I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 ,   p p .   1 9 8 2 ~ 1 9 9 3   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 7 . i 3 . p p 1 9 8 2 - 1 9 9 3           1982       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   THD  r educ tion in  a 1 3 - lev el multil e v el inverter  using   the  a ng le  co ntrol tec hnique       Dew a n Ash ik ur  Ra ha m a n,  Aiv e  Ala m g ir,   M d Ash ra f   H o s s a in ,  T a pa n K um a r  Cha k r a bo rt y ,    Ra is ul I s la m   Ra f i ,   Ra iy a n R a hm a n Z iha d,  M d.  Ab du lla h   Al  M a hm ud ,  Sa m ia   Sa rk a r   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   E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r si t y   o f   A si a   P a c i f i c ,  D h a k a ,  B a n g l a d e s h       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma r   5 ,   2 0 2 6   R ev is ed   J u l 2 1 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Au g   1 4 ,   2 0 2 6       Wh e n   c o m p a re d   t o   a   trad i ti o n a l  m u lt il e v e l  i n v e rter,  m u l ti lev e l  i n v e rters   c a n   p ro d u c e   sw it c h e d   wa v e fo rm s  with   lo we r  a m o u n ts  o f  h a rm o n ic  d isto rti o n .   Du e   to   t h e ir  c a p a c it y   t o   p r o v i d e   e x c e ll e n t  o u t p u t  wa v e f o rm s  a t  lo we r  sw it c h in g   fre q u e n c ies   a n d   wit h o u t  d isto rti o n ,   m u lt il e v e l  i n v e rt e rs  h a v e   re c e n tl y   a tt ra c ted   m o re   a tt e n ti o n .   Th e   d y n a m ic  v o l tag e   re sto re r' s  m u lt il e v e l   to p o lo g y   re d u c e s  th e   o u t p u t  wa v e fo rm ' s  h a rm o n ic  d isto rti o n   wit h o u t  c a u sin g   in v e rter  p o we r  o u tp u t  l o ss e s.  T h is  stu d y   e x a m i n e s  th e   m o st  wi d e ly   u se d   to p o lo g ies   to   d e term in e   h o w  th e   sin u so i d a l  sw it c h in g   a n g le  a ff e c ts  to tal  h a rm o n ic  d isto rt io n   (THD% ) .   A m o n g   th e   c ru c ial   m u lt il e v e l  t o p o lo g ies ,  th e   c a sc a d e d   H - b rid g e   wa s  se lec ted .   Be c a u se   it   n e e d e d   fe we r  p a rts   th a n   th e   o th e rs.  As y m m e tri c   wa s  se lec ted   fo r  o b se rv a ti o n   a n d   sim u latio n s   o f  o u t p u t   v o lt a g e s  u p   to   F if tee n   lev e ls  fo r   e q u a l  a n d   sin u so i d a l  a n g les   u si n g   P S I M   so ftwa re   a fter  a   re v iew   o f  th e   li t e ra tu re .   Ap p r o p riate   sw it c h i n g   a n g les   we re   m a in tain e d   in   th is  re se a rc h .   W it h   fe we r  H - b rid g e s,  h ig h e r - lev e l   m u lt il e v e l  in v e rters   h a v e   b e e n   m a n u fa c tu re d .   K ey w o r d s :   An g le   E q u al  s tep   an g le   I n v er ter   Mu ltil ev el  in v er ter   T o tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   T h is i s  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 :   Dew an   Ash ik u r   R ah am an   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ic  E n g i n ee r in g ,   Un iv e r s ity   o f   Asi a  Pacif ic    7 4 /A,   Gr ee n   R o ad ,   Dh ak a  1 2 0 5 ,   B an g lad esh   E m ail:  ash ik @ u ap - b d . ed u       1.   I NT RO D UCT I O N   A  m u ltil ev el  in v er ter   ( ML I )   i s   a  ty p e  o f   p o wer   elec tr o n ics  s y s tem   th at  co n v er ts   m u ltip le   lo w - lev el  DC   in p u ts   in to   an   AC   o u tp u t  with   ad ju s tab le  f r eq u en cy   a n d   v o ltag e  [ 1 ] .   Mu ltil ev el  in v er ter s   ( ML I s )   ar e   s o p h is ticated   iter atio n s   o f   tw o - lev el  in v e r ter s   d esig n ed   f o r   m ed iu m -   an d   h ig h - p o wer   ap p licatio n s   [ 2 ] .   T h e   th r ee - lev el  co n v er ter   [ 3 ]   s er v e d   as  th e  f o u n d atio n al  co n ce p t th at  in itiated   th e  ev o lu tio n   o f   ML I s .   T h ey   co n s is t  o f   a  n etwo r k   o f   p o wer   s em ico n d u ct o r s   an d   ca p ac itiv e  v o ltag e  s o u r ce s   th at  ca n   d eliv e r   a  s tep p ed   v o ltag e   wav ef o r m   r esem b lin g   a   s in u s o id al  s h ap e  wh en   i n ter co n n ec ted   an d   r eg u lated   [ 4 ] .   T h e  g r o win g   u s e  o f   r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s ,   in clu d in g   s o lar   p h o to v o ltaic  an d   win d   en er g y   s y s tem s ,   n ec ess itates  th e  d ev elo p m e n t  o f   cu ttin g - ed g e   tech n o lo g y   f o r   ef f icien t  i n teg r atio n   [ 5 ] .   Mu ltil ev el  in v e r ter s   ( ML I s )   o f f e r   s u p er io r   o u tp u t  wav ef o r m   q u a lity ,   r ed u ce d   h ar m o n ic  d is to r tio n ,   im p r o v ed   elec tr o m ag n etic  co m p atib ilit y ,   an d   a  m o d u lar   s tr u ctu r e,   m ak in g   t h em   s u itab le  f o r   a  wid e   r an g e  o f   ap p licatio n s   [ 6 ] .   T h eir   e f f ic ien cy ,   h ig h   v o ltag e   ca p ac ity ,   an d   im p r o v ed   p er f o r m an ce   m ak e  t h ese  d ev ices h ig h ly   attr ac tiv e  in   p o wer   elec tr o n ics [ 7 ] ,  [ 8 ] .     C o n v en t io n a l  m u l t il ev e l  in v e r ter   to p o lo g ie s   l ik e   f ly in g   c ap ac it o r ,   d io d e - c lam p ed ,   an d   ca s c ad ed   H - b r id g e   co n v er ter s   f a ce   a   r ap id   in cr ea s e   in   p o we r   d e v ice s   wi th   h ig h er   o u tp u t   v o lt ag e   l ev e l s .   T h is   ex p o n en ti al   g r o wt h   co m p lic at es   th e  in v er t er ,   r e s u lt in g   in   in cr ea s ed   co s t s ,   l o s s e s ,   an d   m o r e  s t r in g en t   co n tr o l   an d   th er m al  m an a g em en t  n ee d s   [ 8 ] .   V ar i o u s   to p o lo g ie s   wer e  p r o p o s e d   to   ad d r e s s   th e  i s s u e s   wi th   co n v en tio n al   ML I   [ 9 ] ,  [ 1 0 ] .   P r io r   s tu d ie s   [ 1 1 ]   h av e   h ig h l ig h ted   t h e   l im it at io n s   a s s o c ia te d   w i th   co n v en t io n a l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       THD  r ed u ctio n   in   a   1 3 - leve l  mu ltil ev el  in ve r ter u s in g   …   ( Dewa n   A s h iku r   R a h a ma n )   1983   m o d u la r   s tr u c tu r es .   A li s h a h   e t  a l.   [ 1 2 ]   i n tr o d u ce d   a  to p o lo g y   w i th   tw o   r ev er s e - co n n ec te d   T - ty p e   s t r u c tu r e s ,   ac h i ev in g   a  9 - lev el  o u tp u t  w ith o u t  an   H - b r id g e .   Ho s s e in z ad eh   e t  a l .   [ 1 3 ]   p r o p o s e d   a  m o d if ied   H - b r id g e   in v er ter   u s in g   d io d e s ,   c ap a ci t o r s ,   an d   m u l tip le   D C   s o u r ce s   to   c r ea te   v ar io u s   v o lt ag e  le v el s ,   wi th   ca p ac ito r s   ch ar g ed   t o   t w ice   th e  in p u t   v o l tag e   f o r   en h an ce d   m o d u la tio n   p er f o r m an c e.     Mu l ti lev el   in v er t er s   ( ML I s )   u s e   m u l t ip l e  i n v er ter   u n i t s   t o   g en er at e  s p e ci f i ed   A C   v o l tag e   l ev e l s   f r o m   v ar io u s   D C   s o u r ce s   [ 1 4 ] - [ 1 6 ] .   W h il e  th eir   s tep p ed   o u tp u t  ca n   in tr o d u c e  h a r m o n i c  ch a ll en g e s ,   p r o d u ci n g   v o lt ag e   in   s m a ll er   in cr em en t s   u lt im at ely   i m p r o v es   p o w er   q u a li ty .   T h e s e  ad v a n tag es   h av e  d r iv en   g r o w in g   r es ea r ch   in t er e s t  in   ML I s .   ML I s   ex h ib it  s ev er a l  l im it at io n s ,   m o s t  n o t ab ly   t h e  r eq u ir em en t  f o r   n u m er o u s   p o w er   s wi tch e s ,   wh ich   in cr e as e s   d es ig n   co m p lex i ty   [ 1 7 ] - [ 2 0 ] .   A l th o u g h   lo w - v o lt ag e  s wi tc h e s   ca n   b e  u s ed ,   ea ch   d ev ic e  s ti ll   n ee d s   d ed ic at ed   g at e - d r iv i n g   an d   p r o tec t io n   ci r cu itry ,   th e r eb y   elev at in g   co s t   an d   s y s t em   in tr ica cy .   T o   m i t ig a te   th es e  ch a l len g e s ,   v ar io u s   in n o v at iv e   M L I   co n f ig u r a t io n s   h av e  b ee n   p r o p o s ed   th a t  r ed u ce   th e  n u m b er   o f   D C   s o u r ce s   an d   b r id g e  s w it ch e s   r el at iv e  to   co n v en tio n al  ar ch it ec tu r e s   [ 2 1 ] ,  [ 2 2 ] .   Ho w ev er ,   in   o r d er   to   g en er a te  o u tp u t  v o lt ag e s   w ith   co n s is ten t  s tep   l ev e l s ,   m an y   o f   t h es e  m o r e  r ec en t   in v er ter s   s t il l r ely   o n   n u m er o u s   b id i r ec t io n a l  s w i tch e s   [ 2 3 ] ,  [ 2 4 ] .                             R e s ea r ch   o n   ca s ca d e d   m u lt il ev e l  in v er t er s   ( ML I s )   h a s   s h o wn   th a t  v ar io u s   co n f ig u r a ti o n s ,   s u ch   a s   u n id i r ec t io n a l  s w it ch e s ,   en ab le  h ig h er   o u tp u t  v o l tag e  l ev e ls   wh il e  r ed u cin g   co m p o n en t   co u n t s   an d   co s t s   [ 2 3 ] .   Ho w ev er ,   ch al len g e s   p e r s is t  r eg ar d in g   th e  n e ed   f o r   l ar g er   D C - lin k   v o lt ag e s   an d   e f f ec tiv e  m u l ti lay e r   m o d u la t io n   t ec h n iq u es .   Mo s t  ex i s t in g   s tu d ie s   h av e  f o cu s ed   o n   eq u a l - s t ep   s wi tch in g - a n g l e   m eth o d s ,   l ac k in g   a  s y s te m a ti c  co m p ar i s o n   wi t h   s in u s o id al   s w it ch in g - an g le  tech n iq u e s   u n d e r   id en ti ca l   o p er a tin g   co n d it io n s   [ 2 5 ] .   Sw i tch in g   an g l es   d e ter m in e   th e  in v er ter   s w it ch in g   i n s tan ts   an d   d ir ec tly   co n tr o l  t h e  h ar m o n i c  co n t en t   o f   th e  o u tp u t   v o l tag e  [ 2 6 ] .   On e  s wi tch in g   an g le  i s   u s ed   to   r eg u la te  th e   f u n d a m en ta l   v o l tag e ,   wh i le   th e   r em a in i n g   an g le s   a r e  s e le ct e d   to   e lim in ate  s p ec if ic  l o w - o r d er   h ar m o n i c s   [ 2 7 ] .   T h u s ,   wi th   ( m )   s wi tch in g   an g l es ,   u p   to   ( m - 1 )   h a r m o n ic   o r d er s   c an   b e  e li m in at ed   b y   s o lv in g   th e  co r r e s p o n d in g   h ar m o n ic  eq u a tio n s .   T h i s   s tu d y   ad d r e s s e s   th e  lim i t at io n s   o f   p r ev io u s   M AT L A B - b as ed   m e th o d s   f o r   id en ti f y in g   s w it ch i n g   an g le s   in   m o d u l at io n   p er f o r m a n ce   b y   em p lo y in g   P SI M  d u e   to   i t s   u s e r - f r ien d ly   s im u la tio n   ca p a b il it ie s .   I t  co m p ar e s   eq u a l - s t ep   an d   s in u s o id a l   s w it ch in g - an g le   m e th o d s   f o r   a   1 3 - lev el   ca s c ad ed   H - b r i d g e   i n v er t er ,   u ti li zin g   a   co n s i s t en t   a n a ly t ic al   ap p r o ac h   s u p p o r ted   b y   b o th   s i m u l a tio n s   an d   lab o r ato r y   ex p er i m en t s .   T h e  r e s u lt s   in d i ca te  th at  b o th   m e th o d s   ac h iev e  v e r y   lo w   to ta l  h ar m o n i c  d i s to r tio n   ( T HD ) ,   p r o v id in g   v al u ab le  in s i g h t s   f o r   im p l em en ta ti o n .       2.   M E T H O D    D eter m in in g   c o n d u ctio n   ( s witch in g )   an g les  i n   a n   ML I   is   cr itical  f o r   g en er atin g   p r o p er   g atin g   s ig n als.  T wo   m eth o d s   ar e   co m m o n ly   u s ed :  th e   eq u al - an g l e  tech n iq u e,   wh ich   ap p lies   u n if o r m   co n d u ctio n   p er io d s ,   an d   th e  s in u s o id al - a n g le  tech n iq u e,   wh ich   v ar ies  th ese  p er io d s   b ased   o n   a  d e f in ed   f o r m u la.   T h e   f o r m u la  is   s h o wn   i n   ( 1 ) .     =   s in − 1 (       )   ( 1 )     W h er e  Vo   d en o tes   th e  o u tp u t  v o ltag e  at  a  s p ec if ic   m o m e n t,  wh ile  Vm   d en o tes  th e   p ea k   v o ltag e  o f   th at  lev el.   Fo r   ex am p le,   t o   d ev el o p   a  5 - le v el  m u ltil ev el  in v er ter   u s in g   ( 1 ) .   To   d e v elo p   a  5 - lev el  ML I   is   r eq u ir ed :  n u m b er   o f   H - b r id g es   =  2 ,   n u m b er   o f   I GB T s   =  8 ,   n u m b er   o f   D C   s o u r ce s   =  2 ,   an d   n u m b er   o f   g ate  p u ls es =   8 .  W e  k n o w  th at  f o r   a  co m p lete  cy cle  tim e  p er io d ,   T   =  3 6 0 °   an d   f o r   a  50   Hz  s ig n al,   T   =  1   =  1 50   =  0 . 0 2   s ec .   I n   Fig u r e   1 ,  th e  e x p ec ted   o u tp u t  o f   5 - lev el  ML I   is   s h o wn .   T h e   ca lcu latio n   p r o c ess   f o r   ea ch   a n g le  is   lik e:   -   W h en   th e  s u p p ly   v o ltag e  V1   =   0 v ,   =   s in − 1   24     =  0   °   -   W h en   th e  s u p p ly   v o ltag e  V2   =   1 2 v ,   =   s in − 1 12   24     =  3 0   °   -   W h en   th e  s u p p ly   v o ltag e  V3   =   2 4 v ,   =   s in − 1 24   24     =  9 0   °   -   W h en   th e  s u p p ly   v o ltag e  V1   =   - 1 2 v ,   =   s in − 1 − 12   24     =  - 30  °   -   W h en   th e  s u p p ly   v o ltag e  V1   =   - 2 4 v ,   =   s in − 1 − 24   24     =  - 90  °   T h e  wo r k f lo w  p r esen ted   in   F ig u r e   2   f o ll o ws  s ev er al  ess en tial  s tag es.  I n itially ,   a  s witch i n g   d ev ice   lik e  an   I GB T   o r   MO SF E T   is   ch o s en .   T h e  in v er ter   lev el  is   d ef in ed ,   a n d   th e  cir cu it  is   m o d eled   in   PS I M  with   p r ed eter m in e d   s witch in g   an g l es  f o r   E q u al  Step   an d   Sin u s o id al  An g le  ap p r o ac h es.  T h e  s i m u latio n   g en e r ates  o u tp u t  wav e f o r m s ,   wh ic h   ar e   an aly ze d   f o r   FF T   s p ec tr u m   an d   T HD  v alu es,  o r g an ize d   i n   tab u lar   f o r m .   T h e   m eth o d o l o g y   o f   th is   wo r k   is   s h o wn   in   Fig u r e  2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1982 - 1 9 9 3   1984   T h e  p r o p o s ed   ML I   cir cu it,  d e p icted   in   Fig u r e   3 ,   f ea tu r es  th r ee   H - b r id g e  in v er ter   m o d u les  co n n ec ted   in   s er ies,  with   ea ch   m o d u le  s u p p lied   b y   a   s ep ar ate  DC   s o u r ce   ( 1 2   V ,   2 4   V,   an d   3 6   V )   f r o m   b atter ies  t o   ac h iev e  a  s p ec if ic  o u tp u t  v o lt ag e.   T h is   d esig n   elim in ates  th e  n ee d   f o r   ca p ac ito r s   o r   v o lta g e - clam p in g   d io d es  d u e  to   th e  s er ies co n n ec tio n   o f   AC   ter m in al  v o ltag es with in   t h e  ca s ca d ed   in v er ter   s tr u ct u r e.   E ac h   in v er ter   u n it   u tili ze s   o n e  o f   f o u r   I GB T   s witch es  ( I GB T - 1 ,   I GB T - 2 ,   I G B T   3 ,   an d   I GB T - 4 ) ,   u n iq u ely   id en tifie d   f o r   ea ch   lev el  in v er ter .   T h e  m u ltil ay er   o u tp u t  is   ac h iev ed   th r o u g h   a  d r iv er   cir cu it  th at  ac tiv ates  I GB T s   in   a  p r im ar y   m u ltil ev el  in v er ter   [ 2 6 ] .   T h i s   s etu p   u s es  f o u r   I GB T s   to   cr ea te  a   s in g le - p h ase  ca s ca d ed   asy m m etr ical   s witch in g   DC   v o ltag e  s o u r ce   ML I ,   r esu ltin g   in   th r ee   lev els  o f   DC   v o ltag e.   T h e  lo ad   r ec ei v es  a  1 3 - lev el  AC   o u tp u t  v o ltag e  f r o m   a n   H - b r i d g e  with   an   ad d itio n al  s ix teen   I GB T s .           Fig u r e  1 .   E x p ec ted   o u tp u t w av ef o r m   o f   5 - lev el  ML I             Fig u r e  2 .  W o r k f lo w   d iag r am     Fig u r e  3 .  E x p er im e n tal  wo r k f l o w   o f   th is   r esear ch       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N     N u m er o u s   s o f twar e  p latf o r m s - s u ch   as  PS PICE,   Pro teu s   PS I M,   MA T L AB /S im u lin k ,   an d   M u ltis im - ar e  av ailab le  f o r   elec tr o n ic  cir cu it  s im u latio n .   Am o n g   th em ,   PS I M  is   wid ely   r eg ar d ed   as  esp ec ially   ef f ec tiv e   f o r   m o d elin g   a n d   a n aly zin g   p o wer   elec tr o n ic  s y s tem s   [ 3 ] :   i)   Ver y   f ast s im u latio n   s p ee d ,   es p ec ially   f o r   h ig h - f r eq u en cy   s witch in g   cir cu its ;   ii)   User - f r ien d ly   in te r f ac e  with   e asy   s ch em atic  d esig n   an d   m in i m al  s etu p   tim e ;   iii)   Stab le  an d   ac cu r ate  m o d elin g   o f   s witch in g   d ev ices ( MO SF E T s ,   I GB T s ,   D io d es) ;   iv )   Su p p o r ts   MA T L AB /Si m u lin k   co - s im u latio n   f o r   ad v an ce d   c o n tr o l d esig n s ; a n d   v)   Pro v id es b u ilt - in   to o ls   f o r   FF T ,   T HD,   an d   p er f o r m an ce   a n aly s is .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       THD  r ed u ctio n   in   a   1 3 - leve l  mu ltil ev el  in ve r ter u s in g   …   ( Dewa n   A s h iku r   R a h a ma n )   1985   T h e  s ch em atic  d iag r am s   o f   th e  1 3 - lev el  ML I   a r e   s h o wn   in   Fig u r e   4 .   I n   th is   d esig n ,   1 2   I GB T s   ar e   u s ed   to   f o r m   th r ee   H - b r id g es,  an d   th e  lo a d   ter m in al  is   co n n ec ted   to   a  r esis tiv e  lo ad .   T h e  o u tp u t  v o ltag e  is   m ea s u r ed   ac r o s s   th is   lo ad .   T h r ee   asy m m etr ical  DC   v o ltag e  s o u r ce s   ( 1 2   V,   2 4   V ,   an d   3 6   V)   ar e  u s ed   at  th e   s u p p ly   ter m in al.   Gatin g   p u ls es  ar e  a p p lied   to   th e  I GB T   g ate  t er m in als  to   c o n tr o l   th eir   s witch in g   s tates  an d   th e   o p er atio n   o f   ea c h   H - b r i d g e.   T h e  s witch in g   an g les f o r   th e  g ate  p u ls es we r e  ca lcu lated   m an u ally   f o r   b o th   ca s es.   T h e  p r o p o s ed   an g le  co n tr o l  m eth o d   ef f ec tiv ely   elim in ate s   ce r tain   lo wer - o r d e r   h ar m o n ics  wh ile   m ain tain in g   t h e  f u n d am en tal   v o ltag e,   th er eb y   s ettin g   th e   s witch in g   an g les.  T h is   a p p r o ac h   s ig n if ican tly   r ed u ce s   s witch in g   lo s s es,  v o lt ag e  s tr ess   o n   p o wer   d ev ices,  a n d   to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   ( T HD) .   T h e  s y s tem 's  h ar m o n ic  p er f o r m an ce   is   ev alu ated   b y   ex am in in g   th e  v o ltag e  wav ef o r m   d eliv er ed   to   a  1   k Ω   r esis tiv e  lo ad .   T h e   o u tp u t   o f   th i s   wo r k   h as   b ee n   g en er a ted   in   P SI M  s o f tw ar e.   Fo r   th e  1 3 - l ev e l   in v er t er ,   th e   o u tp u t   v o lt ag e  h as  b ee n   m ea s u r ed   ac r o s s   th e  lo ad   r e s i s to r .   Fo r   b o t h   o f   th e  m eth o d s ,   eq u a l - s tep   s wi tch in g   an g le  an d   s i n u s o id al  s wi tc h in g   an g le,   t h e  o u t p u t  v o l tag e  h a s   b ee n   s h o wn   in   Fig u r e  5   an d   F ig u r e   6 .   T h e  an g le s   ar e  d ete r m i n ed   th r o u g h   m a n u a l  ca l cu l at io n   f o r   eq u a l - s t ep   s w it ch in g ,   an d   f o r   s in u s o id a l  a n g le  s wi tc h in g ,   t h e   p r o p o s ed   f o r m u l a  h a s   b e en   u s ed ,   wh ich   i s   m en t io n ed   in   ( 1 ) .   T h e  v o l tag e  o u tp u t  w av e f o r m s   ar e  s h o wn   i n   Fig u r e   5 ,   wh er e  V P1   o n   th e  y - ax i s   d en o t es   th e   v a lu e  o f   t h e  o u tp u t  v o l tag e  an d   th e   x - a x i s   d en o t e s   t im e   in   m il l is ec o n d s .           Fig u r e  4 .  C ir cu it  d iag r am   o f   1 3 - lev el  ML I             Fig u r e  5 .   Vo ltag e   wav ef o r m   f o r   1 3 - lev el  ML I     in   eq u al - s tep - an g le   s witch in g     Fig u r e  6 .   Vo ltag e   wav ef o r m   f o r   1 3 - lev el  ML I   in     s in u s o id al  s witch in g   an g le  tec h n iq u e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1982 - 1 9 9 3   1986   I n   Fig u r e  6 ,   Vo u t  o n   th e  y - a x is   d en o tes  th e  o u tp u t  v o ltag e  ( V) ,   wh ile  th e  x - ax is   r ep r esen ts   tim e  in   m illi s ec o n d s   ( m s ) .   T h e   1 3 - lev el  m u ltil ev el  in v er te r   ( ML I )   u s in g   th e  Sin u s o id al  Switch in g   An g le  T ec h n iq u e   p r o d u ce s   an   o u tp u t  v o ltag e  wav ef o r m   r a n g in g   f r o m   ap p r o x im ately   −7 2   V  to   +7 2   V,   co m p r is in g   th ir teen   v o ltag e  lev els  th at  r esem b le   a  s in u s o id al  wav e.   T h e  tec h n iq u e' s   ef f ec tiv en ess   is   d em o n s tr ated   th r o u g h   ad ju s ted   s witch in g   an g les  th at  y ield   a  s y m m etr ical  wav e f o r m ,   r ed u ce d   to tal  h ar m o n ic   d is to r tio n   ( T HD) ,   lo wer   s witch in g   s tr ess ,   an d   im p r o v e d   o u t p u t v o ltag e  q u ality .   Mu ltil ev el  in v er ter s   ar e   n o w   wid ely   u s ed   in   in d u s tr y   f o r   v a r io u s   ap p licatio n s   [ 2 7 ] .   R esear ch er s   an d   en g in ee r s   wo r ld wid e  co n tin u e  to   d ev elo p   n ew  to p o lo g ies,  co n tr o l  s tr ateg ies,  an d   o p er a tin g   tech n iq u es  to   im p r o v e  th eir   p er f o r m an ce .   T h ese  d ev elo p m e n ts   aim   to   en h an ce   en e r g y   ef f icien cy ,   r eliab ilit y ,   an d   co s t - ef f ec tiv en ess ,   m ak in g   m u ltil ev el  in v er ter s   in cr ea s in g ly   a ttra ctiv e  co m p ar ed   with   co n v en tio n al  two - lev el   to p o lo g ies.  I n   th is   s y s tem ,   th e  in v er ter   is   co n n ec ted   in   s er ies  with   an   L C   f ilter ,   wh ich   r ed u ce s   h ig h - o r d er   h ar m o n ics  in   th e  o u tp u t  v o ltag e  an d   p r o v id es  a  m o r e  s in u s o id al  v o ltag e  wav ef o r m   to   th e  lo ad .   As  s h o wn   in   Fig u r e  7 ,   th e  in p u t  v o ltag e  o f   t h e  L C   f ilter   is   d eter m in ed   b y   t h e  s witch in g   s tate  S(j)   o f   th e  in v er ter   an d   ca n   b e   ex p r ess ed   as   V in =   S(j) × V dc ,  w h er e  S(j)   =   4 - j ,   Vin   is   th e  in p u t  v o ltag e  o f   th e  L C   f ilter ,   Vd c  is   th e  D C   s u p p ly   v o ltag e,   an d   S(j)   is   th e  s witch in g   f u n ctio n   o f   th e  in v e r ter ,   r ep r esen tin g   th e  s witch in g   s tate  co r r esp o n d in g   to   ea ch   o p er atin g   co n d itio n .           Fig u r e  7 .   L C   f ilter   cir c u it       T wo   eq u atio n s   ca n   b e   u s ed   to   d escr ib e   th e   L C   f ilter ,   wh ich   is   th e   d ep ictio n   in   th e   ab o v e   Fig u r e   7 .   T h e  cu r r e n t  th r o u g h   th e  f ilter   i n d u ctan ce   is   r e p r esen ted   b y   in   ( 2 ) .         =    -   Vr   –   Vc   ( 2 )     T h e  ca p ac ito r   v o ltag e  f o llo ws ,   wh ich   is   r ep r esen ted   i n   ( 3 ) .       =  – i0     ( 3 )     W h er e  i  is   th e  to tal  cu r r en t  f lo win g   th r o u g h   th e  cir cu it.  I n   ca s e  o f   th is   r esear ch ,   u s in g   th is   f o r m u la,   we  h av e  ca lcu lated   th e  v al u es   o f   t h e  c ap ac ito r   an d   in d u cto r   f o r   a  1 3 - lev el   ML I .   I n   b o th   ca s es  h er e  u s ed   R C   n etwo r k   ca p ac ito r   v alu e  is   C   =  0 . 0 0 1   µF ,   an d   th e  v alu e  o f   in d u ctan ce   is   L   =  1   m H.   T h e   v alu e  o f   R C   is   d eter m in ed   u s in g   ( 4 ) .     F c   =  1 2 √ (  )   ( 4 )     Af ter   ap p ly in g   th e  L C   f ilter   in   1 3 - lev el  ML I   f o r   b o th   m et h o d s ,   th e  o u tp u t  v o ltag e  wav ef o r m   is   s h o wn   in   Fig u r e   8   an d   Fig u r e   9 .             Fig u r e  8 .   Vo ltag e   wav ef o r m   f o r   1 3 - lev el  ML I   in   eq u al  s tep   an g le  tech n iq u e   af t er   ap p ly in g   L C   f ilter     Fig u r e  9 .   Ou t p u t  v o ltag e  wav e f o r m   af te r   ap p l y in g   lc  f ilter   in   s in u s o id al  s witch in g   a n g le  tech n iq u e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       THD  r ed u ctio n   in   a   1 3 - leve l  mu ltil ev el  in ve r ter u s in g   …   ( Dewa n   A s h iku r   R a h a ma n )   1987   T h e  o u tp u t  wav ef o r m   alm o s t  lo o k s   lik e  a  s in e  wav e,   wh ich   is   th e  g o al  o f   th is   r esear ch :   to   co n v e r t   DC   to   an   AC   s ig n al.   Fro m   t h e  PS I M  s o f twar e,   it  will  au t o m atica lly   g en e r ate  th e  FF T   s ig n al  &   s h o ws  th e   T HD  v alu e.   T h e  o u tp u t  wav e f o r m   o f   th e  FF T   s ig n al  with   th e  T HD  v alu e  f o r   th e  1 3 - lev e l   ML I   is   s h o wn   in   Fig u r e   10  a n d   Fig u r e   11 .             Fig u r e  10 .  FF T   an d   T HD  wav ef o r m   af te r   ap p l y in g   a n   L C   f ilter   in   th e  eq u al - s tep   s witch in g   an g le  tech n iq u e     Fig u r e  11 .  FF T   an d   T HD  wav ef o r m   af te r   ap p l y in g   a n   L C   f ilter   in   th e  s in u s o id al  s witch in g   an g le  tech n iq u e       I n   b o th   ca s es,  Vo u t  on   th e   y - a x is   d en o tes  th e   v alu e   o f   th e   o u tp u t  v o ltag e ,   an d   th e  x - ax is   d en o tes  th e  Fu n d am en tal  Fre q u en cy .   F r o m   Fig u r e  9 ,   it  is   o b v io u s   th a t  af ter   ap p l y in g   t h e  L C   f ilter ,   th e  o u t p u t  v o ltag e   wav ef o r m   lo o k s   clo s er   to   a n   AC   s ig n al.   T h e  d if f er en ce   b et wee n   th e  two   tech n iq u es  is   s h o wn   in   tab u la r   f o r m   in   T ab le   1 .   Fro m   T a b le  1,   f o r   th e  1 3 - lev el   MLI ,   t h e   lo west  T HD  is   f o u n d   af ter   ap p ly in g   th e  L C   f ilter   in   a  s in u s o id al  s witch in g   an g le  te ch n iq u e ,   an d   th e   h ig h est  is   f o u n d   wh en   th e   f ilter   is   ap p lied   to   th e  e q u al  s tep   an g le  s witch in g .   So ,   f r o m   th is ,   it  is   p r o v ed   th at  th e  s in u s o id al  tech n iq u e  r ed u ce s   T HD  m o r e   as  co m p ar ed   to   o th er   tech n i q u es .       T ab le  1 .   Dif f e r en t  T HD   f o r   two   d if f er e n t te ch n iq u es f o r   1 3 - l ev el  ML I   N u mb e r   o f   l e v e l s   F o r   e q u a l   sw i t c h i n g   a n g l e   TH D   w i t h o u t   L C   f i l t e r   F o r   e q u a l   sw i t c h i n g   a n g l e   TH D   w i t h   L C   f i l t e r   F o r   si n u so i d a l   sw i t c h i n g   a n g l e   TH D   w i t h o u t   L C   f i l t e r   F o r   si n u so i d a l   sw i t c h i n g   a n g l e   TH D   w i t h   L C   f i l t e r   13   1 7 . 4 4 %   1 5 . 1 4 %   7 . 1 2 %   2 . 2 4 %       Switch in g   d ev ice  s tr ess   an aly s is : A s   it  is   a   1 3 - lev el  asy m m etr ical  ML I   th er ef o r e  I GB T   v o ltag e  s tr ess   is   d if f er en t  f o r   d if f er e n t   s witch es.  L o wer - lev el  s witch es  will  ex p er ien ce   lo wer   s tr ess ,   an d   h ig h er - lev el  s witch es will  ex p er ien ce   h ig h er   s tr ess .   T o   ca lcu late  th e  v o lt ag e  s tr ess   in s tead   o f   a  s in g le  v alu e,   wr ite  in   ( 5 ) .      , =  ,   ( 5 )     W h er e  k   =  s witch in g   in d ex   an d    ,   =  DC   s o u r ce   v o ltag e.   Fro m   th is ,   L o wer - lev el  s witch es  o p er ate  u n d er   lo wer   v o ltag e  s tr ess ,   wh ile  s witch es lin k ed   to   th e  h ig h est D C   s o u r ce   en d u r e   th e  g r ea test   v o ltag e  s tr ess .   Me an wh ile,   C u r r en t stre s s   d ep en d s   on  th e   s witch in g   s tr ateg y ,   wh ich   is   s h o wn   in   ( 6 ) .      ,  >    ,      ( 6 )     E q u al - an g le  s witch in g   im p r o v es  cu r r en t  wav e f o r m s ,   lead i n g   to   r e d u ce d   R MS  an d   p ea k   cu r r e n t  s tr ess   o n   I GB T s .   A   q u an titativ e  an aly s is   of   v o ltag e  a n d   c u r r en t  is   s h o wn   in   T ab le  2 .   I t  is   o b s er v ed   th at  th e   s in u s o id al  s witch in g   an g le   ac h iev es   s ig n if ican tly   lo wer   T HD  co m p ar ed   to   eq u al - an g le   s witch in g   u n d e r   b o th   f ilter ed   an d   u n f ilter ed   co n d itio n s .   W ith o u t  f ilter in g ,   T H D  is   r ed u ce d   f r o m   1 7 . 4 4 %  to   7 . 1 2 %,  an d   with   L C   f ilter in g ,   it  f u r th er   d ec r e ases   to   2 . 2 4 % .   Alth o u g h   eq u al - an g le  s witch in g   r ed u ce s   s witch in g   f r eq u en c y   an d   ass o ciate d   lo s s es,  its   h ar m o n ic  p er f o r m a n ce   in   th e  p r e s en t  im p lem en tatio n   is   in f er io r   d u e  to   n o n - o p ti m ized   s witch in g   an g les.  T h e  L C   f ilter   im p r o v es  b o th   ca s es;  h o wev er ,   th e   im p r o v em e n t is m o r e  p r o n o u n ce d   f o r   th e  s in u s o id al  s witch in g   an g le  tech n iq u e .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1982 - 1 9 9 3   1988   T ab le   2 .  Qu a n titativ e  an aly s is   tab l e   P a r a me t e r   S i n u so i d a l   sw i t c h i n g   a n g l e   Eq u a l   sw i t c h i n g   a n g l e   I mp r o v e m e n t   M a x   v o l t a g e   s t r e ss   36   V   36   V   0%   R M S   c u r r e n t   s t r e ss   2 . 1 0   p u   1 . 9 2   p u   ↓   9 %   P e a k   c u r r e n t     H i g h e r   Lo w e r   R e d u c e d   S w i t c h i n g   f r e q u e n c y     H i g h   F u n d a m e n t a l   R e d u c e d   l o ss e s   S w i t c h i n g   l o ss   H i g h   Lo w   Lo w     C o n d u c t i o n   l o ss   C o m p a r a b l e   C o m p a r a b l e   C o m p a r a b l e   TH D   w i t h o u t   L C   f i l t e r   7 . 1 2 %     1 7 . 4 4 %   TH D   r e d u c t i o n   i n   e q u a l   a n g l e   =   ↓   1 3 . 2 %   TH D   w i t h   L C   f i l t e r   2 . 2 4 %   1 5 . 1 4 %   TH D   r e d u c t i o n   i n   s i n u s o i d a l   sw i t c h i n g   a n g l e   =   ↓   6 8 . 5 %       Switch in g   lo s s   an d   ef f icien c y   an aly s is :  T h e  to tal  l o s s   co n s is ts   o f   c o n d u ctio n   lo s s   an d   s witch in g   l o s s ,   ex p r ess ed   as   in   ( 7 ) .      = +    ( 7 )     W h er e  th e  co n d u ctio n   lo s s   o f   ea ch   I GB T   is   ca lcu lated   b y   ( 8 ) :     , =  (  )   . , +  .   2 ,     ( 8 )     w h e r e    (  )   r e p r e s e n ts   t h e   o n - s t at e  v o l t a g e   d r o p ,      i s   t h e   e q u i v a l en t   o n - s t a t e   r es is t a n c e ,   a n d   , ,  ,   d e n o t e   t h e   a v e r a g e   a n d   R M S   cu r r e n t   t h r o u g h   t h e   ℎ   s w i t c h ,   r es p e c t i v e l y .   T o t al   c o n d u c t i o n   l o s s   i s   s h o w n   in   ( 9 ) .        = ∑    = 1 ,   ( 9 )     T h e  eq u atio n   f o r   th e  s witch in g   lo s s   is   s h o wn   in   ( 1 0 ) :          =  ∑ (  = 1 , +  ,     ( 1 0 )     wh e r e     is   t h e   s witc h i n g   f r eq u e n c y ,   a n d    , ,   ,   r e p r ese n t   t h e   t u r n - o n   a n d   t u r n - o f f   e n er g y   l o s s es   o f   t h e   ℎ   d e v i ce .   F r o m   T ab le   2 ,   s in u s o i d al   s wi tc h i n g   ex h i b i ts   b et te r   p er f o r m a n c e  th an   e q u a l - an g l e  s witc h i n g   r e g a r d i n g   T HD ,   b u t   i t   i n c u r s   h i g h e r   s wi tch in g   l o s s es  d u e   t o   i ts   el ev at ed   s w itc h i n g   f r e q u e n cy .   C o n v er s el y ,   e q u a l - an g l e   s witc h i n g   r e d u ce s   s w itc h i n g   l o s s es   b y   f u n c ti o n in g   at   f u n d a m e n ta l   f r eq u e n cy ,   l ea d i n g   t o   i n c r e ase d   e f f ic ie n c y ,   alb eit   wi th   h i g h e r   h a r m o n i c  d i s to r ti o n ,   as   c o n d u cti o n   lo s s es  r em a in   s i m il ar   f o r   b o t h   m et h o d s .   Fo r   p r ac tical  im p lem en tatio n ,   th e  r esear c h er   m ad e  a  13 - lev el  ML I .   Fig u r e   1 2 .   s h o ws   th e   r esu ltin g   o u tp u t   wav ef o r m   o f   t h e  1 3 - lev el  ML I   u s in g   th e   p r o p o s ed   s in u s o id al  f o r m u la.   Af ter   a p p ly in g   th e   L C   f ilter ,   t h e   p r ac tical  o u tp u t  b ec o m es  m o r e  s in u s o id al,   alth o u g h   th e  z o o m ed - o u t  v iew  in   Fig u r e   1 3   r ev ea ls   n o ticea b le  s p ik es in   th e  wav ef o r m .   T h e  p r o p o s ed   s in u s o id al  s witch in g - an g le   m eth o d   d if f e r s   f r o m   co n v en tio n al  E q u al - s tep   an g le   an d   s elec tiv e  h ar m o n ic   elim in atio n .   Un lik e   E q u al - s tep   an g le,   w h ich   r e q u ir es  s o lv in g   lin ea r   e q u atio n s   to   elim in ate  s p ec if ic  h ar m o n ics,  th e  p r o p o s ed   m eth o d   em p l o y s   u n if o r m ly   s p ac ed   s witch in g   an g les  with in   ea ch   q u ar te r   cy cle.   T h is   elim in ates  th e   n ee d   f o r   o p tim izatio n   al g o r ith m s   o r   co m p lex   co m p u tatio n s ,   r esu ltin g   in   a  s im p le r   co n tr o l stru ctu r e.     T h e  s in u s o id al  o u tp u t  v o lta g e  wav ef o r m   ex h ib its   a  s p i k e  d u e   to   th e   co n c u r r en t   o p er atio n   o f   s witch in g   d ev ices,  p ar ticu lar l y   wh en   o n e  I GB T   tu r n s   o f f   w h ile  an o th er   tu r n s   o n .   R esear c h   h as  in d icate d   th at  im p lem en tin g   im p r o v ed   d ea d   tim e  co n tr o l  tec h n iq u es  ca n   h elp   m itig ate  th ese  v o ltag e   s p i k es  ass o ciate d   with   s witch in g .   A  co m p ar is o n   o f   th e  wo r k   is   s h o wn   in   T ab le  3.       T ab le  3 .  L e v el  v s   p r e v io u s   wo r k   v s   th eir   f i n d in g s   v s   o u r   f in d in g s   Le v e l   P r e v i o u s wo r k   Th e i r   f i n d i n g s   O u r   f i n d i n g s       TH D   i n   e q u a l   sw i t c h i n g   a n g l e   t e c h n i q u e   TH D   i n   e q u a l   sw i t c h i n g   a n g l e   t e c h n i q u e   TH D   i n   si n u so i d a l   sw i t c h i n g   a n g l e   t e c h n i q u e   13   I n   r e f e r e n c e   [ 1 0 ] ,   “ A   n e w   mu l t i l e v e l   i n v e r t e r   t o p o l o g y   w i t h   r e d u c e d   sw i t c h   c o u n t”   1 5 . 1 2 %   1 5 . 1 4 %   2 . 2 4 %     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       THD  r ed u ctio n   in   a   1 3 - leve l  mu ltil ev el  in ve r ter u s in g   …   ( Dewa n   A s h iku r   R a h a ma n )   1989   A  13 - lev el  in v er ter ' s   T HD  p e r f o r m a n ce   is   co m p ar ed   with   p u b lis h ed   f in d i n g s   in   T ab le  3 .   Usi n g   th e  eq u al  s witch in g   an g le  m eth o d o lo g y ,  th e  [ 1 0 ]   o b tain e d   a  T H D  o f   1 5 . 1 2 %,  w h er ea s   th e  cu r r en t  s tu d y   p r o d u ce s   a  s im ilar   T HD  o f   1 5 . 1 4 %.  T h e  s u g g ested   s in u s o id al  s witch in g   an g le  ( SS A)   m eth o d ,   o n   th e  o th e r   h an d ,   s ig n if ican tly   im p r o v es o u tp u t  v o ltag e  q u ality   b y   l o wer in g   th e  T HD  to   2 . 24 %.           Fig u r e  12 .  Pra ctica l o u tp u t w a v ef o r m   f o r   1 3 - le v el  ML I           Fig u r e  13 .  Af ter   ap p ly in g   t h e  L C   f ilter       4.   CO NCLU SI O N    T h e  wo r k   c o m p ar es  eq u al - s tep   an d   s in u s o id al  s witch in g - an g le  co n tr o l  m eth o d s   f o r   a   1 3 - lev e l   asy m m etr ic  ca s ca d ed   H - b r i d g e  m u ltil ev el   in v er te r .   T esti n g   s h o wed   t h at  th e   s in u s o i d al  an g le  m eth o d   s ig n if ican tly   r ed u ce d   o u tp u t  v o ltag e  h ar m o n ic  d is to r tio n ,   with   T HD  d ec r ea s in g   f r o m   1 5 . 1 4 %  to   2 . 2 4 %  af ter   L C   f ilter in g .   T h is   in d icate s   th at  s in u s o id al  s witch in g   an g les  im p r o v e  wav ef o r m   q u ality   an d   p r o v id e   a n   ef f icien t  m ea n s   f o r   h a r m o n ic  r ed u ctio n   wh ile  m ain tain in g   a  lo w  s witch in g   f r eq u e n cy .   Ov er all,   th e   ex p er im en tal  an d   m o d elin g   r esu lts   s h o wed   g o o d   ag r ee m e n t,  alth o u g h   th e  h a r d war e  p r o to ty p e  d is p lay ed   s witch in g   s p ik es  d u e  to   n o n - id ea l  ef f ec ts ,   co n tr asti n g   th e  s im u latio n ' s   id ea l  ass u m p tio n s .   E n h an ce d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1982 - 1 9 9 3   1990   tech n iq u es  lik e  d ea d - tim e   o p tim izatio n   o r   s n u b b er   cir c u its   m ay   im p r o v e   wav ef o r m   q u ality   i n   r ea l   ap p licatio n s .   T h e  p r o p o s ed   m eth o d   u s es  a  s im p le  s witch in g - an g le  ca lcu latio n ,   o f f er i n g   a  p r ac tical  alter n ativ e  to   co m p lex   m o d u latio n   tech n i q u es  wh ile  ac h iev in g   ac ce p ta b le  h ar m o n ic  p er f o r m an ce .   T h e  s tu d y   f o cu s es  o n   wav ef o r m   q u ality   an d   T HD   r ed u ctio n ,   leav in g   asp ec ts   lik e   co n v er ter   ef f icien cy   an d   lo n g - ter m   d e p en d a b ilit y   f o r   f u tu r e  r esear c h .     Fu tu r e  r esear ch   will  ex p a n d   th e   s u g g ested   a p p r o ac h   to   h ig h er - lev el  m u ltil ev el  in v er ter   co n f ig u r atio n s ,   ex am i n e  s witch in g - lo s s   an d   e f f icien cy   a n aly s is ,   ap p ly   u s ef u l  s p ik e - m i tig atio n   tech n iq u es,  co n tr ast  th e  s u g g ested   ap p r o a ch   with   s o p h is ticated   m o d u latio n   s tr ateg ies  lik e  s elec tiv e  h ar m o n ic  elim in atio n   ( SHE - PW M) ,   an d   ass ess   th e  s tr ateg y   u s in g   r ea l - tim e  d i g ital  co n tr o ller s   in   m o to r - d r iv e   an d   r en ewa b le  en e r g y   ap p licatio n s .   T h e   ef f ec t   o f   th e  s u g g ested   s witch in g - a n g le  t ec h n iq u e   o n   m o to r - d r iv e  p er f o r m an ce ,   in clu d i n g   to r q u e   r ip p le,   s p ee d   s tab ilit y ,   ef f icien cy ,   an d   p o wer   lo s s es  in   in d u ctio n   m o to r   an d   B L DC   d r iv e   ap p licatio n s ,   will b e  ex p er im en tally   ass ess ed   in   f u t u r e  wo r k .   T h is   s tu d y   p r im ar ily   f o c u s es  o n   th e  r ed u ctio n   o f   to tal  h a r m o n ic  d is to r tio n   ( T HD)   in   a  1 3 - lev el   asy m m etr ic  ca s ca d ed   H - b r id g e  m u ltil ev el  in v er ter   u s in g   s i n u s o id al  s witch in g - a n g le  c o n t r o l.  T h e   s im u latio n   was  p er f o r m ed   u n d er   id ea l  I GB T   s witch in g   co n d itio n s ,   wh ile  th e  ex p er im en tal  v alid atio n   was  lim ited   to   a   lab o r ato r y - s ca le  p r o to ty p e.   Alth o u g h   th e  p r o p o s ed   m eth o d   d em o n s tr ated   s ig n if ican t  T HD  r ed u ctio n ,   co m p r eh e n s iv e  an aly s es  o f   co n v er ter   ef f icien c y ,   s witch in g   an d   co n d u ctio n   lo s s es,  m o to r - d r iv e  p er f o r m an ce ,   an d   lo n g - ter m   r eliab ilit y   wer e  b ey o n d   th e   s co p e  o f   th is   wo r k .   Fu r t h er m o r e,   th e  p r o p o s ed   ap p r o ac h   was  v alid ated   o n l y   f o r   th e  i n v esti g ated   in v e r ter   co n f ig u r atio n ;  its   s ca lab ilit y   to   h ig h er - lev el  m u ltil ev el  in v er ter s   an d   r ea l - tim e  DSP/ FP GA  im p lem en tatio n   r eq u ir es f u r th er   in v esti g atio n .       ACK NO WL E DG M E N T S    T h e  s tu d y ' s   p ar tial  f in an cin g   was  p r o v id ed   b y   th e  Un i v er s ity   o f   Asi a  Pacif ic' s   I n s t itu te  f o r   R esear ch ,   I n n o v atio n   an d   Dev elo p m en t ( I R I D)   in   Dh ak a,   B an g la d esh ,   wh ich   th e  au th o r s   ac k n o wled g e.       F UNDING   I NF O R M A T I O N    T h e  au th o r s   s tate  th at  n o   f u n d i n g   was  in v o lv e d   f o r   th is   r esear ch .       AUTHO R  CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T   T h is   jo u r n al  u s es  th e  C o n tr ib u to r   R o les  T ax o n o m y   ( C R ed iT)   to   r ec o g n ize  in d iv id u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .       Na m e  o f   Aut ho r   C   M   So   Va   Fo   I   R   D   O   E   Vi   Su   P   Fu   Dew an   Ash ik u r   R ah am an   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   Aiv e  Alam g ir   ✓   ✓   ✓       ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓       Md   Ash r af   Ho s s ain     ✓     ✓     ✓     ✓     ✓     ✓     ✓   T ap an   Ku m a r   C h ak r ab o r ty   ✓   ✓     ✓   ✓     ✓   ✓   ✓     ✓   ✓       R aisu l I s lam   R af i   ✓   ✓     ✓     ✓   ✓     ✓   ✓   ✓   ✓       R aiy an   R ah m an   Z ih ad   ✓   ✓   ✓     ✓       ✓   ✓   ✓   ✓     ✓   ✓   Md .   Ab d u llah   Al  Ma h m u d   ✓   ✓     ✓     ✓   ✓     ✓   ✓       ✓   ✓   Sam ia  Sar k ar   ✓   ✓   ✓     ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓         C   :    C o n c e p t u a l i z a t i o n   M   :    M e t h o d o l o g y   So   :    So f t w a r e   Va   :    Va l i d a t i o n   Fo   :    Fo r mal   a n a l y s i s   I   :    I n v e s t i g a t i o n   R   :    R e so u r c e s   D   :   D a t a   C u r a t i o n   O   :   W r i t i n g   -   O r i g i n a l   D r a f t   E   :   W r i t i n g   -   R e v i e w   &   E d i t i n g   Vi   :    Vi su a l i z a t i o n   Su   :    Su p e r v i s i o n   P   :    P r o j e c t   a d mi n i st r a t i o n   Fu   :    Fu n d i n g   a c q u i si t i o n         CO NF L I C T   O F   I N T E R E S T   ST A T E M E NT   Au th o r s   s tate  n o   co n f lict o f   in t er est.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       THD  r ed u ctio n   in   a   1 3 - leve l  mu ltil ev el  in ve r ter u s in g   …   ( Dewa n   A s h iku r   R a h a ma n )   1991   DATA AV AI L AB I L I T Y   T h e  d ata  th at  s u p p o r t  th e  f in d i n g s   o f   th is   s tu d y   ar e  av ailab le  f r o m   th e  co r r esp o n d in g   au th o r ,   [ DAR],   u p o n   r ea s o n ab le  r eq u est.       RE F E R E NC E S   [ 1 ]   M .   H .   R a s h i d ,   Po w e r   El e c t ro n i c s:   D e v i c e s,  C i r c u i t s,  a n d   Ap p l i c a t i o n s,  I n t e rn a t i o n a l   E d i t i o n .   P e a r s o n ,   2 0 1 4 .   [ 2 ]   J.  R o d r i g u e z   e t   a l . ,   “ M u l t i l e v e l   C o n v e r t e r s:   A n   e n a b l i n g   t e c h n o l o g y   f o r   h i g h - p o w e r   a p p l i c a t i o n s ,”  Pr o c e e d i n g s  o f   t h e   I EEE ,   v o l .   9 7 ,   n o .   1 1 ,   p p .   1 7 8 6 – 1 8 1 7 ,   N o v .   2 0 0 9 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / JP R O C . 2 0 0 9 . 2 0 3 0 2 3 5 .   [ 3 ]   D .   A .   R a h a ma n   a n d   T.   K .   C h a k r a b o r t y ,   “ S t u d y   o f   a s y mm e t r i c a l - mu l t i   l e v e l   i n v e r t e r   u s i n g   t w o   sw i t c h i n g   a n g l e   t e c h n i q u e s,”   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   P o w e r  El e c t r o n i c s  a n d   D r i v e   S y st e m s  ( I J PED S ) ,   v o l .   1 6 ,   n o .   4 ,   p .   2 5 7 0 ,   D e c .   2 0 2 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p e d s. v 1 6 . i 4 . p p 2 5 7 0 - 2 5 8 1 .   [ 4 ]   R .   B a r z e g a r k h o o ,   M .   F o r o u z e s h ,   S .   S .   Le e ,   F .   B l a a b j e r g ,   a n d   Y .   P .   S i w a k o t i ,   “ S w i t c h e d - c a p a c i t o r   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r s :   a   c o m p r e h e n si v e   r e v i e w , ”   I EE E  T r a n s a c t i o n s  o n   Po w e r   E l e c t r o n i c s ,   v o l .   3 7 ,   n o .   9 ,   p p .   1 1 2 0 9 – 1 1 2 4 3 ,   S e p .   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TPEL. 2 0 2 2 . 3 1 6 4 5 0 8 .   [ 5 ]   N .   M u k u n d a n   C   M   e t   a l . ,   “ A   n e w   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r   b a se d   g r i d   c o n n e c t e d   r e l i a b l e   s o l a r   p o w e r   t r a n sf e r   u n i t   w i t h   p o w e r   q u a l i t y   e n h a n c e me n t , ”   I EEE   T ra n s a c t i o n s  o n   I n d u s t ry   A p p l i c a t i o n s ,   v o l .   5 9 ,   n o .   2 ,   p p .   1 8 8 7 – 1 9 0 0 ,   M a r .   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI A . 2 0 2 2 . 3 2 1 8 5 2 3 .   [ 6 ]   A .   R .   L o p e z ,   C .   J.  C o r t e s ,   C .   A .   Li mo n e s - P o z o s ,   J.   M .   S o sa,   J.  A g u a y o ,   a n d   S .   D e   Le o n   A l d a c o ,   “ O p t i ma l   sw i t c h i n g   a n g l e s   c a l c u l a t i o n   f o r   a   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r   t h r o u g h   t h e   S H E   me t h o d   a n d   t h e   P S O   a l g o r i t h m ,   a   c o mp a r i s o n , ”   i n   2 0 2 0   I EEE  I n t e r n a t i o n a l   Au t u m n   M e e t i n g   o n   P o w e r,   El e c t ro n i c s  a n d   C o m p u t i n g   ( RO PEC ) ,   I EEE,   N o v .   2 0 2 0 ,   p p .   1 – 6.   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / R O P E C 5 0 9 0 9 . 2 0 2 0 . 9 2 5 8 6 8 0 .   [ 7 ]   C .   I .   O d e h ,   A .   L e w i c k i ,   a n d   M .   M o r a w i e c ,   “ A   si n g l e - c a r r i e r - b a s e d   p u l se - w i d t h   mo d u l a t i o n   t e mp l a t e   f o r   c a sca d e d   h - b r i d g e   mu l t i l e v e l   i n v e r t e r s,”   I EEE   Ac c e ss ,   v o l .   9 ,   p p .   4 2 1 8 2 – 4 2 1 9 1 ,   2 0 2 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / A C C ESS . 2 0 2 1 . 3 0 6 5 7 4 3 .   [ 8 ]   A .   A .   T h e r e s a ,   K .   K a l p a n a ,   a n d   M .   N i r mal a ,   “ A   n o v e l   3 1   l e v e l   c a s c a d e d   H - b r i d g e   i n v e r t e r , ”   i n   2 0 2 1   I n t e rn a t i o n a l   C o n f e re n c e   o n   Ad v a n c e   C o m p u t i n g   a n d   I n n o v a t i v e   T e c h n o l o g i e s  i n   E n g i n e e ri n g   ( I C AC I T E) ,   I EEE,   M a r .   2 0 2 1 ,   p p .   2 2 8 – 2 3 3 .   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / I C A C I TE5 1 2 2 2 . 2 0 2 1 . 9 4 0 4 7 0 3 .   [ 9 ]   K .   K .   G u p t a ,   A .   R a n j a n ,   P .   B h a t n a g a r ,   L.   K .   S a h u ,   a n d   S .   Ja i n ,   “ 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  w i t h   r e d u c e d   d e v i c e   c o u n t :   a   r e v i e w , ”   I EEE   T ra n s a c t i o n s   o n   Po w e r E l e c t r o n i c s ,   v o l .   3 1 ,   n o .   1 ,   p p .   1 3 5 – 1 5 1 ,   Ja n .   2 0 1 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TP EL. 2 0 1 5 . 2 4 0 5 0 1 2 .   [ 1 0 ]   M .   D .   S i d d i q u e ,   S .   M e k h i l e f ,   N .   M .   S h a h ,   A .   S a r w a r ,   A .   I q b a l ,   a n d   M .   A .   M e m o n ,   “ A   n e w   mu l t i l e v e l   i n v e r t e r   t o p o l o g y   w i t h   r e d u c e   sw i t c h   c o u n t , ”   I EE E  A c c e ss ,   v o l .   7 ,   p p .   5 8 5 8 4 – 5 8 5 9 4 ,   2 0 1 9 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / A C C ESS . 2 0 1 9 . 2 9 1 4 4 3 0 .   [ 1 1 ]   J.  R o d r i g u e z ,   J i h - S h e n g   L a i ,   a n d   F a n g   Zh e n g   P e n g ,   “ M u l t i l e v e l   i n v e r t e r s:   a   s u r v e y   o f   t o p o l o g i e s,  c o n t r o l s ,   a n d   a p p l i c a t i o n s , ”   I EEE  T r a n s a c t i o n s  o n   I n d u st r i a l   E l e c t ro n i c s ,   v o l .   4 9 ,   n o .   4 ,   p p .   7 2 4 – 7 3 8 ,   A u g .   2 0 0 2 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI E. 2 0 0 2 . 8 0 1 0 5 2 .   [ 1 2 ]   R .   S h a l c h i   A l i s h a h ,   S .   H .   H o ssei n i ,   E .   B a b a e i ,   a n d   M .   S a b a h i ,   “ O p t i mi z a t i o n   a ssessm e n t   o f   a   n e w   e x t e n d e d   mu l t i l e v e l   c o n v e r t e r   t o p o l o g y , ”   I EEE  T r a n s a c t i o n s   o n   I n d u st r i a l   E l e c t r o n i c s ,   v o l .   6 4 ,   n o .   6 ,   p p .   4 5 3 0 – 4 5 3 8 ,   Ju n .   2 0 1 7 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI E. 2 0 1 7 . 2 6 6 9 8 8 5 .   [ 1 3 ]   M .   A .   H o sse i n z a d e h ,   M .   S a r e b a n z a d e h ,   C .   F .   G a r c i a ,   E.   B a b a e i ,   a n d   J .   R o d r i g u e z ,   “ A n   a sy m met r i c   sw i t c h e d - c a p a c i t o r   m u l t i c e l l   i n v e r t e r   w i t h   l o w   n u m b e r   o f   D C   so u r c e   a n d   v o l t a g e   st r e ss   f o r   r e n e w a b l e   e n e r g y   s o u r c e s ,”  I E EE  Ac c e ss ,   v o l .   1 0 ,   p p .   3 0 5 1 3 – 3 0 5 2 5 ,   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / A C C ESS . 2 0 2 2 . 3 1 4 0 7 8 6 .   [ 1 4 ]   N .   P r a b a h a r a n   a n d   K .   P a l a n i sam y ,   “ A   c o mp r e h e n s i v e   r e v i e w   o n   r e d u c e d   sw i t c h   mu 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,  m o d u l a t i o n   t e c h n i q u e s  a n d   a p p l i c a t i o n s, ”   Re n e w a b l e   a n d   S u st a i n a b l e   En e rg y   Re v i e w s ,   v o l .   7 6 ,   p p .   1 2 4 8 – 1 2 8 2 ,   S e p .   2 0 1 7 ,   d o i :   1 0 . 1 0 1 6 / j . r ser . 2 0 1 7 . 0 3 . 1 2 1 .   [ 1 5 ]   V .   F .   P i r e s,  A .   C o r d e i r o ,   D .   F o i t o ,   J.  F .   S i l v a ,   a n d   E .   R o mer o - C a d a v a l ,   “ C a s c a d e d   mu l t i l e v e l   s t r u c t u r e   w i t h   t h r e e - p h a s e   a n d   si n g l e - p h a s e   h - b r i d g e s   f o r   o p e n - e n d   w i n d i n g   i n d u c t i o n   m o t o r   d r i v e ,”  I E E E  O p e n   J o u r n a l   o f   t h e   I n d u st r i a l   E l e c t r o n i c s   S o c i e t y ,  v o l .   4 ,   p p .   3 4 6 – 3 6 1 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / O JI ES.2 0 2 3 . 3 3 0 9 6 5 2 .   [ 1 6 ]   J.  P .   R .   A .   M e l l o   a n d   C .   B .   J a c o b i n a ,   “ S i n g l e - p h a se  c o n v e r t e r   w i t h   sh a r e d   l e g   a n d   g e n e r a l i z a t i o n s , ”   I EE E  T ra n s a c t i o n s  o n   P o w e r   El e c t r o n i c s ,   v o l .   3 3 ,   n o .   6 ,   p p .   4 8 8 2 – 4 8 9 3 ,   Ju n .   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TPEL . 2 0 1 7 . 2 7 3 4 6 4 2 .   [ 1 7 ]   M .   A l e e n e j a d ,   H .   M a h mo u d i ,   R .   A h mad i ,   a n d   H .   I man - Ei n i ,   “ A   n e w   h i g h - sw i t c h i n g - f r e q u e n c y   m o d u l a t i o n   t e c h n i q u e   t o   i m p r o v e   t h e   DC - l i n k   v o l t a g e   u t i l i z a t i o n   i n   mu l t i l e v e l   c o n v e r t e r s ,”  I EEE   T r a n s a c t i o n s   o n   I n d u s t ri a l   El e c t r o n i c s ,   v o l .   6 4 ,   n o .   3 ,   p p .   1 8 0 7 – 1 8 1 7 ,   M a r .   2 0 1 7 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI E. 2 0 1 6 . 2 6 2 3 2 5 6 .   [ 1 8 ]   I .   K h a n   a n d   A .   M e h r i z i - S a n i ,   “ S w i t c h i n g   a n g l e   p r e d i c t i o n   w i t h   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k   f o r   c o m p l e t e   a n d   p a r t i a l   s e l e c t i v e   h a r m o n i c   e l i m i n 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 s , ”   i n   2 0 2 1   I EEE   P o w e r  &  E n e r g y   S o c i e t y   G e n e ra l   Me e t i n g   ( PE S G M) ,   I EEE,   J u l .   2 0 2 1 ,   p p .   1 – 5 .   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / P ESG M 4 6 8 1 9 . 2 0 2 1 . 9 6 3 8 1 0 5 .   [ 1 9 ]   B .   D a s,   D .   C h a t t e r j e e ,   a n d   A .   B h a t t a c h a r y a ,   “ M u l t i l e v e l   c o n v e r t e r   t o p o l o g y   s u i t a b l e   f o r   se p a r a t e   a n d   v a r i a b l e   mag n i t u d e   o f   D C   so u r c e s, ”   I n t e rn a t i o n a l   J o u r n a l   o f   P o w e r  El e c t r o n i c s ,   v o l .   1 5 ,   n o .   2 ,   p .   1 9 4 ,   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 1 5 0 4 / I JP ELEC . 2 0 2 2 . 1 2 1 4 0 9 .   [ 2 0 ]   E.   S a m a d a e i ,   S .   A .   G h o l a mi a n ,   A .   S h e i k h o l e s l a mi ,   a n d   J .   A d a b i ,   “ A n   e n v e l o p e   t y p e   (E - T y p e )   mo d u l e :   a sy m met r i c   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r s  w i t h   r e d u c e d   c o mp o n e n t s , ”   I EEE  T r a n sa c t i o n s   o n   I n d u s t ri a l   E l e c t r o n i c s ,   v o l .   6 3 ,   n o .   1 1 ,   p p .   7 1 4 8 – 7 1 5 6 ,   N o v .   2 0 1 6 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI E. 2 0 1 6 . 2 5 2 0 9 1 3 .   [ 2 1 ]   E.   S a ma d a e i ,   A .   S h e i k h o l e s l a m i ,   S .   A .   G h o l a m i a n ,   a n d   J.   A d a b i ,   “ A   s q u a r e   t - t y p e   (ST - Ty p e )   m o d u l e   f o r   a sy mm e t r i c a l   m u l t i l e v e l   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 3 ,   n o .   2 ,   p p .   9 8 7 – 9 9 6 ,   F e b .   2 0 1 8 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TPEL . 2 0 1 7 . 2 6 7 5 3 8 1 .   [ 2 2 ]   E.   B a b a e i ,   S .   A l i l u ,   a n d   S .   L a a l i ,   “ A   n e w   g e n e r a l   t o p o l o g y   f o r   c a s c a d e d   m u l t i l e v e l   i n v e r t e r s  w i t h   r e d u c e d   n u mb e r   o f   c o m p o n e n t s   b a s e d   o n   d e v e l o p e d   H - b r i d g e , ”   I E EE  T ra n sa c t i o n s  o n   I n d u s t ri a l   E l e c t ro n i c s ,   v o l .   6 1 ,   n o .   8 ,   p p .   3 9 3 2 – 3 9 3 9 ,   A u g .   2 0 1 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI E. 2 0 1 3 . 2 2 8 6 5 6 1 .   [ 2 3 ]   Y .   W a n g ,   K .   W a n g ,   a n d   G .   L i ,   “ A   g e n e r a l i z e d   sw i t c h e d - c a p a c i t o r   st e p - u p   mu l t i l e v e l   i n v e r t e r   e m p l o y i n g   si n g l e   D C   so u r c e , ”   C S E E   J o u rn a l   o f   Po w e r   a n d   E n e r g y   S y st e m s ,   v o l .   8 ,   n o .   2 ,   p p .   4 3 9 – 4 5 1 ,   2 0 2 1 ,   d o i :   1 0 . 1 7 7 7 5 / C S EEJPES . 2 0 2 0 . 0 6 2 8 0 .   [ 2 4 ]   K .   P a n d a ,   P .   B a n a ,   O .   K i s e l y c h n y k ,   J .   W a n g ,   a n d   G .   P a n d a ,   “ A   s i n g l e - s o u r c e   sw i t c h e d - c a p a c i t o r - b a se d   s t e p - u p   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   c o m p o n e n t s ,”  I E EE   T ra n s a c t i o n s  o n   I n d u s t ry  Ap p l i c a t i o n s ,   v o l .   5 7 ,   n o .   4 ,   p p .   3 8 0 1 – 3 8 1 1 ,   Ju l .   2 0 2 1 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / TI A . 2 0 2 1 . 3 0 6 8 0 7 6 .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.