g y   b y   u s i n g   d u al   s w itc h   i n v er ter   i n s tead   o f   th e   s i n g le - s w itc h   o n b ein g   u s ed   i n   t h to p o lo g y   o f   [ 13] , [ 1 4 ] .   Su ch   m o d i f ied   to p o lo g y   is   t h s o - ca lled   “m o d i f ied   S h i m izu   i n v er t er ”  [ 15 ] .     T h is o lated   in v er ter   av ailab le  in   p ar allel - p ar allel  co n f i g u r atio n ,   as  s u g g ested   in   [ 16 ] ,   ca n   b e   r ec o g n ized   as  tr an s f o r m er - eq u ip p ed   to p o lo g y .   I is   a n   i n v er ter   to p o lo g y   w h er th o u t p u ter m i n al s   o f   t h e   co n v er s io n   s ta g es  ar in ter co n n ec ted   i n   s e m i - p ar allel  w a y   to   th o u tp u ter m in a ls   o f   t h tr an s f o r m er .   I n   th i s   to p o lo g y ,   ea c h   s ta g is   d ev o te d   to   o n h alf - c y cle.       B o th   Nag ao   an d   Har ad s u g g ested   in   [ 17 ]   d if f er en d esi g n   o f   th co n v e n tio n al  Fl y b a ck   in v er te r   to p o lo g y   th a i s   b ased   o n   b o th ,   s er ial   an d   p ar allel   in ter co n n ec t io n s .   S u ch   in v er ter   u s e s   n u m b er   o f   t w o   in d ep en d en F l y b ac k   co n v er te r s   w h er th eir   o u tp u ts   ar li n k ed   in   s er ies  to   th g r id w h er e as,   th eir   in p u ts   ar e   lin k ed   in   p ar allel  to   p h o to v o lt aic  m o d u le.   Desp ite  t h h u g n u m b er   o f     in v er ter s   to p o lo g ies  d e v elo p ed   s o   f ar   an d   t h at  m o s o f   th e m   ar co m m er ciall y   av a ilab le,   s till   t h n e u tr al  p o in cla m p ed   ( NP C ) ,   th HE R I C ,   t h H5   an d   th co n v e n tio n al  H - b r id g in v er ter s   ar th m o s t   k n o w n   to p o lo g ies  e x h ib iti n g   h i g h   e n er g y   e f f icie n c y   a n d   q u ite  lo w   lea k ag e   cu r r en le v el.   R e g u lar l y ,   th H - b r id g T I ,   b ein g   co n s tit u te d   o f   t w o   b r an ch e s   o f   tr an s is t o r s ,   is   d ep lo y ed   in   v ar iab le  s p ee d   d r iv es  f o r   UP S   p o w er   s u p p lies   a n d   A C   m o to r s   as  w ell.   T h tech n iq u e s   o f   t h d if f er en P W co u ld   b i m p le m e n ted   [ 18 ]   w it h   r eg ar d   to   it s   s tr ateg ies  o f   co n tr o l.  T h in v er ter   o u tp u t   v o lta g h as   s h o wn   lar g f l u ctu a tio n s   p r o d u cin g   a   co n s id er ab le  lea k a g c u r r en t   th r o u g h   t h p ar asi tic  ca p ac it a n ce s ,   w h ic h   co u ld   tak p lace   if   p ath   b et w ee n   t h ea r th   a n d   th P m o d u le  ex is t s .   I n   o r d er   to   less en   th is   leak ag c u r r en t,  a n   L C L   f ilter ,   is   i n   g en er al  i n s er t ed .     Su n w a y s   i n tr o d u ce d   T h HE R I C   T I   th at  b len d s   t h ad v a n tag e s   o f   b o th   th u n ip o lar   m o d u latio n   ( h av i n g   h i g h l y   e f f icie n t)   an d   th b ip o lar   o n ( h av i n g   lo w   leak ag c u r r en t)   [ 19 ] .   T h is   i n v er ter   to p o lo g y   i s   b ased   o n   th co n v e n tio n al  f u l l - b r id g to p o lo g y   w it h   an   ex t r A C - b y p as s   b r an ch .   T h r o u g h o u t h s eq u e n ce s   o f   f r ee w h ee l in g ,   a n   e x tr t wo - tr an s is to r   b r an c h   i s   d ep lo y ed .   On o f   t h t w o   tr an s is to r s   is   s w i tch ed   ON;   m ea n w h i le,   th f o u r   H - b r id g e   tr an s is to r s   ar s w itc h ed   OFF   d u r in g   ev er y   h al f   c y cle  i n   s u ch   w a y   t h g r id   g ets  co m p letel y   d is co n n ec ted   f r o m   t h P s o u r ce   a n d   t h e   en er g y   r e m a in s   at  t h lo ad   s id e.   Un ti d ate,   t h HE R I C   to p o lo g y   is   co n s id er e d   o n o f   th b est  in v er ter   to p o lo g ies  i n   ter m s   o f   en er g etic  ef f icie n c y   a n d   p o w er   q u alit y .     I n   [ 20 ] ,   C alais  et  al.   d ev elo p ed   to p o lo g y   al s o   b ased   o n   t h co n v en tio n al  f u ll  b r id g with   f i f t h   tr an s i s to r   at  th DC   s id to   co m p lete l y   d is co n n ec t h DC   s o u r ce   f r o m   t h g r id .   T h d e v elo p ed   to p o l o g y   is   th s o - ca lled   H5   T I .   Su ch   to p o lo g y   e x h ib it s   q u ite  h i g h   en er g etic  ef f ic ien c y   b u t i t is p e n alize d   b y   r elati v el y   h ig h   lea k ag c u r r en t le v el.   An   o th er   w ell  k n o w n   to p o lo g y   ca lled   th n e u tr al  p o in cla m p ed   ( NP C )   T I   h as  b ee n   d ev elo p ed   b y   R ah m a n   a n d   Z a h o n g   s u g g e s te d   in   [ 21 ] .   I n   s u c h   to p o lo g y ,   t h t w o   o u tp u ter m i n als   o f   th in v er ter   ar b ei n g   cla m p ed   to   m id d le  o f   t h D C   b u s .   S u ch   to p o lo g y   i s   ac k n o w led g ed   to   h av less e n ed   r ip p le   cu r r en t,  lo w   s w itc h in g   lo s s es,  a n d   th r ee   le v el  v o lta g e s .   T h latter   r ed u ce s   in   r et u r n   t h o u tp u f ilter   s ize.   I n   ad d itio n ,   th e   in v er ter   is   c h ar ac ter ized   b y   p o w er   f ac to r   clo s to   th u n it y .   Ho w e v er ,   th NP C   in v er ter   r eq u ir es  h ig h   DC   v o ltag at  it s   i n p u ter m in a ls ,   v o ltag e.     Sel m i   et   al.   p r o p o u n d ed   in   [ 22 ]   an   i n v er ter   to p o lo g y   w it h   n o   tr a n s f o r m er   f o r   p h o to v o ltaic   ap p licatio n s .   T h is   to p o lo g y   d is p la y s   lo w   lea k a g cu r r en t,  h ig h er   s ta n d ar d s   o f   ef f icie n c y   a n d   n ea r l y   n u ll   ze r o - cr o s s in g   d is to r tio n .   T h e   d ev elo p ed   to p o lo g y .   C o m p ar ed   to   th f u ll - b r id g to p o lo g y ,   t h d ev elo p ed   to p o lo g y   h as  t w o   ex tr tr an s i s to r s   in s er ted   at  t h A C   s id t o   d is co n n ec th i n v er ter   f r o m   th g r id   w h e n   th e   ze r o - v o ltag o f   th co n tr o s tr ateg y   i s   ap p lied   to   th f o u r   m a in   tr a n s i s to r s   o f   t h to p o lo g y .   T h co n tr o s tr ateg y   o f   s u c h   to p o lo g y   h a s   b ee n   i m p le m e n ted   b y   m ea n s   o f   lo w   co s m icr o co n tr o lle r ,   w h ic h   m in i m izes  th co s t o f   t h in v er ter .     I n   lig h o f   th ab o v e,   th i s   p ap er   an aly s es  t h o r ig in   o f   t h co m m o n - m o d v o lta g an d   leak ag e   cu r r en th r o u g h   t h s tar y   ca p ac itan ce s .   T h a n al y s i s   w a s   b ased   o n   th e   co n v en t io n al  f u ll - b r id g e   i n v er ter   to p o lo g y   f r o m   w h ic h   all  to p o lo g ies  li s ted   n e x ar d er iv ed .   I n   an   atte m p to   s o l v th p r ev io u s l y   m e n tio n ed   s h o r tco m i n g s ,   th i s   p ap er   p r esen t s   n o v el  tr an s f o r m e r l ess   in t v er ter   to p o lo g y   ch ar ac ter ized   b y   h i g h t   ef f icien c y ,   n u ll  lea k ag c u r r en le v el  an d   p u r s in e w a v h a v i n g   n o   ze r o - cr o s s i n g   d is to r tio n s .   T h p r o p o s ed   to p o lo g y   h as  b ee n   c o m p ar ated   to   m o s f a m o u s   tr an s f o r m er les s   to p o lo g y   a n d   s lig h s u p er io r it y   i n   ter m s   o f   leak a g c u r r en le v el  an d   ze r o - cr o s s i n g   d i s to r tio n   h as  b ee n   o b tain ed .   T o   co n f ir m   its   s u p er io r it y   o v er   ex is t in g   T I s ,   t h p r o p o s ed   to p o lo g y   h as   b ee n   s i m u lated   a n d   th o b tai n ed   r es u lts   h a v e   b ee n   co m p ar ed   to   t h o s o f   th HE R I C   an d   a n d   ex p r er im en tall y   v alid ated .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   N o ve l D C - A C   I n ve r ter To p o lo g to   E limin a te   Lea ka g C u r r en t ( Ta r ek   S elmi)   1735   2.   L E AK A G E   CURR E N T   VE RSUS CO M M O M O DE   V O L T A G E   2 . 1 .   T ra ns f o r m er - B a s ed  I nv er t er s   As ill u s tr ated   in   Fig u r e   1 ,   th i n v er ter   is   eq u ip p ed   w it h   tr an s f o r m er   at  t h A C   s id e.             Fig u r 1 .   T r an s f o r m er - b ase  i n v er ter   to p o lo g y       As  f o r   P co n v er s io n   s y s te m s ,   t h e   f r eq u en i m p le m e n tat io n   o f   ca p ac itan ce   lea k a g e   is   ai m ed   at   ac co u n ti n g   t h p ath   o f   t h cu r r en b et w ee n   P m o d u les   an d   th g r o u n d   [ 23 ] , [ 2 4 ] .   T h is   cu r r en is   n o th i n g   b u t   th co m m o n - m o d cu r r en I cm .   Fig u r 2   illu s tr ates  al p o s s ib l p ath s   t h at  ca n   o cc u r   b e t w ee n   th g r o u n d   an d   t h P co n v er s io n   s y s te m   i n cl u d i n g   P m o d u les.           Fig u r 2 .   B asic sin g le - p h ase  P s y s te m   to p o lo g y   in cl u d i n g   p ar asit ic  ele m e n ts       T h p ar asit ic  ca p ac itan ce ,   C PV - t,   s h o w n   in   Fi g u r 2   r ep r esen t s   th p at h   b et w ee n   t h g r o u n d   ( ea r th )   an d   th P s y s te m .   T h v a lu o f   s u c h   ca p ac ita n ce   d ep en d s   o n   m an y   p ar a m eter s   s u c h   as   h u m id it y ,   d u s co v er i n g   th P m o d u le,   etc.   I n   F ig u r 2 ,   th ca p ac itan ce s   C A - an d   C B - r ep r esen th p ar a s itic  ca p a citan ce s   b et w ee n   t h e   in v er ter   o u tp u ter m in a ls   an d   ea r th .   An o th er   ca p ac ita n ce   w h ic h   is   o f   g r ea i m p o r ta n ce   ex is t s   b et w ee n   t h e   co n n ec tio n s   p o in t s   o f   ea r t h   an d   th n et w o r k   i s   r ep r esen ted   b y   Z CT - Rt .   Fi n all y ,   t h p h ase,   n e u tr al  a n d   tr an s f o r m er   s tr a y   ca p ac ita n ce   ar r ep r esen ted   r esp ec tiv el y   b y   Z p ,   Z n   a n d   C tr .   Fo r   in v er ter s   eq u ip p ed   w ith   tr an s f o r m er ,   n o   m atter   it   is   HF  o r   L F   tr an s f o r m er ,   th e   co m m o n - m o d e   cu r r en I cm   f i n d s   its   p at h   t h r o u g h   th e   tr an s f o r m er s   s tr a y   ca p ac itan ce   C tr .   I i s   w el k n o w n   i n   l iter at u r t h at  s u c h   in v er ter s   ar in   g en er al  ch ar ac ter ized   b y   h i g h   i m p ed a n ce s   le v els  f o r   f r eq u en cie s   less   th a n   5 0 Hz.   T h er ef o r e,   th e   v ar iatio n   o f   t h co m m o n - m o d v o ltag is   i n   g e n er al  in s ig n i f ica n lead in g   th er e f o r to   v er y   lo w   le v el  o f   th e   leak ag e   cu r r e n t.  A cc o r d in g l y ,   it  i s   i n   g en er al   m ea n i n g les s   to   tal k   ab o u leak a g c u r r en o r   co m m o n - m o d e   v o ltag f o r   tr an s f o r m er   b ased   in v er ter s   [ 25 ].   S 3       S 1             S 2                   S 4 C P V                             G r i d P V F i l t e r + A B L I 2 I 1 N P V P V S 3       S 1             S 2                   S 4 C P V P V + A B L I 2 I 1 N P V P V C t r C t r C d m C c m C c m Z C t - R t L c m L c m Z p Z a C B t C A t T r L F C P V - t F i l t e r   E M I I c m Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1733     1 7 4 4   1736   2 . 2 .   I nv er t er s   w it h no   t ra ns f o r m er s   T ra ns f o r m er les s   Hav i n g   e li m in a ted   th tr a n s f o r m er   an d   b ased   o n   F ig u r e   2 ,   w h e n   S 1 - S 4   f r o m   o n s id a n d   S 2 - S 3   f r o m   th o th er   s id ar s w i tch ed   O N,   th V AN   eq u als  th v o ltag V PV   u n le s s   S 1   an d   S 4   ar tu r n ed   OFF.  I is   ca r r ie d   o u w h e n   t h p u ls m a g n it u d o f   th co n tr o s tr ateg y   eq u al s   to   V AN   w h ile  t h v o ltag V BN   is   ze r o .   Du r in g   t h e   n eg at iv c y cle,   th p h en o m en o n   is   m u c h   th s a m e.     Fo r   th s a k o f   m o r s i m p lific atio n ,   Fi g u r 3   s h o w s   r ed r aw i n g   o f   F ig u r 2 .   I n   Fi g u r e   3 ,   th v o lta g e s   b ein g   s u p p lied   b y   th i n v er ter   d u r in g   ea ch   h alf - c y cle  ar r ep r esen ted   t w o   p u l s e - b ased   g en er ato r s .          A B L 1 N C d m C c m C c m Z C t - R t L c m L c m Z p Z a C B - t C A - t L 2 F i l t e r   E M I C P V - t V A N V B N I c m     Fig u r 3 .   E lectr ic  cir cu it o f   th tr an s f o r m er les s   b ased   in v er t er       I n   Fig u r 3 ,   th f ilter   is   m o d i f ied   in   s u ch   w a y   t h in d u ct o r   L   is   d iv id ed   in to   t w o   o n es:   L 1   an d   L 2 w h er t h eir   s o m is   eq u al  to   L   ( L   =   L 1   L 2 ) .   I n   t h i s   ca s e ,   th e   d if f er en t ial - m o d c u r r en t   d en o ted   I dm   d o esn t   ch an g e.   I n   f ac t,  I cm /2   cir cu late s   t h r o u g h   th e   i n d u cta n ce   L 1 .   As  f o r   L 2 ,   t h s a m e   p h e n o m e n o n   o cc u r s .   T h er ef o r e,   th t w o   v o lta g es  V AN   a n d   V BN   ar r ep r esen ted   n ex t:     cm V dm V AN V 2   ( 1 )     cm V dm V BN V 2   ( 2)     T h an al y s i s   o f   Fi g u r 3   co u ld   b r ed r aw n   as  s h o w n   in   Fi g u r 4 .   I n   th is   ca s e,   C A - a n d   C B - t h at  ar e   b r o ad ly   s m all  i n   s ize  ( Fe w   h u n d r ed   o f   p F).   A s   s u c h ,   t h b r an ch   i n clu d i n g   C pv   is   k n o w n   to   d o m i n ate  t h b r an ch es c o n ta in i n g   th o s t w o   ca p ac ito r s   [ 26 ].           Fig u r e   4.   E q u iv ale n t c ir cu it o f   th T r an s f o r m er le s s   F u ll - b r id g in v er ter   to p o lo g y     A B L 1 N L 2 C P V - t V d m / 2 - V d m / 2 V c m K C d m R L c m Z p Z a L c m Z C t - R t C c m C c m C A - t C B - t V d m / 2 - V d m / 2 A M S B Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   N o ve l D C - A C   I n ve r ter To p o lo g to   E limin a te   Lea ka g C u r r en t ( Ta r ek   S elmi)   17 37   Kn o w i n g   t h at  th g r id   f r eq u e n c y   is   s m a ll  co m p ar ed   to   th s w itc h in g   f r eq u e n c y   o f   t h i n v er ter   f r o m   o n s id an d   co n s id er in g   t h s m al i m p ed a n ce   o f   t h n et wo r k   w i th   r e s p ec to   L ,   ( L 1   L 2 ),   an d   L cm ,   f r o m   t h o th er   s id e,   o n ca n   n e g lect  t h e   in f l u en ce   o f   t h n et w o r k   o n   t h co m m o n - m o d cu r r en t.  I n   l ig h o f   th e   p r ev io u s ,   s i m p le  ap p licatio n   o f   t h el ec tr ic  cir cu it  t h eo r e m s ,   s u ch   as  th s u p er p o s itio n   th eo r e m ,   T h év en i n s   t h eo r e m   an d   th v o lta g d iv id er   r u le  b et w ee n   th t w o   p o in ts   an d   co u ld   ea s il y   lead   to   th eq u iv ale n cir cu it  s h o w n   in   Fi g u r e   5 .                 Fig u r 5 .   A   v er y   s i m p le  r ep r esen tatio n   o f   th tr a n s f o r m er le s s   b ased   f u ll - b r id g in v er ter   to p o lo g y       I n   li g h o f   t h ab o v a n al y s i s ,   it  tu r n s   o u t   th a i n   o r d er   to   in v esti g a te  t h lea k a g c u r r en t h r o u g h   t h e   p ar asit ic  ca p ac itan ce ,   o n ca n   s i m p l y   s t u d y   t h cir cu it  o f   Fi g u r e   5   g i v en   ab o v e.   I n   s u c h   f i g u r e,   r ec eiv e s   t w o   s u p p l y   v o lta g e s th o s v o lta g e s   ar V CM   a n d   V e   r esp ec tiv el y .   I f   th v o lta g b et w ee n   th t w o   ter m i n al s   o f   C p v   i s   co n s ta n t,  t h c u r r en th r o u g h   it  i s   e v id en tl y   n u ll  [ 2 7 ] .   T o   ad d   to   th at,   o n ca n   co n cl u d th at  d i v id in g   th e   in d u cto r   L   i n to   t w o   i n d u cto r s   L 1   an d   L 2   eq u ate s   th v o ltag V e   to   ze r o .   Fin all y ,   it  tu r n s   o u th at  t h leak a g e   cu r r en t is  f u n ct io n   o n   t h co m m o n - m o d v o ltag e,   V CM  ,   o n l y .       3.   DE V E L O P E T I   T O P O L O G Y   As  in v es tig a ted   w i th i n   t h p r ev io u s   s ec tio n s ,   m o s T I   to p o lo g ies,  s u c h   as  t h H5 ,   th H E R I C ,   th e   NP C ,   etc,   ar b ased   o n   th co n v en tio n al  f u l l - b r id g to p o lo g y   w it h   s o m tr a n s f o r m at io n s   an d   ad o p tin g   d if f er e n co n tr o s tr ateg ie s .   Mo s p r o b a b ly ,   an   ex tr b r an c h   co n s is tin g   o f   at  least  o n tr an s is to r   ( H5   to p o lo g y )   is   to   b ad d ed .   Ho w e v er ,   ad d in g   e x tr s w itc h es  d ec r ea s e s   th ef f icie n c y   o f   t h i n v er ter   d u to   co n d u ctio n   a n d   s w itc h in g   lo s s e s .   T o   ad d   to   th at,   ea ch   ex tr b r an ch   r eq u ir es  co n tr o s tr ateg y   w h ich   is   i n   g en er al  co m p licate d   en o u g h .     W h at  w o u ld   b s tr ess ed   h er is   th m aj o r   r atio n ale  f o r   in s er t in g   b y p a s s   b r an c h .   I is   ac t u all y   ai m ed   at  d is co n n ec ti n g   th th i n v er ter   f r o m   t h elec tr ic  n et w o r k   w h en e v er   th ze r o   v o ltag o f   th co n tr o is   i m p le m en ted .   Ho w ev er ,   s ti ll  t h A C   o u tp u s i g n al  is   d is to r t ed   w h e n   cr o s s i n g   t h ti m es  a x is   e v en   t h o u g h   th e   d is co n n ec t io n   is   q u ite  s h o r t.  Giv e n   th f ac th at  it  i m p ac t s   th p o w er   q u ali t y ,   T I   d esig n er s   h av g e n er all y   er ad icate d   th is   d ef ec t.  T h s u g g e s ted   to p o lo g y   co m p e n s ate s   f o r   s u c h   s h o r tco m i n g   w h ic h   also   in cl u d es  th e   er ad icatio n   o f   th c u r r en t le a k ag e.             3 . 1 .   T he  P ro po s ed  T o po lo g y :   Ana ly s is   a nd   inv estig a t io n   Fig u r 6   is   an   ill u s tr atio n   o f   t h p r o p o s ed   to p o lo g y :   N L 1 / L 2 C P V - t V c m L c m Z C t - R t C c m V e = V d m ( L 2 - L 1 ) / 2 ( L 2 + L 1 ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1733     1 7 4 4   1738       Fig u r e   6 .   P r o p o s ed   tr an s f o r m e r less   in v er ter   ( T I )   t o p o lo g y       R ef er r i n g   to   th d is c u s s io n s   o f   th p r ev io u s   s ec tio n s   o f   th is   p ap er ,   it  is   w o r th   m en t io n i n g   t h at  th e   leak ag c u r r en o cc u r s   n o u n les s   th co m m o n   m o d v o lt ag is   i n co n s ta n t.  T h co m m o n - m o d v o lta g is   b ein g   m ea s u r ed   b et w ee n   t h p o s itiv ter m i n al  o f   t h D C   b u s   a n d   t h m id p o in o f   t h lo ad .   I tu r n s   to   b e   al m o s t c o n s ta n t le ad in g   to   n u ll lea k ag c u r r en t.    Hav i n g   s aid   t h at,   w h e n   t h p a ir   S 1 - S 4   s w i tch e s   at  h ig h   f r eq u en c y ,   t h cu r r e n f in d s   its   p a th   t h r o u g h   D 1 ,   S 1 ,   S an d   t h f ilter ,   as  s h o w n   in   Fi g u r 7 .   T h f r ee w h e elin g   p h e n o m e n o n   i s   ac h iev ed   th r o u g h   tr a n s i s to r s   S 1   an d   S 2 .   As  ill u s tr ated   in   Fi g u r 8 ,   th cu r r en f i n d s   it s   w a y   th r o u g h   th f ilter i n g   cir c u it r y ,   d io d es  o f   S a n d   D 4 ,   r esp ec tiv el y .   As  s u c h ,   th e   p o w er   s ta y s   at  t h A C   s id an d ,   in   r etu r n ,   n o ticea b l y   i m p r o v es  th i n v er ter s   ef f icien c y ,   b ein g   m atch ed   to   t h co n v e n tio n al  f u l l - b r id g i n v er ter .                   Fig u r 7 .   P ath   o f   th cu r r en t ( So lid )   o f   th p r o p o s ed   to p o lo g y   d u r in g   t h p o s itiv h al f - c y cl e   S 2           S 1             D 2               D 3 D 4             S 3           S 4         L / 2           L / 2         C       R 1             R 2 P V           D 1 S 2           S 1             D 2               D 3 D 4             S 3           S 4         L / 2           L / 2         C       R 1             R 2 P V           D 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   N o ve l D C - A C   I n ve r ter To p o lo g to   E limin a te   Lea ka g C u r r en t ( Ta r ek   S elmi)   1739       Fig u r 8 .    P ath   o f   th cu r r en t   d u r in g   t h f r ee w h ee li n g   p er io d       T h r o u g h o u th n e g ati v h al f - c y cle  o f   th lo ad   p er io d ,   p air   S 1 - S 4   is   tu r n ed   OFF.  Me an w h ile,   S 2   an d   S 3   ar s w itc h i n g   at  h ig h   f r eq u en cie s .   As  ill u s tr ated   in   Fi g u r 9 ,   th cu r r en f r o m   th D C   s o u r ce   to   th g r id   f lo w s   t h r o u g h   t h f ilter ,   S 3 , S an d   th d io d D 2 .   Nex t,  m o s t   f a m o u s   T I   to p o lo g ies  h a v b ee n   s i m u lated   a n d   co m p ar ed   to   t h s i m u lati o n   r es u lt s   o b tain ed   f o r   th p r o p o s ed   T I   t o p o lo g y .   T h is   is   ai m ed   at  h ig h lig h ti n g   t h p o ten tial ities   o f   th later .           Fig u r 9 .   P ath   o f   th cu r r en t d u r in g   t h n e g ati v h al f - c y c le     S 2           S 1             D 2               D 3 D 4             S 3           S 4         L / 2           L / 2         C       R 1             R 2 P V           D 1 S 2           S 1             D 2               D 3 D 4             S 3           S 4         L / 2           L / 2         C       R 1             R 2 P V           D 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1733     1 7 4 4   1740   4.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   T h H5 ,   th f u ll - b r id g e,   th H E R I C   an d   t h p r o p o s ed   to p o lo g ies  h a v b ee n   s i m u lated   a n d   th o u tp u t   v o ltag e,   t h lo ad   v o ltag a n d   th leak a g cu r r e n t h a v b ee n   co m p ar ed ,   r esp ec tiv el y   Fig u r 1 0   s h o w s   t h o u tp u wav ef o r m s   o f   th e   f u ll - b r id g e   T I   u n d er   u n ip o lar   P W co n tr o s tr ateg y .   Su c h   to p o lo g y   e x h ib its   ce r tai n l y   h ig h   le v el  o f   th e   leak a g cu r r en b ei n g   h i g h er   t h a n   all  t h I E E E   s tan d ar d s .   Mo r eo v er ,   th is   to p o lo g y   h a s   n o t r em o v ed   th ze r o - cr o s s i n g   d is to r tio n .             ( a)     ( b )     ( c)     Fig u r 1 0 .   ( a)   th Fu ll - B r id g in v er ter   o u tp u t v o lta g e ; ( b )   th e   lo ad   v o ltag e ; ( c)   th leak a g c u r r en t       T h HE R I C   to p o lo g y ,   ch ar ac ter ized   b y   lo w   leak a g cu r r en lev el,   b ein g   less   t h an   5 m A,   is   th e   s ec o n d   to p o lo g y   b ein g   i n s p ir ed   f r o m   th e   f u l l - b r id g e   T I   to p o lo g y .   J u s l ik e   f u ll - b r id g e   to p o lo g y ,   t h HE R I C   th to p o lo g y   d id   n o s o lv t h e   p r o b lem   o f   th ze r o - cr o s s i n g   d is to r tio n .   A   b est  i llu s tr atio n   o f   th at  i s   s h o w n   i n   Fig u r 1 1 .         ( a)     ( b )     ( c)     Fig u r 1 1 .   Selecte d   f ea tu r es o f   th HE R I C   in v er ter :   ( a)   I n v er ter   o u tp u t v o lta g e ; ( b )   th lo ad   v o ltag e;    ( c)   th leak ag c u r r en t   0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -5 0 -1 0 0 -1 5 0 50 100 150 I n v e rt e r_ V o l t a g e 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -5 0 -1 0 0 -1 5 0 50 100 150 v _ g ri d 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -2 -4 2 4 L e a k a g e c _ c u rre n t 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -5 0 -1 0 0 -1 5 0 50 100 150 I n v e rt e r_ v o l t a g e 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -5 0 -1 0 0 -1 5 0 50 100 150 V _ G ri d 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -0 . 0 0 2 -0 . 0 0 4 -0 . 0 0 6 0 . 0 0 2 0 . 0 0 4 0 . 0 0 6 L e a k a g e _ c u rre n t Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   N o ve l D C - A C   I n ve r ter To p o lo g to   E limin a te   Lea ka g C u r r en t ( Ta r ek   S elmi)   1741   L i k e w is e,   t h H5   T I   t o p o lo g y   i s   p en alize d   b y   q u ite  h i g h   leak a g cu r r en lev e th at  c o u ld   r ea ch   0 . 5 A ,   as  s h o w n   in   Fig u r 1 2 .   T o   ad d   to   th at,   th H5   to p o l o g y   p r esen t s   lo ad   v o ltag d is to r ted   at  th ze r o - cr o s s in g   p o in t.          ( a)     ( b )     ( c)     Fig u r 1 2 .   Selec ted   f ea tu r es o f   th H5   in v er ter :   ( a)   I n v er ter   o u tp u v o ltag e ;   ( b )   th lo ad   v o ltag e ;     ( c)   th leak ag c u r r en t       Un li k t h p r ev io u s l y   i n v esti g ated   to p o lo g ies,  th p r o p o s ed   to p o lo g y   h a s   s o l v ed   all  d r a w b ac k s   r elate d   to   T I   to p o lo g ies  s u c h   as  n u ll  leak a g c u r r en t,   h i g h   e f f ic ien c y   a n d   a   n u ll - ze r o   cr o s s in g   d is to r tio n .   Fig u r 1 3   s h o w s   t h o u tp u wav ef o r m s   o f   t h p r o p o s ed   T I   t o p o lo g y .           ( a)     ( b )     ( c)     Fig u r 1 3 .   Selecte d   f e atu r es o f   th p r o p o s ed   in v er ter :   ( a)   I n v er ter   o u tp u t v o lta g e ;   ( b )   th lo ad   v o ltag e ;     ( c)   th leak ag c u r r en t     0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -5 0 -1 0 0 -1 5 0 50 100 150 I n v e rt e r_ V o l t a g e 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -5 0 -1 0 0 50 100 v _ g ri d 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -0 . 5 -1 0 . 5 1 L e a k a g e c _ c u rre n t 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -5 0 -1 0 0 -1 5 0 50 100 150 I n v e r te r _ V o l ta g e 0 . 0 2 6 6 6 6 7 0 . 0 4 0 . 0 5 3 3 3 3 3 0 . 0 6 6 6 6 6 7 0 . 0 8 T i m e   ( s ) 0 - 5 0 - 1 0 0 - 1 5 0 50 100 150 V _ G r i d 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -0 . 0 0 2 -0 . 0 0 4 -0 . 0 0 6 0 . 0 0 2 0 . 0 0 4 0 . 0 0 6 L e a k a g e c _ c u rre n t Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   4 Dec em b er   2 0 1 8     1733     1 7 4 4   1742   On s h o u ld   s tr e s s   t h f ac t h at  th ac h ie v e m en o f   an   a s to u n d in g   p er f o r m a n ce   o f   th p r o p o s ed   to p o lo g y   d o es  n o r eq u est  co m p licated   cir cu it s   to   cr ea te  co n tr o s tr ateg y   o f   t h i n te n d ed   P MW .   I d o es  n o ev en   n ee d   a n y   ex tr s w itc h i n g   d ev ice s .   T o   m a k i p o s s ib l to   attain   a   co n s tan t   co m m o n   m o d v o lta g e,   o n m u s t   g u id t h c u r r en t   u p o n   t h c o r r esp o n d in g   p er io d   as   well  as   cla m p   t h m id p o in o f   t h lo ad   to   tr an s is to r   S 2 .   As s u ch ,   t h cu r r en t le ak a g tu r n s   to   b n u ll.  T h is   ac t u all y   p r o v id es th b en e f it o f   en er g y   ef f icie n c y .       Giv e n   th a it  i s   eq u ip p ed   w it h   m o d u le  o f   P W p o w er ,   lo w   co s m icr o co n tr o ller   1 8 F2 3 3 1   is   u s ed   to   im p le m e n th co n tr o s tr at eg y .   A cr o s s   its   P OR T   B ”,   s u ch   m icr o co n tr o ller   ca n   ac tu all y   cr ea te  u p   to   f o u r   in d ep en d en P W s ig n a ls .   T h ese  ar o u tp u p in s   R B 0 ,   th r o u g h   R B 3 ,   r esp ec tiv el y .     An   I GB T   d r iv er   h av i n g   in d ep en d en h i g h   an d   lo w   s id r ef er en ce d   o u tp u c h an n els   ( I R 2 1 1 0 S),   MO SF E T   o f   h ig h - s p ee d   p o w er   a n d   a   h ig h   v o lta g ar d ep lo y ed   to   en h a n ce   t h s ig n al s   o f   th e   P W M,   w h ich   ar g e n er ated   f r o m   t h m icr o co n tr o ller   its el f .   T h is   is   ai m ed   at  co n tr o llin g   t h f o u r   tr an s is to r s   I R F8 4 0   o f   th s u g g ested   to p o lo g y .     A   p u r s i n w av v o ltag t h r o u g h   t h lo ad   w it h o u an y   ze r o - cr o s s i n g   d is to r tio n   ( ch an n el  1 )   all  alo n g   w it h   t h lea k a g cu r r e n w h i ch   w as  eq u ated   to   ze r o   ( ch a n n el   2 )   is   ill u s tr ated   in   F ig u r 1 4 .   T h lo ad   an d   in v er ter   v o lta g es  ar d ep icted   in   Fi g u r 1 5 w h er ea s ,   th FF T   o f   th lo ad   v o ltag ( C h an n e M)   is   d is p lay ed   in   Fig u r 1 6 .   Si g n if y i n g   t h s i n g le  f r eq u e n c y   co m p o n en o f   t h o u tp u t   s i g n al,   t h e   o n s i n g le   s p ik e   at  th e   5 0   Hz   lev el  is   i n d ee d   d ep icted   in   T h FF T   an al y s i s .           Fig u r 1 4 .   Fro m   to p   to   b o tto m : L o ad   v o ltag a n d   leak a g cu r r en t           Fig u r 1 5 .   Fro m   to p   to   b o t to m : L o ad   an d   in v er ter   v o lta g es   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.