I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.  1 4 ,   No .   1 Ma r ch   20 2 5 ,   p p .   1 1 ~ 22   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e . v1 4 . i 1 . p p 1 1 - 22          11       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij a p e . ia esco r e. co m   Ana ly sis  and sim ula tion o 7 - lev el  a nd 9 - lev el cas ca ded    H - br idg e mul ti - le v el inverters       Su j a t ha   B a nk a 1 ,   Cha v a   Su ni l K um a r 1 Su re nd er   Reddy   Sa lk uti 2 ,   Sa i Srut hi B h up a t h ira j u 1 ,   K a s o j u P ra g a t hi B a la k is ha n 1 ,   P a ipo t i   P o o j a   Cha t ury a 1 ,   Ris hitha   Na m ineni 1   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   B V R I H Y D ER A B A D   C o l l e g e   o f   E n g i n e e r i n g   f o r   W o m e n ,   H y d e r a b a d ,   I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   R a i l r o a d   a n d   El e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g ,   W o o s o n g   U n i v e r s i t y ,   D a e j e o n ,   R e p u b l i c   o f   K o r e a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   9 ,   2 0 2 4   R ev is ed   J u l 2 7 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Au g   1 5 ,   2 0 2 4       M u lt i - le v e in v e rters   (M LIs)  h a v e   c re a ted   a   n e re v o lu ti o n   in   h i g h - p o we a n d   m e d iu m - v o lt a g e   a p p li c a ti o n s   in   i n d u stry   a n d   re se a rc h .   In   re c e n y e a rs,  c a sc a d e d   m u lt i - lev e in v e rters   h a v e   g a in e d   sig n ifi c a n in tere st  d u e   to   th e ir   a b il it y   t o   g e n e ra te  h i g h - q u a li t y   o u t p u wa v e fo rm with   re d u c e d   to tal   h a rm o n ic  d isto rt io n   (THD).  Th is  p a p e d isc u ss e t h e   a n a ly sis  a n d   s imu l a ti o n   o 7 - lev e l   a n d   9 - lev e l   c a sc a d e d   H - b ri d g e   m u lt i - lev e l   in v e rt e rs  u sin g   m a th e m a ti c a m o d e ls  a n d   sim u l a ti o n   to o ls.  Th e   p ro p o se d   re se a rc h   p u ts  e m p h a sis  o n   e v a l u a ti n g   th e   p e rfo rm a n c e   a n d   c o n tro stra teg ies   o th e se   in v e rters .   T h e   c o n tro l   stra teg ies ,   in c lu d in g   p u lse   wi d th   m o d u latio n   (P W M )   tec h n iq u e s,  a re   d isc u ss e d   in   d e p th ,   with   a   f o c u s   o n   t h e ir   e ffe c o n   o u tp u wa v e fo rm   q u a li t y   a n d   re d u c ti o n   o THD.  T h e   sim u latio n   re su lt a re   c o m p a re d   to   s h o wc a se   th e   a d v a n tag e o ffe re d   b y   th e   c a sc a d e d   m u lt i - lev e l   in v e rters   in   term o wa v e fo r m   q u a li ty .   Th e   fin d in g d e m o n stra te  th e   su p e rio p e rfo rm a n c e   a n d   p o we q u a li t y   a d v a n tag e o ffe re d   b y   th e se   m u lt i - lev e in v e rters   c o m p a re d   to   trad it io n a tw o - lev e in v e rters .   Ad d it io n a ll y ,     a   p a ss iv e   LC  fil ter  is  d e sig n e d   a n d   imp lem e n ted   a lo n g   wit h   a   m u lt i - lev e l   in v e rter  c o n fi g u ra ti o n   th a h e lp t o   k e e p   th e   THD  with i n   t h e   li m it s   sp e c ifi e d   b y   IE EE   sta n d a rd s.   K ey w o r d s :   L C   f ilter   Mu lti - ca r r ier   p u ls wid th   m o d u latio n   Mu lti - lev el  in v er ter   Pu ls wid th   m o d u latio n   T o tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   T h is i a n   o p e n - a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Su r en d er   R ed d y   Salk u ti   Dep ar tm en t o f   R ailr o ad   an d   E lectr ical  E n g in ee r in g ,   W o o s o n g   Un iv er s ity   J ay an g - Do n g ,   Do n g - Gu ,   Dae j eo n - 3 4 6 0 6 ,   R ep u b lic  o f   Ko r ea   E m ail:  s u r en d er @ wsu . ac . k r       1.   I NT RO D UCT I O N   T h in cr ea s in g   ad o p tio n   o f   c ascad ed   H - b r i d g m u lti - lev el   in v er ter s   in   r ec en t   d ec ad es  is   lar g ely   d r iv en   b y   th eir   ca p ac ity   to   g en er ate  h i g h - q u ality   v o ltag wav ef o r m s   with   lo wer   h ar m o n ic  co n ten t.   T h ese   ad v an ce d   p o wer   elec tr o n ics  ar u s ed   in   elec tr ic  v eh icles,  in d u s tr ial  d r iv es,  an d   r en ewa b le  e n er g y   s y s tem s   [ 1 ] .   T h r is in g   d em a n d   f o r   ef f icie n an d   r eliab le  p o wer   co n v er s io n   s y s tem s   h as  led   t o   g r o win g   in ter est  in   th e   ad v an ce m e n o f   s o p h is ticated   in v er ter   to p o lo g ies.   T h e   f u n d am en tal  p r in ci p le  b eh in d   th e   ca s ca d ed   H - b r id g e   m u ltil ev el  in v er ter   ( C HB ML I )   lies   in   its   ca p ab ilit y   to   p r o d u c s tep p ed   wav ef o r m   b y   in te g r atin g   th o u tp u ts   o f   n u m er o u s   s er ies - co n n ec ted   H - b r id g s witch es.  T h v o lt ag lev els  in   ea ch   H - b r id g s witch   ar ty p ically   estab lis h ed   u s in g   m ix   o f   DC   s o u r ce s ,   in clu d in g   b atter ies  o r   ca p ac ito r s ,   co m b in e d   with   th s witch in g   f u n ctio n   o f   s em ico n d u ct o r   d ev ices  lik I GB T s   an d   MO SF E T s   [ 2 ] .   Mo d u lar ity   an d   s ca lab ilit y   o f   th C HB ML I   m ak it  s u itab le  f o r   v ar io u s   ap p licatio n s   wh e r h ig h - q u ality   p o wer   co n v er s io n   is   r eq u ir e d .   T h m u lti - lev el  n atu r o f   th es i n v er ter s   allo ws  f o r   th e   p r o d u c tio n   o f   n ea r - s in u s o id al  v o ltag wav ef o r m s   with   f ewe r   h ar m o n ics  th an   tr ad itio n al  in v er ter s .   T h is   p ap er   c o n ta in s   s im u latio n   an d   an aly s is   o f   7 - lev el  an d   9 - lev el   co n f ig u r atio n s   o f   ca s ca d e d   H - b r id g e   in v e r ter s .   I n   ca s es  o f   s witch   f ailu r e   o r   f au lts ,   th e   s y s tem s   r em ain in g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  1 4 ,   No .   1 Ma r ch   20 2 5 1 1 - 22   12   s witch es  ca n   co n tin u e   to   o p er ate,   th er eb y   m in im izin g   d o wn tim an d   im p r o v in g   o v e r all  s y s tem   r eliab ilit y .   As  r esear ch   an d   d ev el o p m en t   in   th is   f ield   ad v an ce ,   th ese  in v e r ter s   ar p r o jecte d   to   b cr u ci al  in   th f u tu r o f   s u s tain ab le  en er g y   s y s tem s   an d   elec tr if icatio n   [ 3 ] - [ 5 ] .   Fig u r 1   s h o ws  th s ch em atic  d iag r am   o f   th p r o p o s ed   m o d el.   T h i n v er ter s   o u tp u t   v o ltag e   wav ef o r m s   ex h ib it  s ig n if ican to tal  h a r m o n ic  d i s to r tio n   ( T HD) .   T o   m itig ate  v o ltag h a r m o n ics in   th wav ef o r m ,   it is   cr u cial  to   u s an   L C   f ilter   f o r   s u p p r ess io n .           Fig u r 1 .   B lo ck   d iag r am   o f   th p r o p o s ed   m o d el       2.   CO M P RE H E NS I V E   T H E O RE T I CA L   B A SI S   2 . 1   Co nv ent i o na i nv er t er s   T h r o le  o f   a   p o wer   in v er te r   i s   cr itical  in   co n v e r tin g   d ir ec cu r r en ( DC )   to   alter n atin g   cu r r en ( AC ) ,   allo win g   it  to   p o wer   v ar iety   o f   d ev ices  an d   ap p lian ce s .   Static  in v er ter s   th at  u s o n ly   elec tr o n ic  cir cu itry   ar e   av ailab le,   d ep en d in g   o n   ap p l icatio n   n ee d s   an d   tech n o lo g y .   T h is   b r ea k t h r o u g h   h as  m ad in v er ter s   m o r r eliab le  an d   ef f icien t,  m ak i n g   th em   ess en tial to   m an y   p o wer   s y s tem s   an d   elec tr ical  eq u ip m en t [ 6 ].     2 . 1 . 1 .   T wo - lev el  inv er t er s   two - lev el  in v er ter   g en e r ates  two   v o ltag e   lev els  f o r   l o ad ,   p r o d u cin g   +V DC   a n d   - V DC   o u tp u v o ltag es.  T h e   p u ls wid th   m o d u latio n   ( PW M )   tech n iq u is   u s ed   to   s witch   b etwe en   th ese  v o ltag le v els,  g en er atin g   AC   v o lta g e.   H o wev er ,   t h is   m eth o d   h as  d r aw b ac k s ,   s u ch   as  h ar m o n ic   d is to r tio n s   an d   h ig h   v o ltag e   ch an g e   r ate  ( d v /d t)   co m p ar ed   to   m u lti - lev el  in v er ter s   [ 7 ] Desp ite  th e   lim itatio n s ,   th e   two - lev el  in v e r ter   is   wid ely   u s ed   in   ap p licatio n s   wh er o u t p u t v o ltag d is to r tio n   an d   d v / d t a r n o t c r itical  f ac to r s   [ 8 ] .     2 . 2 .     M ulti - lev el   inv er t er s   Hig h - p er f o r m an ce ,   m ed iu m - v o ltag e   in d u s tr ial   ap p licatio n s   f av o r   m u lti - lev el   in v er ter s .   T h ey   co n v er t   DC   elec tr ici ty   f r o m   b atter ies,   s u p er ca p ac ito r s ,   or   s o lar   p an els   in to   AC   p o wer   at   d if f er en t   v o ltag es.   Mu lti - lev el   in v er ter s   co n v er t   a n d   u s e   m ed iu m - v o ltag e   p o wer   e f f ic ien tly   by   p r o d u cin g   h ig h - o u tp u t   p o wer   [ 9 ] ,   [ 1 0 ] .   T h er e   a r e   th r ee   t y p es  o f   m u lti - lev el  i n v e r ter s   as  g iv en :   d io d clam p ed   m u lti - lev el   in v e r ter ,   f ly in g   ca p ac ito r s   m u lti - lev el  in v er ter ,   an d   c ascad ed   ty p e   m u lti - lev el  in v er ter .     2 . 3 .     C a s ca ded  H - b ridg m ulti - lev el  i nv er t er   I n itially ,   th C H B ML I   to p o lo g y   was  in tr o d u ce d   f o r   m o t o r   d r iv ap p licatio n s .   D u e   t o   e l e ct r o n i s w it c h   p o w e r   r a t i n g s ,   c o n v e n t i o n a l   c o n v e r t e r s   l o s p o w e r   a n d   w e r e   i n e f f i c i e n i n   h i g h - v o l t a g e   s i t u a ti o n s .   C HB M L I   o f f e r s   l o w e r   c o s ts   a n d   r e d u c e d   e l e ct r o m a g n e t i c   in t e r f e r e n c e   c o m p a r e d   t o   c o n v e n t i o n a l   c o n v e r t e r s   [ 1 1 ] .   Hig h er   p e r f o r m an ce   with   lo T HD  an d   in cr ea s ed   ef f i cien cy   ar o b tain e d .   T h r eq u ir em en o f   s ep ar ate ,   eq u al - v alu e   DC   s o u r ce s   f o r   e ac h   H - b r id g e   in   th e   s y m m etr i ca C HB ML I   f r am ewo r k   r ed u ce s   th co m p lex ity   o f   in teg r atin g   v ar io u s   r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s   [ 1 2 ] .   T h r elatio n s h ip   b etwe en   th n u m b er   o f   H - b r i d g es  ( n )   an d   th e   lev eled   o u t p u p er   p h a s ( m )   is   g iv en   b y   th e q u atio n   m   2 n   +   1 .   Sy s tem   r eq u ir e m en ts ,   ap p licatio n s ,   s witch   lim its ,   an d   s y s tem   lo s s es sh o u ld   b co n s id er ed   wh ile  ch o o s in g   th e   o p tim u m   n u m b er   o f   lev els [ 1 3 ].     2 . 4 .    P uls width  m o du la t io ( P WM )   t ec hn iqu e s   PW tr an s m it s   in f o r m atio n   t h r o u g h   p u ls es,  with   d ata  en co d ed   in   th p u ls wid th s .   To   p r o d u ce   th e   d esire d   r esu lt,   PW tech n iq u es  ar ess en tial.  T h er e   h a v b ee n   s ev er al   m o d u latio n   tec h n i q u es  p r o p o s ed   an d   d is cu s s ed   in   th liter atu r to   ac co m p lis h   th is ,   in clu d i n g   s p ac v ec to r   PW ( S VP W M) ,   s elec tiv h ar m o n ic   elim in atio n   PW ( SHE - PW M) ,   an d   m u lti - ca r r ier   PW ( MCP W M)   [ 14 ].     2 . 4 . 1 .   M ulti - ca r rier   P WM   s c h em e   Am o n g   t h v a r io u s   m o d u latio n   tech n iq u es,  MCP W is   co m m o n ly   u s ed   f o r   c o n tr o llin g   ML I s   d u to   its   s im p licity .   T ec h n iq u es  s u ch   as  SP W M   an d   SVP W g e n er ate  p u ls es  th at  co n tr o th s witch es  in   ML I s ,   with   th g o al  o f   p r o d u cin g   n ea r - s in u s o id al  o u tp u v o ltag wh ile  m in im izin g   h a r m o n ic  d is to r tio n   [ 1 5 ] .   MCP W M,   th m o s c o m m o n ly   u s ed ,   s im p lifie s   p u ls g en er atio n   b y   co m p ar in g   r e f e r en ce   s ig n als  with   tr ian g u lar   s ig n als  to   co n tr o in d iv id u al   p o wer   s witch es.   MCP W r eq u ir es  ( n - 1 )   ca r r ier   w av es  f o r   an   n - lev el   in v er ter   [ 1 6 ] .   I t   ca n   b ca te g o r ized   in to   two   ty p es:  lev el - s h if ted   p u ls wid th   m o d u lat io n   ( L SP W M)   an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A n a lysi s   a n d   s imu la tio n   o 7 - l ev el  a n d   9 - leve l c a s ca d e d   H - b r id g mu lti - leve l in ve r ters   ( S u ja th a   B a n ka )   13   p h ase - s h if ted   p u ls wid th   m o d u latio n   ( PS PW M) .   L SP W M   en co m p ass es  v ar io u s   v a r ian t s ,   in clu d in g   p h ase  d is p o s itio n - p u ls wid th   m o d u l atio n   ( PD - PW M) ,   p h ase  o p p o s itio n   d is p o s itio n - p u ls e   wid th   m o d u latio n   ( POD - PW M) ,   alter n ate  p h as o p p o s itio n   d is p o s itio n - p u ls wid th   m o d u latio n   ( APOD - PW M) ,   an d   ca r r ier - o v er lap p i n g   p u ls wid th   m o d u latio n   ( C O - PW M)   [ 1 7 ] - [ 2 0 ] .     2 . 4 . 2 .   Sin us o ida l P WM   I n   SP W M,   th co m p a r is o n   is   p er f o r m ed   b etwe en   s in u s o id al  m o d u latin g   wav ef o r m   a n d   a   tr ian g u lar   ca r r ier   wav ef o r m   to   d ete r m in th ON/OFF  s tates  o f   th s witch es .   I f   th m o d u latin g   wa v is   g r ea ter   th an   th e   ca r r ier   wav e,   th s witch   is   O an d   th e   s tate  is   h ig h .   L o we r   am p litu d es  in d icate   lo s t at es  an d   tu r n   OFF  th s witch   [ 2 1 ].   T h e   T HD  in   th e   o u tp u v o ltag ca n   b e   r e d u c ed   b y   co n tr o llin g   th i n v er ter ' s   s witch in g   p atter n   with   SP W M.   I ca n   ea s ily   elim in ate  lo wer   h ar m o n ics.  I n   th ca s o f   th m u lti - ca r r ier   SP W tech n iq u e,     (m - 1 )   ca r r ier   wa v es  ar n ee d e d   f o r   an   m - lev el  C HB ML I .   Ma in tain in g   u n if o r m   am p litu d an d   f r eq u en cy   f o r   all  ca r r ier   wav es o r   tr ia n g u lar   wav es is   cr u cial.     2 . 4 . 3 .   L ev el  s hift   P WM   T h is   ap p r o ac h   u s es  tr ian g u lar   wav ef o r m s   f o r   all  ca r r ie r   s ig n als  o v er   th co n v er ter ' s   v o ltag r an g e.   T h ese  s ig n als h av th s am f r eq u en cy   a n d   am p litu d [ 2 2 ] .   T h ey   ar c ateg o r ized   b ased   o n   th o r g an izatio n   o f   ca r r ier   s ig n als.  Pr o d u cin g   n   l ev els  r eq u ir es  ( n - 1 )   ca r r ier   s ig n als.  I is   e m p lo y e d   f o r   in v e r ter   co n tr o with o u t   in co r p o r atin g   p o wer   b ala n cin g .       3.   M E T H O D   3 . 1 .     S im ula t i o o f   c a s ca ded  H - b ridg 7 - l ev el  MLI   T h cir cu it  to p o lo g y   o f   th 7 - l ev el  C HB ML I   an d   th ass o ciate d   o u tp u v o l ta g wav ef o r m   ar p r esen ted   in   F ig u r es   2   a n d   3 .   I c o n s is ts   o f   th r ee   H - b r id g e s ,   with   ea ch   in d iv id u al  b r id g e   co n s is tin g   o f   f o u r   s witch es   p o wer ed   b y   DC   s o u r ce .   E ac h   H - b r i d g is   ca p a b le  o f   g e n er atin g   p o s itiv e,   n eg ativ e,   an d   ze r o   v o ltag e.   I n   th is   to p o lo g y ,   all   th r ee   b r id g es  ar i n ter co n n ec te d   in   s er ies  with   ea ch   o t h er   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .   T h e   v o ltag e   p r o d u ce d   b y   ea ch   b r id g is   ad d ed   to g eth e r   to   g et  th r eq u i r ed   v o ltag e.   T h v o ltag lev els   p r o d u ce d   in   th is   ML I   ar +3   V DC ,   +2   V DC ,   +V DC ,   0,   - V DC ,   - 2   V DC ,   a n d   - 3   V DC .   T h ch ar ac te r is tics   o f   7 - lev el   C HB ML I   m ak it   s u itab le  f o r   h ig h   ap p licatio n s   th at  r eq u ir e   lo h ar m o n ic,   d is to r tio n ,   a n d   b etter   v o ltag c o n t r o l [ 25 ].   S witch in g   o p er atio n s   th at  a r u s ed   to   g en er ate   th d if f er e n v o ltag es  ar g iv en   in   F ig u r 4 .   I n   ML I s ,   co r r esp o n d in g   v o ltag es  ar g en er ated   wh en   s witch es  ar t o g g led   ON  an d   OFF  ac co r d i n g   to   s et  p atter n ,   wh er 1   in d icate s   th s witch   is   O an d   0   in d icate s   it   is   OFF  [ 26 ].   F ig u r es  5 (a ) - 5( h )   r ep r esen t   v ar io u s   wo r k in g   m o d es  o f   t h 7 - le v e m u lti - lev el  in v e r ter   th r o u g h   wh ich   v a r io u s   lev els  o f   v o ltag es  ar p r o d u ce d .   Fig u r 6   illu s tr ates th o u tp u v o ltag wav ef o r m   o f   7 - lev el   C HB ML I .             Fig u r 2 .   7 - lev el  C HB ML I   cir cu it to p o lo g y     Fig u r 3 .   7 - lev el  C HB ML I   o u tp u t v o ltag wa v ef o r m           Fig u r 4 .   Switch in g   f r eq u en cy   o f   7 - le v el  C HB ML I   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  1 4 ,   No .   1 Ma r ch   20 2 5 1 1 - 22   14   ( a)       ( b )       ( c)       ( d )     ( e)     (f)       ( g )     ( h )       Fig u r 5 . W o r k i n g   m o d es o f   t h 7 - lev el  m u lti - lev el   in v e r ter :   ( a)   V dc ,   ( b )   2   V dc ,   ( c)   3   V dc ,   ( d )   0   V dc ,   ( e)   - V dc   (f)  - 2   V dc ,   ( g )   - 3   V dc ,   a n d   ( h )   0   V dc       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A n a lysi s   a n d   s imu la tio n   o 7 - l ev el  a n d   9 - leve l c a s ca d e d   H - b r id g mu lti - leve l in ve r ters   ( S u ja th a   B a n ka )   15       Fig u r 6 7 - l ev el  C HB ML I   o u tp u t v o ltag wa v ef o r m       3 . 2 .     Sim ula t i o n o f   c a s ca ded  H - bridg 9 - lev el  M L I   T h 9 - le v el  C HB ML I   is   s p ec if ic  co n f ig u r atio n   th at  o f f er s   ad v a n tag es  in   p o wer   c o n v er s io n   ap p licatio n s .   I co n s is ts   o f   f o u r   H - b r id g es,  ea ch   c o m p o s ed   o f   f o u r   s witch es,  g en e r atin g   m u ltip le  v o ltag e   lev els,  in clu d in g   p o s itiv e,   n eg ativ e,   an d   ze r o   v o ltag es.  B y   c o m b in in g   th ese  v o ltag lev els ,   it  ac h iev es  h ig h er   r eso lu tio n   an d   f lex ib ilit y   in   g en er atin g   th o u tp u v o ltag wav ef o r m   [ 2 7 ] T h is   co n f ig u r atio n   en h a n ce s   th e   q u ality   o f   th o u tp u wav ef o r m   b y   d ec r ea s in g   h a r m o n ic  co n ten t,  h en ce   m in im izin g   n o is an d   d is to r tio n .   I also   p r o v i d es  r ed u ce d   s witc h in g   l o s s es  an d   im p r o v ed   e f f icien cy .   T h 9 - lev el   C HB ML I ' s   h ig h   v o ltag e   r eso lu tio n   is   ad v an tag e o u s   f o r   ap p licatio n s   th at  d em an d   p r ec is v o ltag co n tr o l,   en ab lin g   m o r e x ac t   ad ju s tm en ts   in   o u tp u t v o ltag an d   en h an cin g   co n tr o l   an d   ac c u r ac y   in   d if f er e n t in d u s tr ial  p r o ce s s es  [ 28 ].   T h g en er al  s tr u ctu r o f   th 9 - l ev el  C HB ML I   an d   its   co r r esp o n d in g   wav e f o r m   a r s h o wn   in   Fig u r es   7   an d   8 .   It   p r o d u ce s   an   o u tp u t   wav ef o r m   of   f o u r   p o s itiv e   lev els,   f o u r   n eg ativ e   lev els,   an d   a   ze r o   l ev el.   T h er e   ar e   9   s witch in g   m o d es   an d   i t   g en er ates   th e   r eq u ir ed   le v els   of   o u tp u t   of   v o ltag es   wh ich   ar e     +4   V DC ,   +3   V DC ,   +2   V DC ,   +V DC ,   0,   - V DC ,   - 2   V DC ,   - 3   V DC ,   a n d   - 4   V DC .   Fig u r 9   in d icate s   th co r r esp o n d i n g   v o ltag es  ac co r d in g   to   th s witch in g   p atter n .   F ig u r es  1 0 (a ) - 10( i)   r ep r esen t   v ar io u s   wo r k i n g   m o d es  o f   th 9 - lev el  C HB ML I   th r o u g h   w h ich   v ar io u s   lev els  o f   v o ltag es  a r p r o d u ce d   [ 2 9 ] .   Fig u r e   11   r ep r esen ts   th e   o u tp u t   vol tag wav ef o r m   o f   9 - lev el   C HB ML I .             Fig u r 7 .   9 - lev el  C HB ML I   cir cu it to p o lo g y     Fig u r 8 .   9 - lev el  C HB ML I   o u tp u t v o ltag wa v ef o r m             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  1 4 ,   No .   1 Ma r ch   20 2 5 1 1 - 22   16       Fig u r 9 .   Switch in g   f r eq u en cy   o f   9 - le v el  C HB ML I       ( a)     ( b )     ( c)     ( d )     ( e)     (f)     ( g )     ( h )     ( i)       Fig u r 1 0 .   W o r k in g   m o d es o f   th 9 - lev el  C HB ML I :   ( a)   4   V dc ( b )   3   V dc ( c)   2   V dc ( d )   V dc ( e)   0   V dc ( f )   - V dc   ( g )   - 2   V dc ( h )   - 3   V dc ,   an d   ( i)   - 4   V dc   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A n a lysi s   a n d   s imu la tio n   o 7 - l ev el  a n d   9 - leve l c a s ca d e d   H - b r id g mu lti - leve l in ve r ters   ( S u ja th a   B a n ka )   17       Fig u r 1 1 .   9 - lev el  C HB ML I   o u tp u t v o ltag wav ef o r m       3 . 3 .     T H a na ly s is   T h q u ality   o f   a   wav ef o r m   is   m ea s u r ed   b y   to tal  h a r m o n ic   d is to r tio n   ( T HD) ,   wh ich   is   d ef i n ed   b y   th e   h ar m o n ic  n u m b e r   ( n ) .   Har m o n ics in   th s y s tem   ca n   ca u s eq u ip m en t d e g r ad atio n   a n d   it is   cr u cial  to   m in im ize  th em .   I n   th co n tex o f   th e   M L I ,   co n tr o lled   s witch in g   p u ls e s   in   th o u tp u v o ltag ( V out )   ar u s ed   to   r ed u ce   th T HD.   L o wer in g   T HD  h e lp s   elim in ate  th p r esen ce   o f   h ar m o n ics  an d   im p r o v es  th e   q u ality   o f   p o wer   d eliv er ed   [ 3 0 ] .   Har m o n ic  d is to r tio n s   p r im ar ily   s tem   f r o m   th u s ag o f   n o n - lin ea r   lo a d s ,   p ar ticu lar ly   th o s e   in co r p o r atin g   p o wer   elec tr o n i cs,  as  th ese   lo ad s   d o   n o d r aw  cu r r en in   s in u s o id al  m an n er .   IEEE  Stan d ar d s   ty p ically   d ef in e   lim it  v alu es  f o r   v o ltag h a r m o n ics,  with   T HD  lim it  o f   5 an d   li m it  o f   3 f o r   ea ch   in d iv id u al   h ar m o n ic.   DC   v o lt ag es  an d   in v er t er   co m m u tatio n   an g les  af f ec o u tp u v o ltag e   T HD.   I n   an   id ea s ce n ar io   with   ca s ca d ed   s y m m etr ical  in v er ter s ,   all  DC   s o u r c es  r em ain   co n s tan an d   eq u al ,   as  in   ( 1 ) .   T h e   T HD  an aly s is   o f   th 7 - le v el  an d   9 - l ev el  C HB ML I   m o d el  is   s h o wn   in   Fig u r es 1 2   an d   1 3 ,   r esp ec tiv ely .        = ( ,  ) 2 = 2 1 ,    =   (  ) 2 ( 1 ,  ) 2   = 2 1 ,      ( 1 )     3 . 4 .     D esig n a nd   im plem ent a t io n o f   a   p a s s iv f ilte r   Du to   th s witch in g   n at u r o f   ML I s ,   it  in tr o d u ce s   u n d esire d   h ar m o n ics  an d   d is to r ts   th AC   o u tp u t   wav ef o r m .   F ilter s   ar e   u tili ze d   to   m itig ate  th e   h ar m o n ics  a n d   en h an ce   f u n d am en tal   co m p o n en ts   o f   th e   o u tp u v o ltag e Fil ter s   allo f o r   s m o o th er   a n d   m o r s in u s o id al   wav ef o r m ,   th u s   r ed u cin g   h a r m o n ic  d is to r tio n .   T h er ar th r ee   m ain   ty p es  o f   f ilter s   co m m o n l y   u s ed ,   t h ey   ar in d u ct o r   f ilter   ( L ) in d u c to r - ca p ac ito r   f ilter   ( L C ) ,   an d   in d u cto r - ca p ac ito r - in d u cto r   f ilter   ( L C L ) .   T h L C   f ilter ,   also   k n o wn   as  p a s s iv L C   f ilter   o r   s ec o n d - o r d er   f ilter ,   is   an   elec tr o n ic  cir cu it  th at  u tili ze s   in d u cto r s   ( L )   an d   ca p ac ito r s   ( C )   to   s h ap o r   f ilter   th f r eq u e n cy   r esp o n s o f   s ig n a l.  I is   d esig n ed   to   m ee I E E E   s tan d ar d s   b y   ac h ie v in g   less   th an   5 d ev iatio n .   Th L C   f ilter   in co r p o r ates  b o t h   an   in d u cto r   a n d   ca p ac ito r ,   m ak in g   it  s ec o n d - o r d er   f ilter .   I n   th L C   f ilter ,   a   ca p ac ito r   is   c o n n ec te d   to   th e   g r id   i n   p ar allel.   Ap p lied   with   s witch in g   m eth o d ,   th L C   f ilter   is   ca p ab le   o f   r em o v in g   lo wer - o r d er   o d d   h ar m o n ics f r o m   t h o u t p u t.   Fo r   s i n g le - p h ase  f u ll b r id g in v er ter s ,   V out ( r m s )   V DC 1 0 0 2   s in   wt,   I   =   2 0 % o f   t h r ated   cu r r en t,  a n d   I    =  4 × ×   .     =  4 × I   ×     ( 2 )     = ( 10 2 × ×   ) 2 ×   1   ( 3 )     W h er   is   in d u ctan ce   in   m H,      is   s witch in g   f r eq u e n cy   in   Hz ,   an d     is   th ca p ac itan ce   in   m F.  Fig u r es  1 4   an d   1 5   r ep r esen th o u tp u v o lta g wav ef o r m s   o f   a   7 - lev e an d   9 - lev el  C HB ML I   with   p ass iv L C   f ilter .   F ig u r e s   1 6   an d   1 7   r ep r esen t   t h T HD  an aly s is   o f   7 - lev el ,   9 - lev el   C HB ML I   wi th   f ilte r .   T h o b s er v atio n s   f r o m   th e   ab o v m o d els ar tab u lated   in   T ab le  1 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  1 4 ,   No .   1 Ma r ch   20 2 5 1 1 - 22   18       Fig u r 1 2 .   T HD  an aly s is   o f   7 - lev el  C HB ML I           Fig u r 1 3 .   T HD  an aly s is   o f   9 - lev el  C HB ML I           Fig u r 1 4 .   Ou tp u v o ltag wav ef o r m   o f   7 - le v el  C HB ML I   wit h   an   L C   f ilter   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A n a lysi s   a n d   s imu la tio n   o 7 - l ev el  a n d   9 - leve l c a s ca d e d   H - b r id g mu lti - leve l in ve r ters   ( S u ja th a   B a n ka )   19       Fig u r 1 5 .   Ou tp u v o ltag wav ef o r m   o f   9 - le v el  C HB ML I   wit h   an   L C   f ilter           Fig u r 1 6 .   T HD  an aly s is   o f   7 - lev el  C HB ML I   with   p ass iv L C   f ilter           Fig u r 1 7 .   T HD  an aly s is   o f   9 - lev el  C HB ML I   with   p ass iv L C   f ilter     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g ,   Vo l.  1 4 ,   No .   1 Ma r ch   20 2 5 1 1 - 22   20   T ab le   1.   T HD   c o m p ar is o n   of   7 - lev el   an d   9 - lev el   ML I   Le v e l   o f   M LI   P a r a me t e r s   TH D   v a l u e   F u n d a m e n t a l   c o m p o n e n t   o f   o u t p u t   v o l t a g e   ( V )   7 - l e v e l   M LI   F i x e d   D C   w i t h o u t   L C   f i l t e r   1 3 . 8 2 %   3 0 8 . 4   F i x e d   D C   w i t h   L C   f i l t e r   2 . 6 8 %   3 0 0   9 - l e v e l   M LI   F i x e d   D C   w i t h o u t   L C   f i l t e r   1 2 . 2 5 %   3 4 9 . 8   F i x e d   D C   w i t h   L C   f i l t e r   3 . 2 7 %   4 2 1 . 7       4.   CO NCLU SI O N   T h C HB ML I   is   ca p ab le  o f   p r o d u cin g   s u p er io r   q u ality   o u tp u wav ef o r m s   co m p ar ed   to   tr ad itio n al   two - lev el  in v er ter s ,   wh ich   h a s   co n tr ib u ted   to   its   r is in g   p o p u lar ity   in   ap p licatio n s   r e q u ir i n g   m ed iu m   to   h ig h   p o wer .   W h en   it  co m es  to   ML I ,   PW tech n iq u es  ar n ec ess ar y   to   ac h iev th e   d esire d   o u t p u t.  I was  d ec i d ed   to   u s th lev el  s h if p u ls wi d th   m o d u latio n   ( PW M)   tech n iq u f o r   th is   p r o ject,   with   s i n wav s er v in g   as   th m o d u latin g   s ig n al.   T h to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   ( T H D)   was  m ea s u r ed   to   b 1 3 . 8 2 f o r   th 7 - lev el   in v er ter   an d   1 2 . 2 5 f o r   th e   9 - lev el  in v er ter ,   r esp ec tiv ely .   I t   is   ev id en th at  in cr ea s in g   th n u m b er   o f   le v els  in   th ML I   lo wer s   th T HD  p er ce n tag an d   en h an ce s   th f u n d am e n tal  v o ltag e,   wh ich   s ig n if ies  im p r o v e d   in v er ter   p e r f o r m an ce .   T h ef f icien cy   o f   p a s s iv f ilter s   in   l o we r in g   T HD   is   an o th er   k ey   tak ea way   f r o m   th is   ef f o r t.  T h r o u g h   th ex ec u tio n   o f   th r eq u ir ed   c o m p u tatio n s ,   an   L C   f ilter   was   d esig n ed .   T h e   T HD   v alu es  f o r   7 - lev el  an d   9 - lev el  C HB ML I s   ar r ep o r ted   to   b 2 . 6 8 an d   3 . 2 7 %,  r esp ec tiv ely ,   o n ce   th e   p ass iv f ilter   th at  was c o n s tr u cted   is   in co r p o r ate d   with   th p r o p er   DC   in p u t v o ltag e.   Pre cise a d ju s tm en t o f   f ilter s   is   n ec ess ar y   to   g en er ate  p u r s in u s o id al  wav e f o r m s   o f   v o ltag a n d   c u r r en t,   wh ich   will d ec r ea s T HD  an d   en h an ce   ef f icien cy .       ACK NO WL E DG E M E NT S   T h is   r esear ch   wo r k   was su p p o r ted   b y   W o o s o n g   Un iv e r s ity s   Aca d em ic  R esear ch   Fu n d in g   -   2 0 2 4 .       RE F E R E NC E S   [ 1 ]   C .   R .   B a l a mu r u g a n   a n d   R .   B e sn r a j ,   A n a l y s i o f   v a r i o u s   c a r r i e r o v e r l a p p i n g   P W M   st r a t e g i e f o r   a   s i n g l e - p h a se   t e r n a r y   mu l t i l e v e l   i n v e r t e r ,   I n t e rn a t i o n a l   J o u r n a l   o f   A p p l i e d   P o w e En g i n e e r i n g   ( I J A PE) ,   v o l .   7 ,   n o .   1 ,   p p .   2 7 3 9 ,   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j a p e . v 7 . i 1 . p p 2 7 - 3 9 .   [ 2 ]   T.   P .   S a n u   a n d   A .   X a v i e r ,   C a s c a d e d   H   b r i d g e   f i f t e e n   l e v e l   i n v e r t e r ,   I n t e rn a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E n g i n e e r i n g   Re s e a rc h   &   T e c h n o l o g y   ( I J ERT) ,   v o l .   4 ,   n o .   9 ,   p p .   8 8 0 8 8 3 ,   2 0 1 5 ,   [ O n l i n e ] .   A v a i l a b l e :   h t t p s: / / w w w . i j e r t . o r g / r e se a r c h / c a sca d e d - h - b r i d g e - f i f t e e n - l e v e l - i n v e r t e r - I JER TV 4 I S 0 9 0 8 4 8 . p d f   [ 3 ]   P .   R .   B a n a ,   K .   P .   P a n d a ,   a n d   G .   P a n d a ,   P o w e r   q u a l i t y   p e r f o r m a n c e   e v a l u a t i o n   o f   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r   w i t h   r e d u c e d   sw i t c h i n g   d e v i c e a n d   mi n i m u s t a n d i n g   v o l t a g e ,   I EEE  T r a n sa c t i o n o n   I n d u st r i a l   I n f o rm a t i c s ,   v o l .   1 6 ,   n o .   8 ,   p p .   5 0 0 9 5 0 2 2 ,   2 0 2 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI I . 2 0 1 9 . 2 9 5 3 0 7 1 .   [ 4 ]   V .   T .   H a ,   P .   T.   G i a n g ,   a n d   P .   V u ,   M u l t i l e v e l   i n v e r t e r   a p p l i c a t i o n   f o r   r a i l w a y   t r a c t i o n   m o t o r   c o n t r o l ,   Bu l l e t i n   o f   E l e c t ri c a l   En g i n e e ri n g   a n d   I n f o rm a t i c s ,   v o l .   1 1 ,   n o .   4 ,   p p .   1 8 5 5 1 8 6 6 ,   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / e e i . v 1 1 i 4 . 3 9 6 4 .   [ 5 ]   D .   K a r t h i k e y a n   e t   a l . ,   P I   c o n t r o l l e r   f o r   p h o t o v o l t a i c - f e d   n o v e l   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r   t o p o l o g i e s ,   I n d o n e si a n   J o u r n a l   o f   E l e c t r i c a l   En g i n e e ri n g   a n d   C o m p u t e r   S c i e n c e v o l .   2 9 ,   n o .   3 ,   p p .   1 2 6 8 1 2 8 0 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j e e c s. v 2 9 . i 3 . p p 1 2 6 8 - 1 2 8 0 .   [ 6 ]   A .   T.   B a l a k r i sh n a n ,   A .   Jam e s,   J.   T.   J o b ,   a n d   A .   T h o m a s,   S e v e n   l e v e l   i n v e r t e r ,   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E n g i n e e ri n g   Re s e a r c h   &   T e c h n o l o g y   ( I J ERT) ,   v o l .   6 ,   n o .   4 ,   p p .   8 5 7 8 7 6 ,   2 0 1 7 ,   d o i :   1 0 . 1 7 5 7 7 / I JER T V 6 I S 0 4 0 6 5 3 .   [ 7 ]   T.   Q a n b a r i   a n d   B .   To u si ,   S i n g l e - s o u r c e   t h r e e - p h a se   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r   a ssem b l e d   b y   t h r e e - p h a se   t w o - l e v e l   i n v e r t e r   a n d   t w o   si n g l e - p h a s e   c a sc a d e d   h - b r i d g e   i n v e r t e r s,”   I EEE   T ra n s a c t i o n s   o n   Po w e r   El e c t r o n i c s ,   v o l .   3 6 ,   n o .   5 ,   p p .   5 2 0 4 5 2 1 2 ,   2 0 2 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TPE L. 2 0 2 0 . 3 0 2 9 8 7 0 .   [ 8 ]   G .   G r a n d i ,   J.   L o n c a r sk i ,   a n d   O .   D o r d e v i c ,   A n a l y s i s   a n d   c o m p a r i so n   o f   p e a k - to - p e a k   c u r r e n t   r i p p l e   i n   t w o - l e v e l   a n d   m u l t i l e v e l   P W M   i n v e r t e r s,   I E EE  T r a n sa c t i o n o n   I n d u s t ri a l   El e c t ro n i c s ,   v o l .   6 2 ,   n o .   5 ,   p p .   2 7 2 1 2 7 3 0 ,   2 0 1 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI E. 2 0 1 4 . 2 3 6 3 6 2 4 .   [ 9 ]   N .   B h a r g a v a ,   S .   G u p t a ,   a n d   S .   P .   P h u l a mb r i k a r ,   A n a l y s i s o f   a s y mm e t r i c a l   c a sc a d e d   7   l e v e l   a n d   9   l e v e l   mu l t i l e v e l   i n v e r t e r   d e s i g n   f o r   a sy n c h r o n o u mo t o r ,   I n t e r n a t i o n a l   J o u rn a l   o f   En g i n e e ri n g   Re s e a rc h   T e c h n o l o g y   ( I J ERT) ,   v o l .   3 ,   n o .   8 ,   p p .   4 9 9 5 0 4 ,   2 0 1 4 ,   d o i :   1 0 . 1 7 5 7 7 / I JER TV 3 I S 0 8 0 4 5 0 .   [ 1 0 ]   N .   R a ma l i n g a a n d   A .   T h i a g a r a j a n ,   F P G A - b a se d   f a u l t   a n a l y s i f o r   7 - l e v e l   sw i t c h e d   l a d d e r   mu l t i - l e v e l   i n v e r t e r   u si n g   d e c i s i o n   t r e e   a l g o r i t h m ,   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   R e c o n f i g u r a b l e   a n d   Em b e d d e d   S y st e m ( I J RE S ) ,   v o l .   1 2 ,   n o .   2 ,   p p .   1 5 7 1 6 4 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j r e s. v 1 2 . i 2 . p p 1 5 7 - 1 6 4 .   [ 1 1 ]   A .   G a i k w a d   a n d   P .   A .   A r b u n e ,   S t u d y   o f   c a sc a d e d   H - B r i d g e   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r ,   i n   2 0 1 6   I n t e rn a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   A u t o m a t i c   C o n t r o l   a n d   D y n a m i c   O p t i m i za t i o n   T e c h n i q u e s   ( I C A C D O T ) P u n e ,   I n d i a ,   2 0 1 6 ,   p p .   1 7 9 182 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C A C D O T. 2 0 1 6 . 7 8 7 7 5 7 4 .   [ 1 2 ]   S .   M   a n d   A .   K .   P a r v a t h y ,   I mp r o v e d   r e l i a b l e   mu l t i l e v e l   i n v e r t e r   f o r   r e n e w a b l e   e n e r g y   s y st e ms,”   I n d o n e si a n   J o u r n a l   o f   El e c t ri c a l   En g i n e e ri n g   a n d   C o m p u t e r   S c i e n c e ,   v o l .   1 4 ,   n o .   3 ,   p p .   1 1 4 1 1 1 4 7 2 0 1 9 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j e e c s. v 1 4 . i 3 . p p 1 1 4 1 - 1 1 4 7 .   [ 1 3 ]   H .   V   S a b h a y a   a n d   V .   S .   S h e t h ,   C o mp a r a t i v e   a n a l y si s   o f   c a s c a d e   H - b r i d g e   m u l t i l e v e l   v o l t a g e   so u r c e   i n v e r t e r ,   I n t e r n a t i o n a l   J o u rn a l   o f   El e c t r o n i c s,  El e c t ri c a l   a n d   C o m p u t a t i o n a l   S y st e m   ( I J EE C S ) ,   v o l .   4 ,   p p .   1 6 8 1 7 8 ,   2 0 1 5 .   [ 1 4 ]   B .   P .   M c G r a t h   a n d   D .   G .   H o l mes ,   M u l t i c a r r i e r   P W M   st r a t e g i e f o r   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r s,   I EEE  T r a n sa c t i o n o n   I n d u st r i a l   El e c t r o n i c s ,   v o l .   4 9 ,   n o .   4 ,   p p .   8 5 8 8 6 7 ,   2 0 0 2 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI E. 2 0 0 2 . 8 0 1 0 7 3 .   [ 1 5 ]   P .   K i r u t h i k a   a n d   R .   K a n n a n ,   M u l t i - c a r r i e r   b a s e d   2 7 - l e v e l   h y b r i d   m u l t i - l e v e l   i n v e r t e r   i n t e r f a c e   w i t h   p h o t o v o l t a i c ,   T ELKO MN I K I n d o n e s i a n   J o u r n a l   o f   El e c t ri c a l   E n g i n e e r i n g ,   v o l .   1 3 ,   n o .   3 ,   p p .   4 6 7 4 7 5 ,   2 0 1 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / t e l k o m n i k a . v 1 3 i 3 . 7 1 4 0 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.