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.   8 ,   No .   3 Sep tem b er   201 7 ,   p p .   12 30 ~ 12 37   I SS N:  2088 - 8 694 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v 8 i 3 . pp 12 30 - 12 37     1230       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JP E DS   Five - l ev el  PWM I nv erte r w ith  a  Si ng le DC  Pow er Source f o DC - A C P o w er Conv ersio n       Su ro s o 1 ,   Abdu lla Nur  Aziz 2 ,   T o s hih i k o   No g uch i 3   1 De p a rtme n o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   Je n d e ra S o e d irm a n   Un iv e rsity ,   In d o n e sia   2 De p a rtme n o f   P h y sic s,  Je n d e ra S o e d irm a n   Un iv e rsity ,   In d o n e sia   3 G a r a d u a te S c h o o o f   En g i n e e rin g ,   S h izu o k a   Un iv e rsit y ,   Ja p a n       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 1 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   A u g   1 3 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   A u g   23 ,   2 0 1 7       T h is  p a p e p re se n ts  a   c ircu it   c o n f ig u ra ti o n   o f   f iv e - le v e P W M   v o lt a g e - so u rc e   in v e rter  d e v e lo p e d   f ro m   th e   th re e - lev e H - b rid g e   in v e rter  u sin g   o n l y   a   sin g le   DC  in p u p o w e so u rc e .   I n   t h e   p ro p o se d   f iv e - lev e in v e rter,  a n   a u x il iary   c ircu it w o rk in g   a th e   v o lt a g e   b a lan c in g   c ircu it o f   th e   in v e rter’s   DC  c a p a c it o rs  is  p re se n ted .   T h e   a u x il iar y   c ircu it w o rk   to   k e e p   s tab le  DC   c a p a c it o v o lt a g e o f   th e   in v e rter,   a n d   a lso   to   re d u c e   th e   c a p a c it o siz e   o th e   in v e rter.  T h e   u n iq u e   p o i n o f   th e   p ro p o se d   b a la n c in g   c ircu it is  th a it   n e e d o n ly   a   sin g le  v o lt a g e   se n so t o   c o n tr o t h e   v o lt a g e o f   th e   tw o   c a p a c it o rs  i n   th e   in v e rter.  M o re o v e r,   a   m in i m u m   n u m b e th e   in v e rter’s   s w it c h in g   d e v ice s   is  a lso   a n   i m p o rtan f e a tu re   o f   th e   p ro p o se d   in v e rter  to p o l o g y .   si m p le   p ro p o rti o n a in teg ra c o n tr o ll e i a p p li e d   to   c o n tr o t h e   v o lt a g e   o f   th e   DC  c a p a c it o rs.  T h e   p ro p o se d   t o p o lo g y   is  tes ted   th ro u g h   c o m p u ter  sim u latio n   u sin g   P S IM   so f tw a re .   L a b o ra to ry   e x p e ri m e n tal  tes ts  we re   a lso   c o n d u c te d   to   v e ri fy   th e   p ro p o se d   i n v e rter  c ircu it s.  T h e   c o m p u ter  si m u la ti o n   a n d   e x p e ri m e n tal  tes re su lt sh o w e d   th a th e   p ro p o se d   b a lan c i n g   c ircu it w o rk s   p ro p e rly   k e e p in g   sta b le  v o lt a g e a c ro ss   th e   tw o   DC  c a p a c it o rs  o f   th e   in v e rter  u sin g   o n ly   a   sin g le  v o lt a g e   se n so r.   T h e   in v e rter  a lso   w o rk we ll   to   s y n th e siz e   a   f iv e - lev e P W M   v o lt a g e   w a v e f o rm   w it h   sin u so i d a l o a d   c u rre n t.   K ey w o r d :   B alan cin g   cir cu i ts   I n v er ter     Vo ltag s o u r ce   Co p y rig h © 201 7   I n s t it u te o f   Ad 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 :   Su r o s o   Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   J en d er al  So ed ir m a n   Un i v er s i t y ,   J l.  Ma y j en   S u n g k o n o   k m .   5 ,   Kali m a n ah ,   P u r b ali n g g a,   J a w T en g ah ,   I n d o n es ia.   E m ail: s u r o s o . te. u n s o ed @ g m a il.c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   C u r r en tl y ,   t h ap p licatio n   o f   th p o w er   i n v er ter   is   i n cr ea s i n g   in   m a n y   ar ea s   s u ch   a s   i n   in d u s tr ial   ap p licatio n   an d   i n   t h r en e wab le  en er g y   p o w er   co n v er s io n .   T h r esear ch   an d   d ev e lo p m en o f   th p o w er   in v er ter s   is   ad d r ess ed   to   m ee t   th n ee d   o f   th p o w er   in v er t er   h av in g   s o m m er its   s u c h   as  h ig h er   e f f icien c y ,   s m al ler   in   s ize   a n d   b etter   o u t p u q u alit y   o f   it s   o u tp u w a v e f o r m s .   I n   t h r en e w ab le  en er g y   p o w er   co n v er s io n   ap p licatio n   esp ec iall y   in   th p h o to v o ltaic  s y s te m ,   th p o w er   in v er ter   w o r k s   co n v er ti n g   th e   DC   o u tp u p o w e r   o f   th e   p h o to v o ltaic  s y s te m   i n to   AC   p o w er   to   s u p p l y   t h e   l o ad   o r   to   in j ec th p o w er   g en er ated   b y   th e   p h o to v o ltaic  s y s te m   i n to   th e   p o w er   u ti lit y   n et w o r k ,   in   ca s o f   th g r id   co n n ec ted   o p er atio n   [ 1 ] .   T h d ev elo p m en o f   th p o w er   co n v er ter   tech n o lo g y   i s   also   s u p p o r ted   b y   th f a s d ev e lo p m e n i n   p o w er   s e m ico n d u cto r   tech n o lo g y   s u ch   as  p o w er   MO SF E T s   an d   I GB T s   th at  m a k i n g   f a s ter   in   s w itc h in g   ch ar ac ter is tic s   o f   t h s w itc h es  an d   h i g h er   p o w er   ca p ab ilit y .     T h p o w er   i n v er ter s   tech n o l o g y   esp ec ial l y   m u ltil e v el  i n v er ter s   b o th   m u ltil e v el  v o lta g s o u r ce   in v er ter   ( VSI )   an d   m u lt il ev e l   cu r r en s o u r ce   i n v er ter s   ( C S I )   g iv m a n y   ad v a n tag e s   in   t h d ev elo p m e n o f   p o w er   in v er ter   f o r   t h r en e w a b le  en er g y   co n v er s io n .   T h ey   h av ca p ab ilit y   to   d eli v er   h i g h e r   p o w er   w i th   lo w er   g r ad ien v o ltag ( d v /d t)   o r   lo w er   g r ad ie n cu r r en ( d i/d t)   an d   b etter   o u tp u w av e f o r m s   r esu lt in g   i n   r ed u ctio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS   I SS N:  2088 - 8 694       F ive - Leve l P WM   I n ve r ter  w ith   a   S in g le   DC   P o w er S o u r ce   fo r   DC - A C   P o w e r   C o n ve r s io n   ( S u r o s o )   1231   o f   E lectr o m a g n etic  I n ter f er en ce   ( E MI )   n o is an d   r ed u ce   o u tp u f ilter   s ize  [ 2 ] ,   [ 3 ] .   T h ap p ellatio n   o f   m u ltil e v el  p o w er   in v er ter   s tar t s   f r o m   t h th r ee - lev e in v er ter ,   f o u r - lev e in v er ter ,   f iv e - le v el  in v er ter   an d   s o   o n .   T h h ig h er   t h lev el  n u m b er   th clo s er   to   th s i n u s o id al  w av ef o r m ,   h e n ce   th w a v ef o r m   d is to r tio n   w il b s m al ler .   Sev er al  m u lti lev el  i n v er ter   co n f i g u r atio n s   h a v b ee n   d ev elo p ed .   T h th r ee   d if f er e n m aj o r   m u ltil e v el   in v er ter   to p o lo g ies  h av e   b ee n   r ep o r te d   in   th e   liter at u r es,  i. e.   ca s ca d ed   H - b r id g es   m u l tile v el  i n v er ter ,   d io d e   cla m p ed   m u lti lev el   in v er ter ,   an d   f l y i n g   ca p ac ito r s   m u lt ilev el  i n v er ter   [ 2 ] - [ 4 ] .   T h ca s ca d H - b r id g e   m u ltil e v el  in v er ter   h as  m er i r elate d   w it h   its   m o d u lar   s tr u ctu r e.   Ho w ev er ,   th n u m b er   o f   th is o lated   DC   v o ltag s o u r ce s   an d   t h p o w er   s w itc h es  ca n   b t h lac k   o f   th i s   i n v er ter   to p o lo g y .   T h d io d clam p ed   m u ltil e v el  i n v er ter   i.e .   t h r ee - l ev el  i n v er ter   cir cu it s   h as   b ee n   w id el y   u s ed   in   i n d u s tr ial   an d   tr ac tio n   d r iv e.   T h e   r eq u ir e m en o f   m a n y   ca p ac ito r s   in   t h f l y i n g   ca p ac ito r   m u lt ilev el  i n v er ter   lead s   co m p le x i t y   i n   th co n tr o ller   f o r   b alan cin g   th ca p ac ito r s   v o ltag e s   o f   th i n v er ter   [ 5 ] .   S o m h y b r id   to p o lo g ies  o f   m u l tilev el  i n v er ter   h a v e   b ee n   p r o p o s ed   in   o r d er   to   e li m i n ate  s o m d r a w b ac k s   o f   th t h r ee   m ai n   i n v er ter   to p o lo g ies  p r ev io u s l y   d is cu s s ed .   A   co n f i g u r atio n   o f   m u ltil e v e in v er ter   ac h iev ed   u s i n g   s er ies - co n n ec ted   s u b - m u lti lev el  co n v er ter   b lo ck s   an d   H - b r id g in v er ter   w as  d i s cu s s ed   in   [ 6 ] .   R ef er en ce   [ 7 ]   p r esen ted   an o th er   m u ltil e v el  i n v er te co n f i g u r atio n   co n s tr u cted   f r o m   t h e   b asic  H - b r id g in v er ter   p lu s   ad d itio n a s w itc h es   o p er atin g   a s   b id ir ec tio n al   s w itc h es.  Ye t,  t h b id ir ec tio n a p o w er   s w itc h es   u s ed   i n   th e   c o n f i g u r atio n s   p r esen ted   in   [ 6 ]   an d   [ 7 ]   ca n   b t h d r a w b ac k   o f   t h cir cu its .   I n   p r a ctica m an n er   th er is   n o   b id ir ec tio n al  s w itc h es  av a ilab le.   T r ad itio n all y ,   th e   b id ir ec tio n al  p o w er   s w itc h e s   m ad f r o m   t w o   I GB T s   o r   co m b i n atio n   o f   s in g le  I GB T   an d   f o u r   p o w er   d io d es  w ill  g i v m o r p o w e r   lo s s es  o f   th in v er ter .   R ef er en ce   [ 8 ]   p r esen ted   an o th er   m u lt ilev e in v er ter   cir cu its   d er iv ed   b y   co n n ec tin g   s o m t w o - le v el  p o w er   ce ll   cir cu its .   T h n u m b er   o f   p o w e r   s w itc h in g   d e v ices   an d   is o lated   DC   p o w er   s o u r ce s   w ill  ca u s th co s a n d   cir cu it  co m p le x it y   in cr ea s [ 9 ] .   R ef er en ce   [ 1 0 ]   d is cu s s ed   h y b r id   m u lt i lev e in v er ter   co n s tr u cted   u s i n g   H - b r id g to p o lo g y   an d   th r ee - le v el  ce ll s .   T h is   to p o lo g y   n ee d s   ei g h t p o w er   s w itc h e s   to   estab lis h   f i v e - le v el  in v er ter   cir c u it.   T h is   p ap er   p r esen ts   th e   cir cu it  co n f ig u r atio n   o f   th e   f i v e - lev el   P W v o lta g s o u r ce   in v er ter   co m p o s ed   b y   t h H - b r id g i n v er ter   a n d   DC   p o w er   m o d u les  w it h   s i n g le  D C   i n p u s o u r ce .   An   au x il iar y   cir cu it  w as  i m p le m e n ted   to   th cir cu its   to   k ee p   s tab le  D C   c ap ac ito r   v o ltag o f   t h i n v er te r   an d   to   r ed u ce   th e   ca p ac ito r   s ize.   T h o p er atin g   p er f o r m a n ce   o f   th e   p r o p o s ed   c ap ac ito r   b alan cin g   cir cu it s   is   e x a m in ed   a n d   test ed   th r o u g h   s o m co m p u ter   s i m u l atio n s   a n d   ex p er i m e n tal l y .   F u r th er m o r e,   s o m e x p er i m e n tal   test s   w er ca r r ied   u s i n g   p r o to ty p o f   t h in v er ter .       2.   P RO P O SE I NV E R T E C I RCUI T   CO NF I G U RAT I O     2 . 1 .     B a s ic   O pera t io n o f   I nv er t er   Circ uits   T h cir cu it  co n f i g u r atio n   o f   t h f i v e - le v el  in v er ter   is   o b tain ed   b y   co n n ec t in g   t h H - b r id g i n v er te r   w it h   s i n g le  DC   p o w er   m o d u le.   Fi g u r e   1   s h o w s   t h cir cu i co n f ig u r atio n   o f   t h D C   p o w er   m o d u le  u s ed   i n   th i n v er ter   cir cu its ,   a n d   its   t y p ical  o u tp u w a v e f o r m   [ 5 ] ,   [ 1 1 ] .   Fig u r e   2   s h o w s   t h cir cu it  co n f i g u r atio n   o f   th e   f i v e - le v el  i n v er ter   o b tain ed   u s in g   th p r o p o s ed   m et h o d As  ca n   b s ee n   f r o m   th f i g u r es,  t h DC   v o ltag e   s o u r ce s   r eq u ir ed   in   t h is   in v er t er   to p o lo g y   ar co n n ec ted   in   s er ies.  C o n s eq u e n tl y ,   i i s   p o s s ib le  to   m ak e   u s o f   n o n   is o lated   DC   v o lta g s o u r ce s .   Mo r eo v er ,   all  o f   th p o w er   s w itc h e s   ar s in g le  I GB T ,   n o   b id ir ec tio n al   p o w er   s w itc h   r eq u ir ed .     T h s in g le - p h ase  f iv e - le v el  i n v er ter   cir cu its   n ee d s   s i n g l DC   p o w er   m o d u le  an d   an   H - b r id g e   v o ltag s o u r ce   in v er ter   w it h   o n l y   s ix   p o w er   MO SF E T s   o r   I GB T s   s w itch e s   in   to tal.   I f   t h e   DC   in p u v o ltag e   s o u r ce s   o f   t h f i v e - lev e in v er ter   ar ass u m ed   t h s a m a s   V/2 ,   T ab le  1   p r esen ts   th s w i tch i n g   s tates  o f   t h e   p r o p o s ed   f iv e - le v el  i n v er ter   f o r   f iv e - le v el  o u tp u v o ltag wav ef o r m   g e n er atio n ,   i. e.   le v el   +V ,   +V /2 ,   0 ,   - V/2   an d   - V.   T o   o b tain   t h ese  DC   i n p u t   v o lta g e,   t h er ar t w o   wa y s .   T h f ir s m et h o d   is   b y   u s in g   t w o   is o lated   D C   v o ltag e   s o u r ce s   s u c h   as  f r o m   b atter ies,  an d   t h s ec o n d   m e th o d   is   b y   ap p l y i n g   s i n g le  DC   v o ltag s o u r ce   eq u ip p ed   w ith   a u x iliar y   c ir cu i ts   to   k ee p   s tab le  v o lta g o f   t h e   DC   ca p ac ito r s   as p r esen ted   in   th is   p ap er .   Fig u r e   3   s h o w s   th co n f i g u r a tio n   th p r o p o s ed   ca p ac ito r s   v o ltag b alan ci n g   cir c u its   u s ed   in   th e   p r o p o s ed   in v er ter .   T h cir cu its   co n s i s o f   co n tr o lled   s w i tch ,   d io d e,   r ea cto r   an d   t w o   DC   ca p ac ito r s .   Fig u r e   4   p r esen ts   t h cir cu it s   o f   th s in g le - p h a s f i v e - le v el  in v er ter   eq u ip p ed   w it h   v o lta g b alan cin g   cir cu i ts   o f   th D C   ca p ac ito r s .   A   s in g le  DC   in p u v o lta g s o u r ce   is   co n n ec ted   to   th i n v er ter .   I n   th is   cir cu its ,   t h e   b alan cin g   cir c u its   p er f o r m   t h e   v o ltag e   b alan ce   o f   th e   t w o   D C   ca p ac ito r s   C 1   a n d   C 2 .   I w o r k s   al s o   to   m i n i m ize   th s ize  o f   D C   ca p ac ito r s .   Fig u r e   5   s h o w s   t h v o lta g co n tr o d iag r am   o f   th b alan ci n g   cir cu its   i n   th f i v e - lev el  in v er ter .   A   s i m p le  p r o p o r tio n al  in teg r al  ( P I )   co n tr o ll er   is   ap p lied .   I n   th is   co n tr o s y s te m ,   t h cir cu it   e m p lo y s   s i n g le  co n tr o lled   s w itc h   Qc,   a n d   s i n g le  v o lta g e   s en s o r   o n l y   to   g o v er n   th DC   v o ltag ac r o s s   t w o   ca p ac ito r s ,   C 1   an d   C 2 .   I is   a   b en ef it   o f   t h b ala n ci n g   cir cu i ts   i n   t h p r o p o s ed   in v er ter .   A   s in g le  DC   v o lta g e   s en s o r   is   co n n ec ted   ac r o s s   t h ca p ac ito r   C 1   to   s en s th c ap ac ito r   v o ltag to   o b tain   v o l tag f ee d b ac k   V C1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N :   2088 - 8 694   IJ PEDS   Vo l.   8 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 7   :   12 30 12 37   1232   I f   t h D C   v o l tag e   s o u r ce   a m p lit u d is   V,   i n   ca s e   o f   th f i v e - lev e i n v er ter ,   t h v o lt ag es  ac r o s s   t h D C   ca p ac ito r s   ar s et  at  its   h al f ,   V /2 .         Q 5 Q 6 + - V i V O U T Q 5 :   O N ,   Q 6 :   O F F V O U T t V i Q 5 :   O F F ,   Q 6 :   O N Q 5 :   O N ,   Q 6 :   O F F     Fig u r 1 .   DC   P o w er   Mo d u le   an d   I ts   Ou tp u t W av e f o r m   [ 5 ] ,   [ 1 1 ]       Q 5 L o a d Q 3 Q 4 Q 2 Q 1 V i / 2 + - V i / 2 + - Q 6     Fig u r e   2 .   T h Fiv e - L e v el  I n v e r ter   C ir cu its   w i th   T w o   D C   Vo ltag So u r ce s   [ 5 ] ,   [ 1 1 ]       T ab le   1 S w itch in g   State s   o f   F iv e - L e v el  I n v er ter   P o w e r   S w i t c h e s   O u t p u t   V o l t a g e   ( V )   Q 1   Q 2   Q 3   Q 4   Q 5   Q 6   0   1   0   1   1   0   + V i   0   1   0   1   0   1   + V i / 2   0   1   1   0   0   0   0   1   0   1   0   0   1   - V i / 2   1   0   1   0   1   0   - Vi       + - V i C 1 C 2 Q A L A D A V i / 2 V i / 2     Fig u r e   3 .   P r o p o s ed   v o ltag b alan cin g   cir c u its   [ 1 1 ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS   I SS N:  2088 - 8 694       F ive - Leve l P WM   I n ve r ter  w ith   a   S in g le   DC   P o w er S o u r ce   fo r   DC - A C   P o w e r   C o n ve r s io n   ( S u r o s o )   1233   + - V i C 1 C 2 Q A L A D A Q 5 L o a d Q 3 Q 4 Q 2 Q 1 Q 6     Fig u r e   4 .   A   f iv e - le v el  i n v er ter   w it h   s i n g le  D C   v o lta g s o u r ce   [ 1 1 ]       P I   C o n t r o l l e r + - + - V R E F V C 1 V T Q A C o m p a r a t o r C a p a c i t o r   V o l t a g e R e f e n c e   V o l t a g e G a t e   D r i v e   C i r c u i t s     Fig u r e   5 .   C o n tr o l d iag r a m   o f   t h v o lta g b alan ci n g   cir cu it s   [ 1 1 ]       2 . 2 .   P uls Width M o du la t io n   ( P W M )   T ec hn iqu e   I n   m an y   co m m er cial  in v er ter s ,   in   o r d er   to   o b tain   s in u s o id al  o u tp u v o lta g o r   cu r r en w av ef o r m ,   a   p u ls w id t h   m o d u la tio n   ( P W M)   tech n iq u is   e m p lo y ed   to g eth er   w it h   lo w - p as s   f i lter .   I n   t h is   p ap er ,   tr ian g u lar   ca r r ier   b ased   s in u s o id al   P W M   tech n iq u is   ap p lie d   to   ev o k th g at i n g   s ig n al s   o f   t h in v er ter   p o w er   s w itc h es   to   p r o d u ce   th f i v e - lev e P W v o ltag e   w a v ef o r m .   T w o   tr i an g u lar   w av e f o r m s   w it h   lev e l   s h i f ted   ar u s ed   in   th is   m eth o d   a s   t h ca r r ier   w a v ef o r m s .   T h m o d u latin g   s i g n a ls   u tili ze   t w o   s in u s o id al  w a v e f o r m s   w i th   o p p o s ite  p h ase.   T h f r eq u e n c y   o f   th m o d u lat i n g   s i g n a ls   ( t h e   r ef er en ce   s in u s o id al  w a v e f o r m s )   d eter m i n e s   th e   f u n d a m en ta f r eq u e n c y   o f   th o u tp u v o lta g w a v ef o r m ,   w h er ea s   th f r eq u e n c y   o f   ca r r ier   w a v e f o r m s   s e t s   t h s w itc h in g   f r eq u e n c y   o f   i n v er t er s   co n tr o lled   s w i tch e s   [ 1 ] ,   [ 5 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ] .   T h PW m o d u latio n   tec h n iq u e   u s ed   in   t h p r o p o s ed   in v er ter   is   s h o w n   i n   Fi g u r e   6.           Fig u r e   6 .   T h ca r r ier   an d   m o d u lati n g   s i g n al  w a v e f o r m s       Fig u r e   7 .   Gatin g   s i g n al s   o f   t h e   in v er ter s   p o w er   s w itc h es   3.   CO M P UT E SI M UL AT I O RE SU L T S   C o m p u ter   s i m u latio n s   ar co n d u cted   b y   u s i n g   P SIM   s o f t w ar e   in   o r d er   to   an al y ze   a n d   to   test   t h e   p r o p o s ed   in v er ter   an d   it s   b ala n cin g   cir c u it s .   T h is   s ec tio n   p r esen t s   an d   d is c u s s es  s o m co m p u ter   s i m u lat io n   test   r esu lts   o f   t h p r o p o s ed   f iv e - lev el   i n v er ter   cir cu its .   T h e   s i m u latio n   test   p ar a m eter s   ar lis ted   in   T ab le   2 T h p r o p o s ed   s in g le - p h ase  f i v e - le v el  in v er ter   s h o w n   i n   Fi g u r e   4   is   ex a m i n ed   I n   th P SIM   s i m u latio n   cir c u its ,   t h p r o p o s ed   f iv e - le v el   in v er ter   cir cu it  i s   co n n ec te d   w it h   a n   in d u cti v lo ad ,   i.e .   r esis to r   R =2 0   Ω ,   in d u cto r   L =5   m H.   T h ca r r ier   f r eq u en c y   an d   th f u n d a m en ta o u tp u t   v o ltag f r eq u e n c y   ar 2 2   k H an d   5 0   Hz,   r esp ec tiv el y .   T h e   in d u cto r   o f   b alan ci n g   cir c u it  L is   1 0 0 - H,     an d   th D C   ca p ac ito r   s ize  is   5 0 - f o r   b o th   ca p ac ito r s   C 1   an d   C 2 .   T h m a g n it u d o f   th DC   v o lta g s o u r ce   is     0 0 . 4 0 . 8 V1 0 0 . 4 0 . 8 V2 0 0 . 4 0 . 8 V3 0 0 . 4 0 . 8 V4 0 0 . 4 0 . 8 V5 0 . 0 2 0 . 0 2 2 0 . 0 2 4 0 . 0 2 6 0 . 0 2 8 0 . 0 3 0 . 0 3 2 0 . 0 3 4 0 . 0 3 6 0 . 0 3 8 0 . 0 4 T i m e   (s ) 0 0 . 4 0 . 8 V6 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N :   2088 - 8 694   IJ PEDS   Vo l.   8 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 7   :   12 30 12 37   1234   2 4   V.   Fig u r e   7   s h o w s   th co m p u ter   s i m u lat io n   r es u lts   o f   t h P W g atin g   s i g n als  g e n e r ated   b y   t h P W M   s tr ateg y .   T h ese  s i g n al  p atter n s   ar u s ed   as  g ati n g   s i g n al s   o f   th i n v er ter .   Fig u r e   8   p r esen ts   t h v o ltag e   w a v e f o r m s   ac r o s s   t h t w o   D C   ca p ac ito r s   C 1   an d   C 2 .   Stab l v o ltag w av e f o r m s   ac r o s s   DC   ca p ac ito r s   ( V C1   an d   V C2 )   w er o b tain ed   b y   t h p r o p o s ed   b alan cin g   c ir c u it s ,   th m ag n it u d es  ar ab o u 1 2   V.   Fig u r e   9   s h o ws   th c u r r en t   w a v ef o r m s   f lo w i n g   t h r o u g h   t h i n d u cto r   ( L c) ,   p o w er   s w itc h   ( Qc)   a n d   d io d ( Dc)   o f   t h e   b alan ci n g   cir cu its .   Fi g u r e   1 0   s h o w s   th e   P W M   o u tp u v o ltag w av e f o r m   an d   lo ad   cu r r en w av e f o r m   g e n er ated   b y   th e   in v er ter .   A   p r o p er   f iv e - le v el  P W v o ltag w av e f o r m   w a s   g en er ated   b y   t h p r o p o s ed   in v er ter .   Mo r eo v er ,   s in u s o id al  lo ad   cu r r en t,  I L o ad ,   f lo w s   t h r o u g h   t h lo ad .         T ab le   2 .   C o m p u ter   s i m u lat io n   test   p ar a m eter s   C a p a c i t o r s o f   b a l a n c i n g   c i r c u i t s,   C 1   a n d   C 2   5 0   F   D C   i n p u t   v o l t a g e   2 4   V   F r e q u e n c y   o f   c a r r i e r   si g n a l   2 2   k H z   R e a c t o r ,   L c   1 0 0     P o w e r   l o a d     R   =   2 0   L   = 5   mH   F u n d a me n t a l   o u t p u t   c u r r e n t   f r e q u e n c y   5 0   H z           Fig u r e   8 .   DC   ca p ac ito r   v o ltag w a v ef o r m s   o f   t h in v er ter       Fig u r e   9 .   T h cu r r en w a v e f o r m s   f lo w i n g   t h r o u g h   t h in d u cto r   ( L c) ,   p o w er   s w i tch   ( Qc)   an d   d io d ( Dc)           Fig u r e   10 .   T h P W o u tp u t v o ltag w av e f o r m   a n d   lo ad   cu r r en w av e f o r m       4.   E XP E R I M E NT A L   T E S T   R E SU L T S   I n   o r d er   to   p r o v an d   to   v ali d ate  th p r o p o s ed   f i v e - lev e i n v er ter   co n f ig u r atio n   ex p er i m en tall y ,   a   lab o r ato r y   p r o to t y p o f   th e   f iv e - lev e i n v er ter   an d   i ts   b al an cin g   cir cu it s   w as   co n s tr u ct ed   b y   u s i n g   p o w er   MO SF E T s .   T h ex p er i m en tal  p r o to ty p s p ec if icatio n s   ar al ik w it h   t h co m p u ter   s i m u lat io n   test   p ar a m e ter s   as  lis ted   i n   T ab le   2 .   A   r e g u lat ed   DC   p o w er   s o u r ce   is   u s ed   a s   th e   DC   in p u v o ltag e   s o u r ce .   Fig u r e   1 1   s h o w s   th co n tr o cir c u its   o f   t h i n v er ter   a n d   its   b ala n ci n g   c ir cu its   u s ed   in   t h lab o r ato r y   ex p er i m e n tal  te s t.     Fig u r e   1 2   an d   Fig u r e   1 3   s h o w   th p r o to ty p o f   t h v o lta g b a lan ci n g   cir c u its   a n d   th f i v e - le v el  in v er ter .     0 1 2 3 4 I _ L c   (A ) 0 1 2 3 4 I _ Q c   (A ) 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 1 2 3 4 I _ D c   (A ) 0 -1 0 -2 0 -3 0 10 20 30 V _ L o a d   (V ) 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 T i m e   (s ) 0 -1 -2 1 2 I _ L o a d   (A ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS   I SS N:  2088 - 8 694       F ive - Leve l P WM   I n ve r ter  w ith   a   S in g le   DC   P o w er S o u r ce   fo r   DC - A C   P o w e r   C o n ve r s io n   ( S u r o s o )   1235         Fig u r 11 .   C o n tr o l c ir cu its   o f   t h in v er ter       Fig u r e   12 .   T h in v er ter s   b ala n cin g   cir c u its           Fig u r e   1 3   I n v er ter s   p o w er   cir cu it a n d   t h p o w er   lo ad       Fig u r e   1 4 ,   Fi g u r e   1 5   an d   Fig u r e   1 6   s h o w   th e   m ea s u r e m e n r esu lt s   o f   t h g ati n g   s ig n al s   u s ed   f o r   t h e   in v er ter s   p o w er   s w itc h es,  i.e .   MO SF E T   Q1 ,   MO SF E T   Q2 ,   MO SF E T   Q3 ,   MO SF E T   Q4 ,   MO SF E T   Q5   an d   MO SF E T   Q6 .   T h P W f r eq u en c y   o f   t h ese  s i g n al s   is   2 2   k Hz,   th s a m w it h   t h ca r r ier   s ig n al s .   Fig u r e   17  s h o w s   th e   d ea d - ti m v alu o f   g ati n g   s i g n a ls   b et w ee n   s w itc h es  Q5   an d   Q6   s et  to   b 4   µs.  T h is   d ea d ti m w a s   ad d ed   t o   av o id   s h o r cir cu its   co n d itio n   b et w ee n   u p p er   an d   lo w er   s w itc h es  o f   t h in v er ter   cir cu its .   Fig u r e   1 8   s h o w s   th e   ex p er i m en ta w a v e f o r m   o f   t h D C   ca p ac ito r   v o lt ag w a v ef o r m   o f   th e   f i v e - le v el  in v er ter   o b tain ed   u s i n g   th p r o p o s ed   v o ltag b a lan ci n g   cir u its .   T h ca p ac ito r   v o ltag i s   k ep at  ar o u n d   1 2   V,   h alf   o f   th D C   in p u p o w er   s o u r ce   2 4   V.   F u r th er m o r e,   Fi g u r e   1 9   s h o w s   t h o u tp u v o lta g w a v e f o r m   o f   th i n v er ter   p r esen tin g   f i v e - le v el  P W M   v o ltag w av e f o r m   a n d   s in u s o id al  lo ad   cu r r en t.  A   p r o p er   f iv e - lev e P W o u tp u t v o lta g w a v e f o r m   w as  s u cc e s f u ll y   o b tain ed   b y   u s i n g   th lab o r ato r y   p r o to t y p o f   th e   in v er ter   to p o lo g y .             Fig u r e   14 .   Gatin g   s ig n al  o f   p o w er   s w i tch e s   Q5   an d   Q6       Fig u r e   15 .   Gatin g   s ig n al  o f   p o w er   s w i tch e s   Q1   an d   Q3   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N :   2088 - 8 694   IJ PEDS   Vo l.   8 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 7   :   12 30 12 37   1236       Fig u r e   16 .   Gatin g   s ig n al  o f   p o w er   s w i tch e s   Q2   an d   Q4         Fig u r e   17 .   Dea d tim o f   g ati n g   s ig n als b et w ee n   s w i tch e s   Q5   an d   Q6           Fig u r e   18 .   E x p er im e n tal  te s t r esu lt o f   DC   ca p ac ito r s   v o ltag e       Fig u r e   19 .   Fiv lev el  P W o u tp u t v o lta g an d   lo ad   cu r r en w a v ef o r m s       5.   CO NCLU SI O N   I n   th i s   p ap er   f iv e - lev el  P W in v er ter   cir cu its   w it h   s i n g le  D C   i n p u v o ltag s o u r c h as  b ee n   p r esen ted   an d   d is c u s s ed .   T h f i v le v el  i n v er ter   is   eq u ip p ed   w it h   a   b alan ci n g   cir c u its   wo r k s   k ee p i n g   s tab le  DC   ca p ac ito r   v o lta g es   o f   th i n v er ter   u s in g   o n l y   s i n g le  D C   i n p u p o w er   s o u r ce .   A   s in g l DC   v o lta g s e n s o r   w a s   u s ed   i n   th b ala n cin g   cir c u its .   T h f i v e - le v el  in v er ter   cir cu its   i s   co m p o s ed   b y   D C   p o w er   m o d u le s   an d   a   H - b r id g i n v er ter   f o r   f i v e - lev e v o lta g w av e f o r m   g e n er atio n   w it h   s in g le  D C   v o ltag s o u r c e,   an d   m in i m u m   n u m b er   o f   p o w er   d ev ices.  So m co m p u ter   s i m u latio n s   an d   ex p er i m e n tal  test   r es u lt s   o f   th lab o r ato r y   p r o to ty p h a v b ee n   p r esen te d   to   ex a m i n e,   an d   to   v alid ate  th p r o p o s ed   b alan cin g   cir c u it s   an d   th f i v e - lev e l   in v er ter   cir cu it s .   T h p r o p o s ed   b alan cin g   c ir cu it s   w o r k ed   well  k ee p i n g   s tab le  D C   v o ltag e s   ac r o s s   th e   t w o   D C   ca p ac ito r s   o f   t h i n v er ter   g e n er atin g   a   f iv e - le v el   P W o u tp u v o lta g w a v e f o r m   a n d   s i n u s o id al  lo ad   cu r r en t.       RE F E R E NC E S   [1 ]   S u ro s o ,   W in a sis   a n d   T .   N o g u c h i,   A   Ba tt e r y - les G rid   Co n n e c ted   P h o t o v o lt a ic  P o w e G e n e ra ti o n   u sin g   F iv e - L e v e l   Co m m o n - Em it ter  Cu rre n t - S o u rc e   In v e rter” ,   In tern a ti o n a l   Jo u rn a o f   P o w e El e c tro n ics   a n d   Driv e   S y st e m ,   v o l.   4 ,   n o .   4 ,   p p .   4 7 4 - 4 8 0 ,   2 0 1 4 .   [2 ]   M .   M a li n o w sk i,   K.  G o p a k u m a r,   J.  Ro d rig u e z ,   a n d   M .   A .   P é re z ,   su rv e y   o n   c a sc a d e d   m u lt il e v e in v e rters ,   IEE T ra n s.  On   In d u strial  El e c tr o n ics ,   v o l.   5 7 ,   n o .   7 ,   p . p .   2 1 9 7 - 2 2 0 6 ,   Ju l y   2 0 1 0 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS   I SS N:  2088 - 8 694       F ive - Leve l P WM   I n ve r ter  w ith   a   S in g le   DC   P o w er S o u r ce   fo r   DC - A C   P o w e r   C o n ve r s io n   ( S u r o s o )   1237   [3 ]   J.  Ro d ig u e z ,   J.  S .   L a i,   a n d   F .   Z.   P e n g ,   M u lt il e v e in v e rter:  a   su rv e y   o f   to p o l o g ies ,   c o n tro ls ,   a n d   a p p li c a ti o n ,   IEE E   T ra n s.  o n   In d u str ial  El e c tro n ics ,   v o l.   4 9 ,   n o .   4 ,   p . p .   7 2 4 - 7 3 8 ,   A u g u s 2 0 0 2 .   [4 ]   K.  Cro rz in e ,   a n d   Y.  F a m il ian t,   A   n e w   c a sc a d e d   m u lt il e v e H - b rid g e   Driv e ,   IEE T ra n s.  o n   P o w e El e c tro n ics ,   v o l.   1 7 ,   p . p .   1 2 5 - 1 3 1 ,   Ja n .   2 0 0 2 .   [5 ]   S u ro s o ,   A .   M u b y a rto ,   a n d   T .   No g u c h i,   A   Di ff e re n S in g le P h a se   H y b rid   F iv e - L e v e V o lt a g e   S o u rc e   In v e rter Usin g   DC V o lt a g e   M o d u les ,   T EL KO M NIK A ,   v o l.   1 2 ,   n o . 3 ,   p p .   5 5 7 - 5 6 2 S e p tem b e 2 0 1 4 .   [6 ]   E.   Ba b a e i,   c a s c a d e   m u lt il e v e c o n v e rter  to p o lo g y   w it h   re d u c e d   n u m b e o s w it c h e s” ,   IEE T r a n s.  o n   P o w e r   El e c tro n ics ,   v o l .   2 3 ,   n o .   6 ,   p . p .   2 6 5 7 - 2 6 6 4 ,   No v e m b e 2 0 0 8 .   [7 ]   G .   C e g li a ,   V .   G u z m a n ,   C.   S a n c h e z ,   F .   Ib a n e z ,   J.  W a lt e a n d   M .   I.   G i m e n e z ,   n e w   si m p li f ied   m u lt il e v e in v e rter   to p o lo g y   f o DC - A c o n v e rsio n ,   IEE T ra n s.  On   P o w e El e c tro n ics ,   v o l.   2 1 ,   n o .   5 ,   p . p .   1 3 1 1 - 1 3 1 9 ,   S e p tem b e 2 0 0 6 .   [8 ]   G .   W a lt rich   a n d   I.   Ba rb i,   T h re e - p h a se   c a sc a d e d   m u lt il e v e in v e r ter  u sin g   p o w e c e ll w it h   t w o   i n v e rter  leg in   se ries ,   IEE T ra n s.  On   In d u stria El e c tro n ics ,   v o l.   5 7 ,   n o .   8 ,   p . p .   2 6 0 5 - 2 6 1 2 ,   A u g u st   2 0 1 0 .   [9 ]   N.  T h o m b re ,   P .   Ra n a ,   R.   S .   Ra wa t,   a n d   Um a sh a n k a S ,   A   No v e l   T o p o lo g y   O f   M u lt il e v e In v e rter   W it h   Re d u c e d   Nu m b e O S w it c h e A n d   DC   S o u rc e s” ,   In tern a ti o n a Jo u r n a o f   P o w e El e c tro n ics   a n d   Driv e   S y ste m ,   v o l.   5 ,   n o .   1 ,   p p .   5 6 - 6 2 ,   2 0 1 4 .   [1 0 ]   D.  Ru iz - Ca b a ll e ro ,   R.   S a n h u e z a ,   H.  V e rg a ra ,   M .   L o p e z ,   M .   L .   He l d w e in ,   a n d   S .   A .   M u ss a ,   Ca s c a d e d   s y m m e tri c a l   h y b rid   m u lt il e v e D C - A c o n v e rter” ,   in   P r o c .   o f   ECCE 2 0 1 0 ,   p . p .   4 0 1 2 - 4 0 1 9 .   [1 1 ]   S u ro s o ,   a n d   A .   N.  A z is,   V o lt a g e   Ba lan c in g   Circu it f o F iv e - L e v e P o w e In v e rter   w it h   S in g le  DC  V o lt a g e   S o u rc e ,   i n   P r o c .   o f   ICIT A CEE 2 0 1 6 ,   p . p .   1 4 7 - 1 5 0 .   [1 2 ]   R.   S .   A li sh a h ,   a n d   S .   H .   Ho ss e in i ,   A   Ne M u lt il e v e In v e rter  S tru c tu re   F o Hig h - P o w e A p p li c a ti o n u sin g   M u lt i - c a rrier  P W M   S w it c h in g   S trate g y ,   In tern a ti o n a Jo u rn a o f   P o w e r   El e c tro n ics   a n d   Driv e   S y ste m ,   v o l.   6 ,   n o .   2 ,   p p .   318 - 3 2 5 ,   2 0 1 5 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.