Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  Vol .   4 ,  No . 2,  J une   2 0 1 4 ,  pp . 16 5~ 17 2   I S SN : 208 8-8 6 9 4           1 65     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  Single-Phase Multilevel Curr ent-Sour c e Converter  using   H-Bridge and DC Curr ent Modules       Suros o * , T o sh i h i k No guc h i * *   * Departement o f  Electr i cal  Engineering ,  Jend eral Soedirman University , Indonesia  ** Depart em ent  of El ectr i c a and  El ectron i cs   Eng i neer ing,  S h izuo ka Univers i t y ,  J a pan      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Ja 8, 2014  Rev i sed   Mar  19 , 20 14  Accepte d Apr 2, 2014      This paper presents a different t opolog y  of  H-bridge based m u ltilev e l   current-source inverter (CSI). In  this ne w inverter configuration,  an H-bridge   CSI is connected with a single or mo re curr ent modules to  generate a  m u ltileve l outp u t curren t  wav e form  with lowe r di/dt ,  and  les s  distortion.   Using the proposed m u ltilevel  CSI,  the number of the power switching   devices, and  isolated gate driv circu its can b e  r e duced . Moreov er, chopp er   bas e d DC curr ent s ources   ar e pres ent e d to  reduc e the  in ductor s i z e   effectively   to be in micro-Henr y  orde r ,  and to  ens u re the bal a nce of th e   intermediate  cur r ent levels . The propos ed topolog y  is inh e ren t ly  ab le  to   reduce  the indu ctor condu ction  losses if compared with  the convention a m u ltileve l CSIs and the H-bridge  CSI. Seven-l e vel PW M inverter   configurations  with non-isolated DC  current so urces and with   a single DC  power source  are v e rified thr ough co mputer  simulations. F u rthermore,  laborator y  proto t y p es of sev e n-level  CSI  is setup and tested The r e sults   show that th e in verter  cir c uit works pr operly  to  g e nerate  the multilevel outpu current wav e for m  with low harmonics cu rrents, small inductors and with less  conduct i on losses which prov es f easibil it y  of the proposed  m u ltil evel  CSI.  Keyword:  Cu rren t-Source Con v e rter  Mu ltilev e l-Inverter  Po wer C o nve rs ion   Harm oni cs     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 Suros o ,    Depa rtem ent of Elect ri cal  E n gi nee r i n g,   Jenderal Soe d irm a n Uni v ersit y Jl. Mayj en Su ng kon o k m . 5 ,   K a li m a n a h ,   Pur b alingg a, Jawa Teng ah I ndon esia.  Em a il: su ro so .t e.un so ed@g m a il.co m       1.   INTRODUCTION   So m e  circu it  co nfigu r ation s  of m u ltilev e l  curren t- sou r ce inv e rters (C SI)  h a ve  b e en presen ted i n   so m e  research   p a p e rs.  A  trad i tio n a way to  produ ce a  m u ltil ev el cu rren t  wav e fo rm  is b y   co nn ecting   some H- Brid g e  CSIs in p a rallel [1 ], [2].  Th is inv e rter circu it  is th du al of cascad e   H-b r i d g e  m u lti lev e l vo ltag e  so urce  inve rter (VSI). Unfortunately ,  the  nee d   of i s ol at ed  DC  cu rr ent  so ur ces,  po wer  de vi ces co unt  a n d t h ei g a t i n g   circu its are some p r ob lem s  o f  th is inv e rter  circu it.  Referen ce [3 ] p r esen t e d  th e m u ltilev e l CSI to po logy u s in H- bri dge  a n d  i n d u ct o r -cel l .   T h i s  t o p o l o gy  si m p li fi es t h re qui rem e nt  of  i s ol at ed  DC  cu rre nt  s o u r ces  i n  t h e   p a rallel H-bridg e  m u lti lev e l CSI.  Ano t h e r circu it con f i guratio n  of m u ltil ev el CSI is created  b y  u tilizin g  m u lti- cell co n f i g urat io n   o f  m u ltile v e l CSI  [1 ],  [4 ], [8 ], wh ich is th e du al of flyin g  cap acito r m u lti lev e VSI.  Balan c in g contro l co m p lex i t y  o f  t h e i n termed iate lev e cu rren ts is a  prob lem  o f  th is in v e rter  [8 ].  Sev e ral  cont rol  t ech ni q u es  ha ve  bee n   prese n t e d  t o  c o nt r o l  t h e   bal a nce of th e in termed iate lev e l cu rren ts in [5 ] an [6 ],  h o wev e r t h e inv e rter still requ ires  v e ry lar g e in  size of  th e in term ed iate i n du ctors  (>100  m H ). Referen ce [7 ]   p r esen ted ano t h e r circu it configu r ation   o f   m u l tilev e CSI wh ich  is a mo d i fied  co nfigu r ation   o f   p a rallel H- b r i d g e  m u ltile v e l CSI.  Ho wev e r ,  ev en 400  m H  bu lk in du ctors  h a ve b e en   u s ed lar g ripp les  o f  th sm o o t h i n g  i n du ctor curren t are still ex ist.  Th ese  ripp les  will d i sto r t the o u t p u t  cu rren t wav e fo rm  o f  t h in v e rter . Moreo v e r ,  t h e cu mb erso m e  in du cto r will b e  co stly and  lim i t  th e ap p licatio n of t h e i n verter Referen ce  [9 ] p r esen ted  th e co nfigu r ation  o f   si n g l e -rating  indu cto r  cell  m u ltilev e l CSI wh ich  is t h e d u al  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 4 ,  No . 2 ,   Jun e  2 014    16 –  17 16 6 circu it of im p r o v e d   d i od e-clam p e d   m u ltilev e VSI.  Th mu lti-cell an d sin g l e-rating  indu ctor cell top o lo g i es  use  ve ry  l a r g i n t e rm edi a t e  i nduct o rs  a dde d   i n  t h e  i n vert e r  ci rcui t  t o   o b t a i n  t h e  i n t e rm edi a t e  cu rre nt  l e vel s ,   in stead   o f  th e sm o o t h i n g  inducto r s   u s ed   fo r   D C  cur r e n t  g e n e r a tion .   Th ese in du ctor s w i l l  cau se m o r e  lo sses to  the inverter ci rcuits aside  from losses cause d by t h sm oot hi n g  i n d u ct or s  and  i n vert er s  po we r de vi ce s.  Th in v e rter circu its with m o re in term ed ia te in d u cto r will h a v e   lo wer ef ficien cy .   In th is  p a p e r ,  a n e w ci rcu it con f i g uratio o f   m u l tilev e l CSI, ap p l ying  an   H-b r i d g e  CSI t o po log y  and   cu rren t m o du l e s with cap ab i lities o f  redu ci n g  iso l ated  g a t e  driv e ci rcu i t s , redu cing  i n d u c t o r size, and   with   lowe r induct o r conduction l o sses are  prese n ted.  T h e chop per base DC c u rrent s o urces  are also  prese n ted to  co n t ro l t h e in t e rm ed iate lev e l cu rren ts u s i n g  sm all  si ze of i n d u ct or s.  T h ope rat i o per f o r m a nce o f  t h e   p r op o s ed  m u ltilev e l CSI is  ex am in ed  and is v a lid ated  t h rou g h  so m e  co m p u t er simu latio n s . Furtherm o r e,  l a bo rat o ry  e x p e ri m e nt al  prot ot y p es  of se ve n-l e vel  C S Is  w e re set  u p  t o   v e ri fy  t h pr ope r o p erat i o of t h e ne w   t o p o l o gy usi n g t h e  p o w er  M O SFET s  i n   seri es wi t h  bl ocki n g   di o d es.       2.   CIR C U IT CO NFIG U RATI O N A N D   PR I NCI PLE  OPE RATI O N   2. 1.   Operation Pri n ciple of Inve rter  Circuit        Fi gu re 1.   The   c u r r ent - m odul e ci rcui t ,   a n d   i t s  basi c ope rat i o n   [ 8 ]       Fi gu re 1 sh o w s t h e ci rcui t  confi g u r at i on  of  t h e cur r ent - m odul e, a nd i t s  b a si c operat i o n.  The cur r ent   m odul e i s  con s t r uct e by  a DC  cur r e n t  so urce  wi t h  a un i d i r ect i onal  p o w er s w i t c h S,  and a  di o d e [8 ] .  The   novel circ uit c o nfiguration of the m u ltilevel CSI is  deri ve d by c o nnecting a single  or m o re m odules  wit h  t h H- bri dge  C S as sh ow n i n  t h e schem a t i c  diagram  of t h e  p r o p o sed  m u l t ilevel  C S I i n  Fi gu re  2 a nd  Fi g u re   3 .   Th e curren t  mo du les wo rk  for  m u ltilev e l o u t p u t  curren t  wa v e fo rm  g e n e rat i o n .   A fiv e -level cu rren t  waveform  i s  ge nerat e d  b y  addi ng  a si n g l e  cu rre nt -m odul e,  a se ve n-l e vel  cu rre nt   w a vef o rm  i s  ach i e ved  by  c o n n ect i n g   two  cu rren t-mo du les  w ith  the th ree-lev e H-Bridg e  CSI, an d so  o n The   l e vel  n u m b er of t h out put  c u r r en t   wave f o rm  and  t h e co u n t  o f  t h e cu rre nt -m odu l e s can  be  o b t a i n ed  fr om  t h e e quat i o n:     U V 2 3 ,             ( 1 )      Whe r V  is th e lev e l nu m b er  o f  th ou tpu t  cu rren t and   U  i s  t h e c o u n t   of  c u r r ent - m odul es             Fi gu re  2.  Pr o p o se d fi ve-l e v el  C S I   Fi gu re  3.  Pr o p o se d se ven - l e v e l  C S I     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 Si ngle-Phase  Multilevel Current-Sour ce   Converter using H-Bri d ge an d DC  Current M o dules  (Suroso)  16 7 The num b er of the DC curre nt sources ,  als o   rep r ese n t i ng t h e num ber o f  t h e sm oot hi ng i n duct o rs i n   th e real p o wer circu its. Fo th e sam e  a m p l itu d e  of th e ou tpu t  cu rren t,  th e a m p litu d e s o f  th e DC curren t   so urces in  th p r op o s ed  m u lti lev e l CSI are smaller th an  th e a m p litu d e  o f  th e DC cu rren t so urce in  th e th ree- lev e l H-B r idg e  CSI. M o reov er, all DC  c u rre n t sources are   connected at th e sam e  point, hence the is olated DC   cu rren sou r ces u s ed  i n  th e co nv en tio n a l  p a rallel H-Bri dge m u lti lev e l CSI are  n o t   n e cessary in th is i n v e rter  cir c u it conf igur atio n.  As s h ow n  i n   Fi gu re  2  an Fi gu re  3,  t h e   po we r s w i t c he s S 3 S4 S5   and  S 6  a r e c o nnect e d  at   a   comm on-emitter line or  at th e sam e  p o t ential p o i n t . As a resu lt,  e v en  the num b er of  th e cu rren t-mo du les  increases , the  circuit nee d s on ly th ree iso l ated  g a te driv circu its. Tw i s ol at ed gat i ng ci rcui t s   are us ed  t o   dri v e t h e p o w er swi t c hes  S1  and S 2 , a n one m o re t o   g a t i ng t h po we r swi t c hes  S3 ,  S4, S 5  a nd  S 6 . T h i s   featu r e lead s to  th e redu ctio n in  th e nu m b er o f  iso l ated  g a t e  d r iv e ci rcu its u s ed  i n  m u lti l e v e l CSI circu its [8 ] .   The  out put current le vels of t h e fi ve-le v el C S I a r e +I, +I / 2 0 ,   -I/2 , and  -I cu rren lev e ls. Fo sev e n-lev e CSI,  th e ou tpu t  cu rren t  lev e ls are +I, +2 I/ 3 ,  +I/3 ,   0 ,   - I / 3 ,   -2 I / 3,  an d -I  cu rr en t lev e ls.         Tabl 1.  Swi t c h st at es  of  p r o p o se d se ven - l e v e l  C S I   S1  S2  S3 S4 S5 S6  Outp ut  c u rren t   1 0 0  +I  1 0 0  +2I / 1 0 1  +I /3  0 1 1  0 1 1  - I / 3   0 1 0  - 2 I / 0 1 0  - I       The s w itching  state com b inations  require d  t o  ge ne rate a sev e n-lev e l cu rren t wav e fo rm  are listed  in   TAB LE 1 .  The  seven - l e vel  o u t put  cu rre nt  (+ I, +2 I/ 3, +I/ 3 +0, - I / 3 , - 2 I/ and - I  cu rre nt -l evel s) are  gene rat e as fo llo ws:  a)   Cu rren t lev e l +I: S2 S4, S5  an d S6   ar e turn ed -o ff , wh ile S1 and  S3 ar e tu rn ed-o n,  m a k i n g  th e cu rr en t +I  flow to th e l o ad   b)   Cu rren t lev e +2 I/ 3 :  S2 S4  an d S5  are turn ed-o ff,  wh ile S1, S3  and  S6  are turn ed-on ,  m a k i n g  th current + 2 I/3  fl ows  to t h e l o ad.  c)   Cu rren t lev e l +I/3 : S2  and  S4   are tu rn ed -o ff,  wh ile  S 1 , S 3 S5 a nd S 6  a r t u r n ed -o n, m a ki ng t h e c u r r e n t   + I / 3   f l o w s  to  th e  l o ad d)   Cu rren t lev e l 0: S1 , S4 , S5  and  S6  are tu rn ed-on ,  a n d  S2 ,   S3  ar e tur n ed- o ff  m a king the current loops for  every  DC c u rrent s o urces. No  cu rren flows to  th e lo ad e)   Cu rren t lev e l –I/3 : S1  and  S3   are turn ed-off,  wh ile  S 2 ,  S 4 S5 a n d S 6  a r t u r n ed -o n,  m a ki ng t h e c u r r en t   I / 3  fl o w s to the lo ad.  f)   C u r r ent  l e vel  - 2 I/ 3:  S 1 S3  an d S 5  a r e t u r n e d -o ff whi l e  S 2 ,   S4 a n d S 6  are  t u r n e d - o n ,  m a ki ng  t h e  cu rre nt   -2 I/3  flo w s t o  t h e loa d .   g)   Cu rren t lev e l -I: S1, S3 S5 an d S6  are tu rn ed -o ff,  wh i l e  S2  an d S 4  a r e t u r n ed - o n ,  m a ki ng t h cu rre nt –I   flows to th e l o ad     T a b l e 2. Co m p ar ison   b e tw een fo ur  typ e s of   fiv e - l ev el C S I s   [ 8 ]   Multilevel CSI   Types  Multi-cell   Typ e   Paralleled H-bridg e   Typ e   Single- r a ting indu ctor   cell T y pe   H- br idge  with ind u ctor   cell type   Pr oposed  T opology   Pow er s w itches   8 8  Diodes   8 8  Inductors   3 2  Isolated gate drive  circuits   4 4      Th e cou n t   redu ctio n of ci rcu it co m p o n en t s  attain ed   b y  u s i n g th pro p o s ed  m u ltil ev el CSI is   prese n t e d  i n  T a bl e 2.  Thi s  t a bl e p r ese n t s  t h e com pone nt cou n t  i n v o l v e d  t o  co nst r uct  a  fi ve-l e v el  C S ci rcui t s   usi n g t h p r o p o se d fi ve -l evel  i nve rt er ci rc u i t s , and t h r ee  othe r inverter  circuits. T h e t o tal of t h e inductors  i n cl ude s t h e s m oot hi ng i n d u c t o rs, a n d t h e i n t e rm edi a t e  i nduct o rs . T h e s m oot hi ng i n d u c t o rs a r e t h e i n duct o rs   con n ect ed t o  t h e DC  p o w er  sou r ce t o   gene rat e  t h e DC  cu rre nt  so urces . The i n t e rm edi a t e  i nduct o rs a r e us e d   for the interm ediate level currents ge neration. The  re duction in com pone nt num bers  will be  m o re signi ficant   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 4 ,  No . 2 ,   Jun e  2 014    16 –  17 16 8 fo r hi g h e r  l e ve l  C S I. As an e x am pl e, for se ven - l e vel  C S I ,  t h e paral l e l e H-B r i d ge co nfi g u r at i o n nee d t w el ve   po we r s w i t c he s,  but  t h pr o p o se d se ven - l e v e l  C S nee d onl y  si po we r s w i t c hes,  5 0 %  re du ced wi t h  t h e   sam e  num ber of i n d u ct o r s. T h e n u m b er of t h e i n duct o rs  is fewer if co m p ared   with  th m u l ti-cell  m u l t ilev e CSI, and  sing l e -rating  indu cto r  cell m u ltile v e l CSI top o l og ies. A fiv e -lev el  sing le-ratin ind u c t o r cell  CSI  n eeds f i v e  inducto r s , th pr opo sed  f i v e - l ev el CSI   n e ed on ly tw o  i n du ctors, 60 % r e du ced.    2.2.  DC  Curr e n t Sour ce Ge nerati on  The DC curre nt source s are a b sol u tely  requ ired  in  th e cu rren t -so u rce inverter typ e . In  th is p a p e r, the  DC c u rrent - sources  are  ac qui red by  usi n g buck-c hopper ci rcui t s  c o nnect e d   wi t h  a  DC  p o we r s o urce  [ 8 ] ,  [1 0] ,   [1 1] .   The DC powe source (V in ) ca n be a  ph ot o v o l t a i c  sy st em , fuel -c e ll, b a ttery o r   rectifier circu its. Th cho p p er  w o r k s  t o  pr o v i d e a c onst a nt  DC  c u rre nt  so urce  f o r t h e H - B r i dge  C S I an d c u r r e n t - m odul e ci rc ui t s The c h o p p er ci rcui t  i s  com p o s ed  by  a p o w e r  swi t c h, a n  i n duct o (c ho ke)  an d a  po wer  d i ode.  The  co nt rol l e d   po we r swi t c wo rk s t o  cont r o l l  t h e sm oot hi ng i n d u ct o r’s c u r r ent ,  a nd t o  r e duce t h e sm oot hi n g  i n duct o r si ze.  The  po we r di o d e ( D F )  i s  ap pl i e d t o   kee p  co nt i n u o u s c u r r e n t  pat h  o f  t h e s m oot hi ng i n d u c t o r’ s cu rre nt Fi gu re   5 an d Fi g u re  6 sh o w  t h e c o n f i g urat i o ns  of fi ve-l e v el  and se ve n-l e vel  C S Is wi t h  D C  curre nt  ge n e rat i o n   circu its.  It shou ld   b e   no ted  t h at on ly a sing le DC  po wer sou r ce (V in is co nn ected  t o  circu its to   ob tain   m u l tip le n o n -iso lated  DC curren t -so u rces.  Th e propo se d  m u l tilev e l CSI d o e n o t  n e ed iso l ated  DC cu rrent   sources .              Fi gu re  5.  Fi ve - l evel  C S with  DC  cu rren t-sou r ces  circu its [8 ]   Fi gu re  6.  Se ve n-l e vel  C S I  wi t h   DC  c u r r ent  s o u r ces  circu its [8 ]       2. 3.  Cond ucti on L o sses  of I nductors   Th is section d i scu sses th e indu cto r s  cond u c tio n  l o sses i n   m u l tilev e l CSIs. Fro m  au tho r s  literature  search resu lt, t h e size  of th e in du ctor u s ed  i n  th e co nv en tio n a l m u ltilev e l CSI t o po log i es is v e ry lar g e, m o re  th an   10 0  m H  [1 ]-[7 ], [9 ].  These bu lk y inducto rs  w ill b e  the m a in  cau se  of lo sses wh ich  cau se th e ef ficien cy  o f  t h e m u ltilev e l CSI m u ch  l o wer than  t h m u l tilev e VSI. In  th e pro p o s ed  topo log y , if th e am p litu d e  o f  th V -l evel   out put  cur r ent  i s   I,  and t h num ber o f  t h e c u r r e nt -m odul e i s   U , t h e c u rre nt  fl o w i n g t h r o u gh t h sm oot hi ng  i n d u ct o r   I LN  is  expresse d as:     ) 1 ( U I I LN ,           ( 2 )     If t h e sm oot hi ng i n d u ct o r  ha s resi st ance R L , th e in du ctor ’s co ndu ctio n  l o sses (P Lc ) cau s ed  b y  th is cu rren t is  expresse d as:     L Lc R U I P 2 1             ( 3 )     Th e t o tal con d u c tio n lo sses  du e to th e i n d u c to rs i n  a  V -le v e l  CSI  (P Lc - V ) ca be calculate d as:    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 Si ngle-Phase  Multilevel Current-Sour ce   Converter using H-Bri d ge an d DC  Current M o dules  (Suroso)  16 9 1 1 ) 1 ( 2 2 U R I R U I U P L L V Lc        ( 4 )     In t h e fi ve-l e v el  C S I, t h e cu r r ent   fl o w i n g t h ro u gh t h e sm oot hi n g  i n d u ct o r s i s   hal f  t h e  a m pli t ude o f   t h e fi ve -l evel   out put  c u r r ent .  In t h e seve n - l e vel  C S I c o n f i g u r at i o n, t h e a m pli t ude o f  t h e sm oot hi ng i n duct o r   cur r ent s  i s  o n t h i r of t h e se v e n-l e vel  out put  curre nt , a nd s o  f o rt h .  The  hi ghe r t h e l e vel - num ber o f  t h out put   cur r ent  l e a d s t o  sm al l e r cur r e nt s fl owi n g  t h r o ug h t h e sm oot hi n g  i n d u ct ors  as e x press e d i n  ( 2 ) .  T h e r efo r e, i t   redu ces th e to t a l co nd u c tion  lo ss (P Lc - V ) o f  t h e i ndu ct or s as sho w n i n  Fi g u r e 7. The t o tal inductor’s conduction  loss o f  the  five -level CSI  (P Lc - 5 )  is h a lf  t h e ind u c t o r’ s co nductio n  lo ss of  the th r e e- lev e l H- Br idg e  CSI  (P Lc - 3 ).   Th e t o tal in du cto r ’s co ndu ction  loss  o f  sev e n-lev e l CSI  (P Lc - 7 ) is  o n e  th ird   o f  th e i n du ctor’s co ndu ctio n l o ss  of  t h e H - B r i dge   C S I, a n d s o   fo r t h [ 8 ] .             Fi gu re  7.  C h a r act eri s t i c s of  c o n d u ct i o n  l o ss   of  t h e sm oot hi ng  i n duct o rs  [ 8 ]       2.4. Curre nt Regulator   and  Pulse  Wid t h   Modulation (PWM) Tecniq ue  Propo rtion a l i n tegral (PI)  cu rren t  regu lators are  sep a rately e m p l o y ed   to  regu late the sm o o t h i ng  in du ctor s’ s cu rr en t  (I L ) .   Th e sw itch i ng   sign als of  t h e chopp er s  pow er sw itch e s ar p r o d u c ed   b y  com p ar in g   the error of the   m easure d  sm oothing  in du c t or s  cu rr en ts ,  and  a  s a w t oo th  ca r r i e r   w a v e fo rm u s in g  co mp a r a t or  circu its.  Th ou pu t si g n als  will d e term in e th op eration  of th e ch opp er s  con t ro lled  power switch e s t o  attain   stable DC c u rrent-s o urces  of  th e inv e r t er  circu its [8 ]- [1 1 ] Fo r th e m o d u latio n  techn i qu e,  a m u lti-carrier w ith level-sh ifted   b a sed  si n u s o i d a l   p u l se wi d t m odul at i o n  (P WM )  st rat e gy  i s   ap pl i e d  t o  c ont r o l  t h e  i nve rt er s  p o w er s w i t c hes Som e  triangular carrie r   wav e fo rm s with  th e sam e  p h a se and  frequ e ncy are u tilized   in  th is techn i qu e T h e funda m ental  output current  fre que ncy   of  t h e i n ve rt er i s   det e rm i n ed by  t h fre que ncy  o f  t h e  m odul at ed si g n al   (a  refe rence  si n u s oi dal   wave f o rm ).  T h e s w i t c hi n g   fre que ncy   of   t h e i n vert er s   po we r s w i t c he s i s   defi ned  b y  t h fre que n c y  of   trian g u l ar  carrier wav e form s.  A  t o tal,  (V -1 )  o f  triangu lar carrier  wav e fo rm s are  requ ired  i n  th V -le v el o u tp ut  cur r ent   wa vef o rm  generat i o of  t h e i nve rt er  ci rcui t s  [ 8 ] - [ 1 4 ] .       Tabl 3. T e st  p a ram e t e rs of i n vert er  ci rc ui t s   Sm oothing inducto r s   600  H   DC power  sour ce  voltage   160 V  Switching fr equen c y  of inver t er  22 kHz  Filter c a pacitor  Lo ad   R  = 6. L  =1.2 mH  Output cur r e nt fr equency   60 Hz            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 4 ,  No . 2 ,   Jun e  2 014    16 –  17 17 0 3.   Com p uter  Si mulati on and Ex perimental Test  Results   The  ope rat i o n  of t h pr op os ed t o p o l o gy  i s  t e st ed t h r o ug h com put er  si m u l a t i on an expe ri m e nt al   pr ot ot y p e  i n  l a bo rat o ry T h e  seve n-l e vel   C S I c o n f i g ura t i on as  s h o w n  i n  Fi g u re  6   was t e st ed   by  usi n g   com put er si m u l a t i on wi t h  PS I M  soft ware T h param e t e rs of  tested t h e inverter circ uits  are listed i n   T a ble 3.  Fi gu re  8 s h ow s t h e c o m put er  sim u l a t i on re s u l t s  o f  t h e   sev e n-l e vel  C S I .   The se ve n- le ve l and the l o ad  current  wave f o rm s are prese n t e d i n  t h i s  fi g u re . Fi g u re  9 sh o w s t h e DC  cur r e n t  wave f o rm s fl owi n g t h r o ug h t h e 6 0 0 - H sm oot hi ng   i n d u ct o r s L 1,  L and L 3 T h am pl i t udes  of  t h e sm oot hi ng  i n d u ct o r  c u rre n t s are  wel l  bal a nce d   fo r al l  sm oot hi ng  i n duct o rs  I L1 , I L2  and  I L3   [8 ]           Fi gu re  8.  Se ve n-l e vel  P W M  c u r r ent  a n d l o a d  cu rre nt   wave f o rm s   Fi gu re  9.  DC  c u r r ent   wa vef o r m s of sm oot hi ng   in du ctor s           Fi gu re  1 0 . E x p e ri m e nt al  t e st  r e sul t s  o f  l o ad  c u r r ent  a n d se ve n l e vel   P W M  c u r r ent   wa vef o r m     Furt herm ore,  i n o r de r t o   v e ri fy  t h e p r o pos ed se ve n-l e vel  C S I c o n f i g urat i o ns e x peri m e nt al l y l a bo rat o ry   pr ot ot y p es se ven - l e vel  C S I wa con s t r uc ted  wi th  IXFK90 N30  power MOSFET s in  series with   DSE I 1 2 0 - 0 6A  fast reco very  d i odes .   T h e   lo w   o n -resistance  (R DS on ) of th p o w e r  MO S F E T s ,  an d low for w ar 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 Si ngle-Phase  Multilevel Current-Sour ce   Converter using H-Bri d ge an d DC  Current M o dules  (Suroso)  17 1 vol t a ge  d r o p   ( V F ) of  diodes  are chose n  i n   order to m i nimize  th e cond u c tio n  lo sses.  The on -resistan c e o f  th po we r M O SF ET s a n d  t h e  f o rwa r d - vol t a ge   dr o p   of  t h e   di ode s a r 3 3  m Ω   an d 1. 3   V ( ma x ), re spectiv ely .   Th e   i m p l e m en ted  circu it sp ecificatio n s  are id en tical with th c o m put er si m u l a ti on  pa ram e t e rs i n   T a bl e  3 .   T h e DC   resi st ance  of t h e 0 . 6 m H  sm oot hi n g  i n du ct ors i s   2 6 . 5  m Ω   obtaine d from  m easurem e n t.  T h e control  circuits  were bu ilt u s ing  an alog  circu i ts.  Th e op to-iso lato r b a se d   g a te d r i v er ci rcu i ts are  u s ed  in th p r o t o t yp es.   Fi gu re 1 0  s h o w s t h e e xpe ri m e nt al  wavef o rm s of t h e sev e n-l e vel  C S I, i . e., s h o w i n g t h e l o ad c u r r ent   and  P W M  s e v e n-l e vel  c u r r en t  wa vef o rm s at  m odul at i o n  i n dex   of  0 . 9 5 .   A s  can   be see n   i n  t h e  fi gu re,  a  l o w   d i sto r ted  si n u s o i d a l lo ad   curren t wav e form   i s  ob tain ed  after filtering   b y  a  sm a ll 5 - F filter cap acito r .         4. CO N C L U S I ON   In  th is p a p e r,  a n o v e l circu it co nfigu r ation  o f   m u ltilev e l c u rren t - source in v e rter h a s b e en  presen ted  and ve ri fi ed.   In  th is  n e w t o po log y , a three-lev e l H-b r i d ge CS I is conn ected  with  a si ng le or m o re curren t - m odules to ge nerate the m u ltilevel output current  wave fo rm . In orde to cont rol  the interm ediate  current  lev e ls and  to red u c e th e size  o f  t h e indu ctors u s ed  in  th m u l tilev e l CSI, chop p e r circuits with  propo rtio n a l   in teg r al  (PI) cu rren regu lator are im p l e m e n ted  t o  g e n e rat e  t h e DC  c u rre nt -s ou rces  of  t h e i n vert e r Us i ng t h e   prese n t e d  t o po l ogy  a nd  fr om  t e st  resul t s   of  t h e se ven - l e v e l  C S I, a si nus oi dal  l o a d  c u r r e nt  wa vef o rm s wi t h   l e ss di st o r t i o n,  l e ss c o m pone nt of  i n vert er ,  sm all e r si ze o f  sm oot hi ng  i n duct o rs  a n d  wi t h  l o wer  i n du c t or’ s   conduction los s es can be  achi e ved.        REFERE NC ES  [1]   Bai ZH,   et al .   Conform a tion o f  m u ltil evel  curr ent source  conv erter  topolog ies  using the dual i t y  pr inciple.  IE EE  Trans. on Power  Electronics . 200 8; 23: 2260-226 7.    [2]   Xu D,  et al .   A medium voltage AC drive w ith par allel cu rrent sou r ce in verters for  high power app lication . Proc. o f   IEEE PES Conf erence. 2005; 22 77-2283.    [3]   Suroso,   et  al.  Multil evel  curr ent  waveform  gene ration using  in d u ctor  cel ls and  H-bridge curr ent  source inv e rt er ,   IEEE Tr ansactio ns on Power  Electronics. 2012 ; 2 7 : 1090-1098.    [4]   Antune s FLM,   e t  al . Appl ica tion  of a g e ner a li zed  curren t  m u lti lev e cel l to  curr ent  s ource  invert ers .   IE EE T r ans. o n   Power Electroni c. 1999 ; 46 : 31- 38.    [5]   Bao  J Y , et al .   P WM contr o l  of  a  5-le vel  s i ngl e-p has e cur r e nt-s ou r ce in ver t e r  with  contr o l l ed  inter m ediate  DC lin k   c u rre nt . Pro c . of  IEEE PES Conf erence. 2006; 16 33-1638.    [6]   McGrath BP,   e t  al . Natur a c u rrent ba lan c in g of m u ltic ell   current sour ce  invert er.  I E EE  Trans. on Power  Electronics . 200 8; 23: 1239-124 6.    [7]   Vazquez N, e t  a l . A differen t  m u ltil evel  curren t  source invert er IEEE Trans. on Industrial Ele c tr onics .    2010; 57:  2623-2632.   [8]   S u ros o , et al.  New H-Bridge Multilevel Current -source PWM Inverter with Re duced Switching Devices Count.  Proc.   of IEEE IPEC  2 010 confer ence.  2010; 1228-123 5.  [9]   Barbosa PG, et al. Boost curren t  m u ltilevel inver t er and  its appl ication on single p h ase grid connected photovolt a i c   sy s t e m .   I E EE Trans. on  Power Electronics . 2006; 21; 1116-1124 [10]   Suroso,   et al .  H-Bridge Based Five-Level Current-Source I nverter for Grid Connected Photovotaic Power   Conditioner .  TELKOMNIKA . 20 13; 11; 489-494.  [11]   Suroso,   et al. Com m on-E m itter  Topolog y  of Multilev e l Curr en t-Source Pulse Width Modulation Invert er with   Chopper based   DC-Current Sou r ces.  IET  Pow e Ele c tronics . 201 1; 4: 759-765.    [12]     Li RIH, et al.  An activ modulation  techniqu e for single- phase grid conn ected CSI.  IEEE  Trans. on Power   Electronics . 200 7; 22; 1373-138 0.    [13]   Wu B.  High  Power Converters  and AC Driv es.  IEEE Pre ss,  New J e rse y.  2006 [14]   Kwak S, et  al.  Multilev e l  conv erter  topolog y   u s ing two t y p e s o f  curren t -source  invert ers.  I EEE  Trans. on Inductry   Applica tions . 20 06; 42; 1558-15 64.        BIOGRAP HI ES  OF AUTH ORS        Suroso  received  the B.  Eng. d e gree in  ele c tr ica l  engin eering ,  fr om  Gadjah M a da Univers i t y ,   Indonesia  in 20 01, and  the M. Eng. degree  in  electr i cal  and  electro n i cs en gineer ing from  Nagaoka Univer sity  of  Technolog y ,  Japan in 2 008. He was a re search  student at  electr ical  engineering dep a rtment,  Tok y o University , Jap a n from 2005 to 2 006. He earned  the Ph.D degree  in energ y   and en vironment engin eering d e partment , Nagaok a University  of Techn o log y , Japan  in  2011.He was a v i siting r e search er at electri c al  an d electroni cs en gineer ing dep a rt m e nt, Shizuoka  University , Japan from 2009 to  2011.  Curren t ly , He is an  assistant  prof essor at  department of  electrical engin e ering, Jenderal  Soedirman Univ ersity , Purwoker t o, Cen t ral Java, Indonesia.His  research  in terest  includ es power   converters, and  its application  in r e newable  energ y  conversion .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 4 ,  No . 2 ,   Jun e  2 014    16 –  17 17 2   Toshihiko Noguchi was born in 1959.  He received the B .   Eng. degree in  electr ical eng i neering  from  Nago y a  In stitute of  Te chn o log y , Nago ya Japa n, and  the  M. Eng.  and D.  Eng. degr ees in   electrical and   electronics s y stems engineer in g from Nagao k a University   of Technolog y ,   Nagaoka, Japan ,  in 1982, 1986, 1996, r e spectiv ely .    In 1982 , h e  join ed Toshib a Corporation,  Tok y o ,  J a p a n.   He was  a L ectu r er at  Gifu Nat i onal Col l ege  of  Techno log y , Gif u , J a pan ,  from   1991 to 1993 and a Resear ch Associate in electri cal  and electronics s y stems engineering at  Nagaoka Univer sity  of  Technolog y  from 1994 to  1995.  He  was an Associate Professor at  Nagaoka Univer sity  of Technolo g y  from 1996 to  2009.  He has been a Professor at Shizuoka  University  sin c 2009.   His resear ch in terests  ar e s t atic power  conv erters  and motor   drives.            Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.