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 5 0 ~ 1 9 6 1   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 5 0 - 1 9 6 1           1950     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Desig n of a  no v el  sing le - so urce  15 - l ev el inverter  wi th  self - ba la ncing  capa citors a nd senso rless   PWM  co ntrol       T a o ufiq El An s a ri ,  Ay o ub   E l   G a da ri,   Yo us s ef   O un ej j a r   D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   M o u l a y   I smai l   U n i v e r si t y ,   H i g h   S c h o o l   o f   Te c h n o l o g y ,   M e k n e s ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ap r   9 ,   2 0 2 6   R ev is ed   Au g   4 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Au g   2 4 ,   2 0 2 6       M u lt il e v e l  in v e rters   (M LIs)  a re   wid e ly   u se d   i n   e n e rg y - c o n v e rsio n   sy ste m s  b e c a u se   th e y   g e n e ra te  h ig h - q u a li ty   AC  v o lt a g e s  with   re d u c e d   h a rm o n ic   d isto rti o n .   H o we v e r,   e x isti n g   M LIs  o ften   re q u ire  n u m e ro u s  p o w e r  d e v ice s,  m u lt ip le   DC  so u rc e s,  v o lt a g e   se n so rs,  o r  d e d ica ted   c a p a c it o r - b a lan c in g   c o n tro ll e rs,  wh ic h   i n c re a se s  b o th   h a rd wa re   c o st  a n d   c o n tr o l  c o m p l e x it y .   T h is  p a p e r  p r o p o se s  a   sin g le - p h a se   1 5 - lev e l  in v e rter  d e riv e d   fro m   t h e   P a c k e d   U - Ce ll   stru c tu re .   It  e m p l o y s a   sin g le DC so u rc e ,   th re e   c a p a c it o rs,  a n d   a   re d u c e d   n u m b e r  o f  p o we r  sw it c h e s.  Ba se d   o n   th e   n u m b e r  o f  p o we r  sw it c h e s,  g a te  d riv e rs,  d io d e s,  c a p a c it o rs,  DC  so u rc e s,  o u tp u t  lev e ls,  a n d   t o tal   sta n d in g   v o lt a g e   p e r  u n it   (T S Vp u ),   th e   p ro p o se d   t o p o lo g y   a c h iev e s  a   lo we r  c o st  fu n c ti o n   t h a n   th e   c o m p a re d   to p o lo g ies   re p o rte d   i n   t h e   li tera tu re .   Th e   p ro p o se d   to p o lo g y   a c h iev e s  a   re lativ e ly   l o w  to tal   sta n d in g   v o l tag e   p e r  u n it   ( TS Vp u )   o f   4 . 4 3 .   S e n so rles s  o p e n - l o o p   S P WM   o ffe rs  i n h e re n t  c a p a c it o r - v o lt a g e   se lf - b a lan c in g ,   e li m in a ti n g   th e   n e e d   f o r  v o lt a g e   se n so rs  o r  a d d it i o n a l  b a lan c in g   lo o p s.  M ATLAB/S imu li n k   v a li d a ti o n   a t  2   k Hz   a n d   a   m o d u lati o n   in d e x   o f  1   c o v e rs  ste a d y - sta te  o p e ra ti o n ,   lo a d   tran sie n ts,  n o n li n e a r  lo a d i n g ,   a n d   DC - so u rc e   v o lt a g e   flu c tu a ti o n s.  F o r  a   5 0   Ω – 2 0   m H  lo a d ,   th e   c u rre n t  TH D  is  2 . 2 0 %   with o u t  a n   o u tp u t  fi lt e r,   c o n firmin g   su it a b il it y   f o r  e n e rg y - c o n v e rsio n   sy ste m s.   K ey w o r d s :   Mu ltil ev el  in v er ter s   Pack ed   U - c ell   P u ls e  wid th   m o d u latio n   T o tal  s tan d in g   v o ltag e    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 :   T ao u f iq   E l A n s ar i   De p a rtme n t  o f  El e c tri c a l  E n g i n e e rin g ,   M o u lay   Ism a il   Un iv e rsit y ,   Hig h   S c h o o l  o f  Tec h n o l o g y   M e k n e s,  M o ro c c o   E m ail:  tao u f iq . elan s ar i@ ed u . u m i.a c. m a       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  wid esp r ea d   d ep lo y m en t  o f   r en ewa b le  en er g y   tech n o lo g ies  [ 1 ]   an d   t h e  in teg r atio n   o f   h ig h   - en er g y - d en s ity   b atter ies  in to   m o d er n   s y s tem s   h av e  g r ea tly   in cr ea s e d   in ter est  in   m u ltil ev el  in v e r ter s   ( ML I s )   in   p o wer   elec tr o n ics   [ 2 ] .   C u r r e n t  a p p licatio n s   ( elec tr ic  v e h icles,  m icr o g r id s ,   r en ewa b le   en er g ies,  an d   c h ar g i n g   in f r astru ctu r e)   n ec ess itate  h ig h   ef f icien c y ,   co m p ac t   p o wer   d en s ity ,   an d   lo w   h ar m o n ic  d is to r tio n ,   wh ich   ML I s   ef f ec tiv ely   ad d r ess   th r o u g h   im p r o v e d   wav e  q u ality   an d   r ed u ce d   s witch in g   co n s tr ain ts   [ 3 ] .   Ho wev er ,   c o n v e n tio n al  t o p o l o g ies   [ 4 ] ,   in cl u d in g   ca s ca d ed   H - b r id g e  ( C HB ) ,   n eu tr al - p o i n t - clam p ed   ( NPC ) ,   an d   f ly in g - ca p ac ito r   ( FC )   in v er ter s ,   h av e   s tr u ctu r al  lim itatio n s :  th ey   r eq u i r e  a   lar g e  n u m b er   o f   co m p o n en ts ,   C HB   o f ten   r e q u i r es  s ev er al  is o lated   DC   s o u r ce s ,   an d   FC   r eq u ir es  d ed icate d   c ap ac ito r   b ala n cin g   m ec h an is m s .   I n cr ea s in g   th e  n u m b er   o f   lev els  g en e r ally   in cr ea s es  th e  n u m b er   o f   s witch es,  co s t,  f o o tp r in t,  an d   co n tr o l c o m p lex ity .   T h is   h as led   to   t h e  em er g en ce   o f   n ew  co n f ig u r atio n s   aim ed   at   r ed u cin g   co m p o n en ts   wh il e   m ain tain in g   wav e  q u ality   [ 5 ] .   Ho wev er ,   r ed u cin g   th e  n u m b er   o f   s witch es  ca n   in cr ea s e  th e  to tal  s tan d in g   v o ltag e   ( T SV)   s u p p o r ted   b y   ce r tain   s e m ico n d u ct o r s ,   with   a   p o s s ib le  im p ac t o n   lo s s es a n d   r eliab ilit y   if   th e   ar c h itec tu r e  is   n o t  o p tim ized   [ 6 ] .   An o t h er   ch allen g e  ass o ciate d   with   co n v en tio n al  m u ltil ev el  in v er ter s   lies   in   th e  d esig n   o f   th eir   co n tr o l  s tr ateg ies.  I n   th is   co n tex t,  s ev er al  ad v an ce d   ap p r o ac h es  h av e  b ee n   d ev elo p e d ,   in clu d in g   r o b u s t   ad ap tiv e  co n tr o l,   in teg r al  s li d in g - m o d e  c o n tr o l,   f u zz y - o b s er v er - b ased   s lid in g - m o d e   c o n tr o l,  a n d   h y b r id   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       Desig n   o f a   n o ve l sin g le - s o u r c e  1 5 - leve l in ve r ter w ith   s elf - b a la n cin g   c a p a cito r s   …   ( Ta o u fi q   E l A n s a r i )   1951   r ea ch in g - law  tech n i q u es   [ 7 ] - [ 9 ] .   Ho wev er ,   th ese  m eth o d s   m ay   in cr ea s e  co m p u tatio n al  b u r d e n ,   p ar am eter - tu n in g   r e q u ir em e n ts ,   an d   im p lem en tatio n   co m p lex ity .   Hig h - q u alit y   m u lti le v el   v o l ta g e  g en e r ati o n   g e n e r a ll y   r e q u ir e s   n u m er o u s   s e m ic o n d u ct o r   d e v ic es   a n d   is o l ate d   DC   s o u r c es   [ 1 0 ] .   Ho wev er ,   m u l ti p le   i n p u t   s o u r c es  in c r ea s e   co n v e r t er   c o s t ,   s iz e,   an d   im p l e m e n ta ti o n   co m p le x it y .   Si n g le - s o u r c e   a r c h it ec t u r es   a r e  th er ef o r e   p r e f e r r e d   i n   a p p lic ati o n s   s u ch   as  el ec t r ic   v e h i cl es  an d   r e n ew a b le - e n er g y   s y s te m s   [ 1 1 ] .   Ac co r d i n g l y ,   s wit ch ed - ca p a cit o r   ML I s   g en er ate   m u l ti p le   v o lta g e  l ev els  f r o m   o n e   DC   s o u r c e   b y   ch a r g in g   a n d   d is c h a r g i n g   ca p a cit o r s   t h r o u g h   a p p r o p r i at e   s wit ch in g   s t at es  u n d er   o p e n - l o o p   o r   clo s e d - lo o p   c o n tr o l   [ 1 2 ] .   T h e   p ac k e d   U - C ell   ( PUC )   t o p o l o g y   [ 1 3 ]   e f f ec t iv el y   a d d r ess es   t h e   m aj o r   c o n s tr ai n ts   o f   m u lti - c ell   c o n v er te r s ,   s u ch   as   s in g l e - s o u r ce   p o we r   s u p p l y ,   r e d u c ti o n   i n   t h e  n u m b e r   o f   c o m p o n e n ts ,   T S V  lim i tat io n ,   a n d   m i n i m i za t io n   o f   h a r m o n i c  d is to r t io n .   I n h e r it in g   t h e   a d v a n t a g es   o f   ca s c a d e d   H - B r id g e  ( C HB )   a n d   f l y i n g   ca p ac i to r   ( FC )   s t r u ct u r e s ,   t h is   h y b r i d   ar c h it ec t u r e  s ta n d s   o u t  f o r   i ts   a d v a n t ag e o u s   T S V  m a n ag em e n t   [ 1 4 ] .    Sev er al  in v er ter   co n f ig u r atio n s   d er iv ed   f r o m   th e  PUC   co n ce p t  h av e  b ee n   in v esti g ated ,   alt h o u g h   s ev er al  p r ac tical  co n s tr ain ts   r em ain .   T h e  to p o lo g ies  in tr o d u ce d   i n   [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ]   u tili ze   r ed u n d a n t  s witch in g   co m b in atio n s   to   m ain tain   th e  ca p ac ito r   v o ltag es  at  th eir   r eq u ir e d   lev els  with o u t  t h e  n ee d   f o r   ad d itio n al   b alan cin g   co n tr o ller s .   Nev er t h eless ,   th e  u s e  o f   two   s ep ar ate  DC   s o u r ce s   in cr ea s es  th e  s u p p ly   r eq u ir em e n ts   an d   r ed u ce s   th eir   s u itab ilit y   f o r   ap p licatio n s   b ased   o n   a  s in g le  D C   b u s .   T h e  ca p ac ito r   v o ltag es  ar e  r eg u lated   th r o u g h   a  clo s ed - lo o p   s ch em e   th at  d ep en d s   o n   v o ltag e  a n d   c u r r e n t  m ea s u r em e n ts   [ 1 7 ] .   T h is   s o lu tio n   im p r o v es   co n tr o llab ilit y   b u t  r eq u ir es  s en s in g   d ev ices,  s ig n al - p r o ce s s in g   cir cu its ,   an d   a d d itio n al  c o n tr o l  h ar d war e,   th er eb y   in cr ea s in g   th e  im p lem en tatio n   co s t  an d   s y s tem   co m p lex it y .   T h e  c o n v e r ter s   r ep o r ted   i n   [1 8 ],   [ 1 9 ]   e m p lo y   tr an s f o r m er s   to   o b tain   th e   r e q u ir ed   v o ltag e   co n v er s io n   an d   o u t p u t  le v els.  Alth o u g h   tr a n s f o r m er s   p r o v i d e   g alv an ic  is o latio n   an d   v o lta g e  ad ap tatio n ,   th e y   also   a d d   v o lu m e ,   weig h t,   m ag n etic  lo s s es,  an d   d esig n   co n s tr ain ts   ass o ciate d   with   tu r n s   r atio s ,   l ea k ag e  in d u ctan ce ,   an d   in s u latio n   r e q u ir em e n ts .   T h ese  d r awb ac k s   h ig h lig h t   th e  in te r est  in   a   tr an s f o r m er less   PUC - d er iv ed   to p o lo g y   s u p p lied   b y   a  s in g le   DC   s o u r ce   an d   ca p ab le   o f   ac h iev in g   in h e r en t c ap ac ito r - v o ltag e  b alan cin g   with o u t se n s o r s   o r   d e d icate d   clo s e d - lo o p   r eg u latio n .   I n   th is   wo r k ,   a  n ew  1 5 - le v el  in v er ter   b ased   o n   th e  PUC   co n f i g u r atio n   is   p r o p o s ed   t o   ac h iev e  a  r ed u ce d   co m p o n en t  c o u n t,   s in g le - s o u r ce   o p er atio n ,   a n d   g o o d   wa v ef o r m   q u ality .   I ts   p er f o r m an ce   i s   ev alu ated   u s in g   a   co s t f u n ctio n   ( C F),   an d   t h e  o b tain ed   r esu lts   ar e  v alid ated   in   MA T L AB /S im u lin k .   T h e  n o v elty   o f   th e  p r o p o s ed   to p o lo g y   is   d em o n s tr ated   th r o u g h   a  co m p ar is o n   with   ex is tin g   s o lu tio n s .   T h e  m ai n   co n tr ib u tio n s   in clu d e  a   r ed u ce d   C F,  lo w  to tal  h a r m o n ic  d is to r tio n   ( T HD) ,   r ed u c ed   to tal  s tan d in g   v o ltag e  ( T SV) ,   an d   a   r eliab le  s en s o r less   co n tr o l  s tr ateg y .   T h e  r em ain d er   o f   th e  p ap er   is   o r g a n ized   as  f o llo ws :   i)   Sectio n   2   p r esen ts   th e   p r o p o s ed   to p o lo g y ,   o p e r atin g   m o d es,  ca p ac ito r   s izin g ,   a n d   s witch - v o ltag e  s tr ess ;  ii)   Sectio n   3   p r o v i d es  a  co m p ar ativ e  a n a ly s is ; iii)   Sect io n   4   p r esen ts   th e  s im u latio n   r esu lts ;   an d   iv )   Sectio n   5   c o n cl u d es th e  p ap e r .       2.   M E T H O D   2 . 1 .     P r o po s ed  co nv er t er   co n f ig ura t io n a nd   o pera t ing   s wit ching   m o des   T h e  b asic  SP UC 5   s tr u ctu r e  m en tio n ed   in   [ 2 0 ]   is   b ased   o n   f iv e  p o wer   s witch es.  I t  is   p o wer ed   b y   a   s in g le  DC   s o u r ce   c o u p le d   to   two   ca p ac ito r s ,   e n ab lin g   th e   p r o d u ctio n   o f   a  f i v e - s tep   o u t p u t  v o ltag e.   As  a n   ex ten s io n   o f   th is   d esig n ,   a   n ew  co n f ig u r atio n   is   in tr o d u ce d ,   as  s h o wn   in   Fig u r e  1 .   T h e   p r o p o s ed   s o lu tio n   co m b in es  th e   ex is tin g   SP UC 5   in v er t er   with   a   PUC   ce ll  to   in cr ea s e  th e   n u m b er   o f   lev els  g en er ated   to   f if teen .   T h e  r esu ltin g   ass em b ly   i n co r p o r ates  n in e  s witch   p o s itio n s ,   in clu d in g   o n e   b id ir ec tio n al  s witch ,   r esu ltin g   in   a   to tal  o f   ten   I GB T s ,   a  s in g le  D C   s o u r ce ,   an d   th r ee   ca p ac ito r s .   I n   ad d itio n ,   t h e  s witch in g   p a ir s   ( T 1 - T 2 ) ,   ( T 6 - T 7 ) ,   an d   ( T 8 - T 9 )   a r e  u s ed   in   a  co m p lem en tar y   m a n n er .   T h is   ar r a n g em en t  en a b les  a  f if teen - lev el  v o ltag e  o u tp u t  to   b e  ac h iev ed   b y   th e  d e v elo p e d   in v er ter   with   a  r e d u ce d   n u m b er   o f   co m p o n e n ts   co m p ar ed   to   co n v en tio n al   m u ltil ev e l in v er ter s .   T h e  p r o p o s ed   in v er ter   co n f ig u r atio n   u tili ze s   a  DC   s o u r ce   an d   c o n n ec ts   it   to   t h r ee   c ap a cito r s .   T h is   co n f ig u r atio n   is   ab le  to   g en er a te  f if teen   v o ltag e  lev els wh ile  at  th e  s am e  tim e   en s u r in g   th e  in tr in s ic  b alan ce   o f   th e  v o ltag es  in   th e  ca p ac ito r s .   T h e  DC   s o u r ce   an d   th e  ca p ac ito r s   ar e  co n n ec ted   u s in g   co n tr o llab le  s witch es.  T h ese  s witch es d eter m in e  th e  cu r r en t  p ath s   ac co r d i n g   to   t h e  o u tp u t.   Fo r   test in g   p u r p o s es,  th e  in p u t  s o u r ce   is   s et  to   E   =  6   V dc .   I n   o p en - lo o p   o p er ati o n ,   th e  ca p ac ito r   v o ltag es   n atu r ally   c o n v e r g e   to   s tab le   v alu es  o f   V C1   =V C2 =  E /2   =   3   V dc   an d   V C3   =   E /6   =  V dc .   T h is   i s   a  co n f ir m atio n   o f   th e  to p o lo g y ’ s   a b ilit y   to   s elf - b alan ce   in   v o ltag e.   I t  is   a  v er i f icatio n   o f   th e  p r o p e r   d is tr ib u tio n   o f   t h e  v o ltag e,   wh ich   allo ws u s   to   ac h ie v e  th e   f if teen   lev els o f   v o ltag e.   T h e  co r r esp o n d en ce   o f   ea ch   v o ltag e  lev el  with   its   r esp ec tiv e  s witch   co n f ig u r atio n   is   s h o wn   in   T ab le  1 .   Fig u r e   2   s h o ws  th e   cu r r en t   f lo w  f o r   th e   p o s itiv e  h alf - cy cle.   I t  is   im p o r tan t   to   p o in t  o u t  t h at  th e   p r o d u ctio n   o f   ea ch   o f   th e   lev el s   is   ac h iev ed   b y   ac tiv atin g   f o u r   s witch es,  th er eb y   r ed u cin g   t h e   n u m b e r   o f   d ev ices  in   co n d u ctio n   a n d   r esu ltin g   in   a  h ig h   ef f icien cy   o f   th e  s y s te m .   T h e  o p er atin g   m o d es  ca n   b e  e x p lain ed   as  f o llo ws:   Fo r   th e  f ir s t  o u tp u t  lev el  ( State  1 ) ,   s witc h es  T 2 ,   T 3 ,  T 7 ,   an d   T 8   ar e  ac tiv ate d ,   as  s h o wn   in   Fig u r e  2 ( a ) .   T h is   co n f ig u r atio n   allo ws  ca p ac ito r   C 3   to   d is ch ar g e,   en s u r i n g   th at  a  v o ltag e   o f   7   V dc  is   p r o d u ce d   at  t h e  o u tp u t.  I n   s tate  2 ,   co n d u ctio n   is   p r o v id ed   b y   T 2 ,   T 3 ,   T 6 ,   a n d   T 8 ,  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 :   1950 - 1 9 6 1   1952   g en er atin g   a n   o u t p u t  v o ltag e  o f   6   V dc   as  s h o wn   in   Fig u r e  2 ( b ) .   Fo r   s tate  3 ,   s witch es  T 2 ,   T 3 ,   T 6 ,   an d   T 9   a r e  ac tiv ated   as  s h o wn   in   Fig u r e  2 ( c) ,   ca u s in g   ca p ac ito r   C 3   to   c h ar g e  a n d   p r o d u cin g   a   v o ltag e   o f   5 V dc .   I n   v ar ian t   4 ,   th e  s im u ltan e o u s   co n d u ctio n   o f   T 2 ,   T 5 ,   T 7 ,   an d   T 8   ca u s es   ca p ac it or   C 2   to   c h ar g e  an d   C 3   to   d is ch ar g e ,   also   en s u r in g   an   o u tp u t  o f   4 V dc  as  s h o wn   in   Fig u r e  2 ( d ) .   I n   s tate   5 ,   s witch es  T 2 ,   T 5 ,   T 6 ,   an d   T 8   ar e  ac tiv ated ,   with   C 1   in   th e  d is ch ar g in g   p h ase,   r esu ltin g   in   an   o u tp u t  lev el  o f   3 V dc  as  s h o wn   in   Fig u r e  2 ( e) .   I n   s tate  6 ,   cu r r en t  f lo ws  th r o u g h   T 2 ,   T 5 ,   T 6 ,   a n d   T 9 .   C ap ac ito r s   C 2   an d   C 3   ar e  ch ar g e d ,   en s u r i n g   th e   p r o d u ctio n   o f   a  v o ltag e  eq u iv alen t  t o   2 V dc  as  s h o wn   in   Fig u r e  2 ( f ) .   I n   s tate  7 ,   th e   co n d u ctio n   o f   T 2 ,   T 4 ,   T 7 ,   an d   T 8   allo ws  C 3   to   d is ch ar g e,   wh ich   m ain tain s   th e  o u tp u t  at  V dc  as  s h o wn   in   Fig u r e  2 ( g ) .   I n   s tate  8 ,   to   o b tain   t h e  ze r o   le v el,   s witch es  T 2 ,   T 4 ,  T 7 ,   an d   T 9   ar e  ac tiv ated   as  s h o wn   in   Fig u r e  2 ( h ) .   T h e  o th e r   s tates  o f   th e  n eg ativ e  alter n atio n   ar e  s h o wn   in     T ab le  1 .   I t sh o u ld   b e  n o te d   th a t th er e  ar e  two   r e d u n d an t states   ass o ciate d   with   a  ze r o - o u tp u t   v o ltag e.           Fig u r e  1 .   Pro p o s ed   in v er ter         ( a)   ( b )   ( c)   ( d )       ( e)   (f)   ( g )   ( h )     Fig u r e  2 .   Op e r atio n al  m o d es  a n d   ass o ciate d   s witch in g   s tates :   ( a)   V L   =   7   V dc ,   ( b )   V L   =   6   V dc ,   ( c)   V L   =   5   V dc ,    ( d )   V L   =   4   V dc,   ( e)   V L   =   3   V dc ,   ( f )   V L   =   2   V dc ,   ( g )   V L   =   V dc ,   an d   ( h )   V L   =   0     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       Desig n   o f a   n o ve l sin g le - s o u r c e  1 5 - leve l in ve r ter w ith   s elf - b a la n cin g   c a p a cito r s   …   ( Ta o u fi q   E l A n s a r i )   1953   T ab le  1 .   Op e r atin g   an d   s witch in g   s tates   S t a t e   T 1   T 2   T 3   T 4   T 5   T 6   T 7   T 8   T 9   C 1   C 2   C 3   I n t e r c o n n e x i o n   V o l t a g e   1   0   1   1   0   0   0   1   1   0   -   -   D i s   E+ V c3   7   V dc   2   0   1   1   0   0   1   0   1   0   -   -   -   E   6   V dc   3   0   1   1   0   0   1   0   0   1   -   -   Ch   E - V C3   5   V dc   4   0   1   0   0   1   0   1   1   0   -   Ch   D i s   E - V c2 +V c3   4   V dc   5   0   1   0   0   1   1   0   1   0   D i s   -   -   V c1   3   V dc   6   0   1   0   0   1   1   0   0   1   -   Ch   Ch   E - V C2 - V C3   2   V dc   7   0   1   0   1   0   0   1   1   0   -   -   D i s   V C3   V dc   8   0   1   0   1   0   0   1   0   1   -   -   -   0   0   8’   1   0   1   0   0   1   0   1   0   -   -   -   0   0   9   1   0   1   0   0   1   0   0   1   -   -   D i s   - V C3   - V dc   10   1   0   0   0   1   0   1   1   0   Ch   -   Ch   - E+ V c1 +V c3   - 2   V dc   11   1   0   0   0   1   0   1   0   1   -   D i s   -   - V C2   - 3   V dc   12   1   0   0   0   1   1   0   0   1   Ch   -   D i s   - E+ V c1 - V C3   - 4   V dc   13   1   0   0   1   0   0   1   1   0   -   -   Ch   - E+ V C3   - 5   V dc   14   1   0   0   1   0   0   1   0   1   -   -   -   - E   - 6   V dc   15   1   0   0   1   0   1   0   0   1   -   -   D i s   - E - V c3   - 7   V dc   D i s:   D i sc h a r g i n g .   C h :   C h a r g i n g .       2 . 2 .     Ca pa ci t o r  des ig n   On e  o f   th e   m ajo r   p r o b lem s   in   m u ltil ev el  in v er ter s   is   th e  p r o b lem   o f   b ala n cin g   t h e  v o ltag es  o f   f lo atin g   ca p ac ito r s ,   wh ich   is   s o lv e d   u s i n g   s o m e  c o n tr o l  alg o r ith m s .   I n   th e  s u g g ested   1 5 - lev el  in v e r te r ,   th is   p r o b lem   h as  b ee n   au to m atica lly   ad d r ess ed   with   th e  h elp   o f   a  s elf - b alan ce   f ea tu r e  t h at  o b v iates  th e  n ee d   f o r   s o p h is ticated   co n tr o l  alg o r ith m s .   Desp ite  th at,   in   an y   k in d   o f   in v e r ter ,   o n e   o f   th e  ca u s es  o f   p o wer   lo s s   is   th e  v o ltag e  r ip p les  o f   th e   ca p ac ito r s   as  th ey   ch ar g e  an d   d is ch ar g e   in   s eq u en ce .   T h e  v o ltag e  r i p p les  s h o u l d   n o t  e x ce ed   a   li m it  o f   5 %   to   1 0 % f o r   th e  o u tp u t v o ltag e  to   r em ain   o f   h ig h   q u ality .   As s h o wn   in   Fig u r e  3 ,   wh ich   d ep ic ts   th e  v ar iatio n s   o f   ca p ac ito r   v o ltag e  a n d   th eir   m a x im u m   d is ch ar g e   p er io d ,   t h e  v ar iatio n   is   d e p en d e n t o n   th e   v a lu e  o f   ca p ac itan ce ,   th e  d is ch ar g e  cu r r en t,  a n d   th e  t im e  in ter v al.   T h u s ,   th er e  s h o u l d   b e  a  s tu d y   o f   th e  o p er atio n   c y cle  an d   co n s tr ain ts   o n   cu r r e n t  to   ac cu r ately   s ize  th e  ca p ac ito r s .   Usi n g   th is   ap p r o ac h ,   it  is   f ea s ib le  to   r eg u lat e  th e  p ea k - to - p ea k   r ip p le  o f   th e  v o ltag e  o f   ca p ac it o r   C i,  wh ich   ca n   b e  ex p r ess ed   as  ( 1 ) :       =   = 1 ∫ ( )      ( 1 )     wh er e  ( t)     d e n o tes  th e  l o ad   cu r r e n t  f or   a  se r i es   R – L  l oad  oper at i ng  un der   si nuso i dal   st eady - st at e   condi t i ons ,  an d   is   ex p r ess ed   a s   ( 2 ) .     ( ) = s in (  − )   ( 2 )     The pe ak cur r e nt     i s gi ven by   ( 3) .     = √ 2 + (  ) 2   ( 3 )     W h er e  ω   is   th e  an g u lar   f r eq u en cy   an d   φ  is   th e  p h ase  lag   o f   th e  cu r r en t  r elativ e  to   th e  v o ltag e,   an d   V m   is   th e   p ea k   v alu e   o f   th e   v o ltag e.   T h e  r ip p le  v o ltag es o f   th e  ca p ac ito r s   at  th e  MD PC i tim e   in te r v als ar e  d eter m in e d   u s in g   ( 4 ) - ( 6 ) .      1 =    1 1 = 1 1 ∫ s in (  − )  4 3   ( 4 )      2   =  2 2 = 1 2 ∫ s in (  − )  18 17   ( 5 )      3   =  3 3 = 1 3 ∫ s in (  − )  2 1   ( 6 )     T h e  ca p ac ito r   v alu es  wer e  d et er m in ed   b y   s o lv in g   ( 4 ) ,   ( 5 ) ,   a n d   ( 6 )   with   th e  d esig n   cr iter i o n   th at  th e  v o ltag e   r ip p le  m u s t n o t e x ce ed   1 0 % o f   th e  d esire d   v alu e,   co n s id er in g   a  lo ad   c o m p o s ed   o f   a   5 0   Ω   r e s is to r   co n n ec ted   in   s er ies  with   a  2 0   m H  in d u cto r ,   with   a  f u n d am en tal  f r eq u en c y   o f   6 0 Hz,   a n d   a n   in p u t  DC   v o ltag e  o f   E =1 8 0   V .  B ased   o n   th is   an aly s is ,   th e  ca p ac itan ce s   wer e  s et  to   C 1   =   C 2   =  1 2 0 0   µF  an d   C 3   =  2 0 0 0   µF.   T h ese  ch o s en   v al u es  g u ar an tee  a d eq u ate  v o ltag e  s tab ilit y   ac r o s s   b o th   ca p ac ito r s   an d   m ain tain   th ei r   f l u ctu atio n s   with in   to ler ab le   b o u n d s   u n d e r   all  o p e r atin g   co n d itio n s .   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 :   1950 - 1 9 6 1   1954       Fig u r e  3 .   W av ef o r m   o f   th e  lo a d   v o ltag e  with   ca p ac ito r   c h ar g in g - d is ch ar g i n g       2 . 3 .     Vo l t a g e  s t re s s   Fo r   th e  p r o p o s ed   f if teen - lev el   in v er ter   to p o l o g ical  co n f i g u r atio n ,   a  s et  o f   n in e  p o wer   s witch es  h as  b ee n   in cl u d ed ,   o f   wh ich   a  b id i r ec tio n al  s witch   h as  b ee n   i n co r p o r ated   in to   th e  a r ch itectu r e.   T h e  v o ltag e  s tr ess   o f   ea ch   d ev ice   h as  b ee n   o b tain ed   b y   co n s id er in g   th e  o p er at in g   m o d es  o f   th e  p r o p o s ed   n o v el  co n f ig u r atio n .   T h e  b lo ck i n g   v o ltag e  o f   ea ch   d ev ice  is   as  ( 7 ) - ( 9 ) .     V T1 =V T2 =V T3 =V T4 =E   ( 7 )     V T6 =V T7 =V T8 =V T9 =V C3   ( 8 )     V T5 =V C1   ( 9 )     T h e  ag g r eg ate  b l o ck in g   v o ltag e  s u s tain ed   b y   all  s em ico n d u ct o r   d ev ices,  d esig n ated   as  th e  t o tal  b lo ck in g   v o ltag e   ( T B V) ,   is   m ath em atica lly   f o r m u lated   as:     T B V= 4 E +V C1 +4 V C3   ( 1 0 )     R eg ar d in g   th e   v o ltag e   r atio s   a d o p ted   t h r o u g h o u t  th is   s tu d y ,   E   =   6   V dc ,   V C1   =   3   V dc ,   an d   V C3   =   V dc ,   th e  to tal  b lo ck in g   v o ltag e  is   d eter m in e d   as  ( 1 1 ) .     T B V= 3 1   V dc   ( 1 1 )     2 . 4 .    G a in o f   t he  des ig ned inv er t er   T h e  v o ltag e  a m p lific atio n   f ac to r   o f   t h e  in tr o d u ce d   to p o l o g y   i s   m ath em atica lly   d ef in ed   as   ( 1 2 ) .     = 7    6    = 1 . 17   ( 1 2 )     2 . 5 .     Co ntr o l st ra t eg y   T h e  p r o p o s ed   1 5 - lev el   in v er t er   is   co n tr o lled   u s in g   a  s in u s o id al  p u ls e - wid th   m o d u latio n   ( SP W M)   s ch em e,   s elec ted   f o r   its   s im p le  im p lem en tatio n   an d   ac c u r a te  g en er atio n   o f   th e  r eq u ir ed   s witch in g   in s tan ts .   Fig u r e  4   p r esen ts   th e  co m p lete  m o d u latio n   a r r an g e m en t.  Fig u r e  4 ( a )   illu s tr ates th e  co m p a r is o n   o f   a  s in u s o id al   r ef er en ce   s ig n al  with   f o u r teen   ca r r ier   s ig n als  h av in g   id en tical   am p litu d es  an d   f r eq u en cies,  wh er ea s   Fig u r e   4 ( b )   s h o ws  th e  elec tr ical  cir cu it  u s ed   to   g e n er ate  th e   co r r esp o n d i n g   g ate  p u ls es.  T h e  im p lem en ted   cir cu it  o p er ates  with o u t  v o ltag e   o r   c u r r e n t  s en s o r s   an d   d o es  n o t  r e q u ir e   a  d e d icate d   ca p ac ito r - v o ltag e   co n t r o l  lo o p .   Acc o r d in g   to   th e  g en er ated   s witch in g   s ig n als,  th e  ca p ac ito r s   ar e  p er io d ically   co n n ec ted   to   th e  DC   s o u r ce   an d   th e  lo ad   th r o u g h   s u itab le  c h ar g in g   an d   d is ch ar g in g   p at h s .   T h is   p e r io d ic  en e r g y   ex ch a n g e  m ai n tain s   th e  ca p ac ito r   v o ltag es  clo s e  to   t h eir   d esire d   v alu es  wh ile  s elec tin g   th e   ap p r o p r iate  s witch in g   s tates  r eq u ir ed   to   s y n th esize  th e  f if teen   o u t p u t - v o ltag e  lev els.   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       Desig n   o f a   n o ve l sin g le - s o u r c e  1 5 - leve l in ve r ter w ith   s elf - b a la n cin g   c a p a cito r s   …   ( Ta o u fi q   E l A n s a r i )   1955     ( a)     ( b )     Fig u r e  4 .   SP W M:  ( a)   r ef er e n c e  an d   ca r r ier   s ig n als an d   ( b )   s e n s o r less   g ate - p u ls e  g en er atio n   cir cu it       3.   CO M P ARA T I V E   S T UDY   A  d etailed   b en c h m ar k i n g   e v alu atio n   p r o ce s s   is   p er f o r m ed   t o   o b jectiv ely   q u an tify   th e  p e r f o r m an ce - to - co s t  r atio   o f   v ar io u s   ML I s .   T h e  b en c h m ar k i n g   cr iter ia  a r e  b a s ed   o n   a   s et  o f   s p ec if ic  s tr u ctu r al  an d   tech n o lo g ical  p ar am eter s ,   wh ich   ar e   wid ely   u s ed   to   co m p ar e   th e  p er f o r m an ce   o f   v a r io u s   p o wer   co n v er s io n   s y s tem s ,   th e   n u m b er   o f   in d ep en d en t   DC   s o u r ce s   ( N dc ) ,   th e   to tal  n u m b er   o f   p o we r s   I GB T s   d ev ices  ( N Sw ) ,   th e   n u m b er   o f   d io d es  ( N d ) ,   th e  m ax im u m   n u m b er   o f   v o l tag e  le v els  ( N L ) ,   th e  n u m b er   o f   g ate  d r iv er   cir c u its   ( N Gd ) ,   an d   th e   n u m b er   o f   ca p ac ito r s   ( N C ) .   Mo r eo v e r ,   an   ad d itio n al  p a r am e ter ,   to tal  Stan d in g   Vo ltag e  p er   u n it  ( T SVp u ) ,   h as  also   b ee n   in tr o d u ce d   to   q u a n tify   th e  v o ltag e  s tr ess   o f   p o wer   d ev ices.  All  o f   th e  af o r em en ti o n ed   p ar a m eter s   ar e  in teg r ated   in t o   a   s in g le  C o s t  Fu n ctio n   ( C F),   w h ich   e n ab les  a  f air   co m p ar is o n   o f   th e  v ar i o u s   ML I   t o p o lo g ies  p r esen ted   in   th e  e x is tin g   liter atu r e.   T h e  weig h tin g   c o e f f icien t  α   ad j u s ts   th e  r elativ e  im p o r ta n ce   o f   s em ico n d u cto r   v o lt ag e   s tr ess   with   r esp ec t to   h ar d war e   co m p lex ity .   A  l o wer   v al u e  o f   α   em p h asizes co m p o n en t   co u n t,  w h er ea s   a  h ig h er   v alu e   ass ig n s   g r ea ter   im p o r tan ce   to   T SVp u .   T h e  m ath e m atica l  ex p r ess io n   g o v er n in g   th e  co s t f u n ctio n   is   f o r m u lated   as   [ 2 ] :     = (  + + + +  )    ( 1 3 )     T h e  T SV pu   o f   th e  in t r o d u ce d   i n v er ter   is   p r esen ted   b y   ( 1 4 )   [2 1 ] .      = = 31  7  = 4 . 43   ( 1 4 )     T ab le  2   p r esen ts   a  co m p ar ati v e  an aly s is   o f   th e  p r o p o s ed   to p o lo g y   an d   o th e r   m u ltil ev e l  in v er ter   to p o lo g ies  r ep o r ted   i n   th e  liter atu r e,   b ased   o n   th e  c o s t  f u n cti o n   d ef i n ed   p r ev io u s ly .   T h e  w eig h tin g   co e f f icien t  α   co n tr o ls   th e  r elativ e  im p o r tan ce   ass ig n ed   to   th e  t o tal  s tan d in g   v o ltag e  a n d   h a r d war e   co m p o n en t  co u n t.   A  h ig h er   v alu e  o f   α   =  1 . 5   g iv es   g r ea ter   im p o r tan ce   to   s em ico n d u cto r   v o ltag e  s tr ess ,   wh er ea s   α   =  0 . 5   em p h asizes   co m p o n en t r ed u ctio n .   T h er ef o r e,   a  s en s itiv ity   an aly s is   is   p er f o r m ed   u s in g   b o th   weig h tin g   c o n d itio n s .                                                                                                                                                                                                      +   -       +   +   +   +   + + + + + + + +   +   +   -       S wit c h ing  t able     T 2   T1   T 4   T 3   T 5   T 9   T r ia ngul ar   s ignal   1                                      Sinus oid al   r e f er enc e   Sinus oid al   r e f er enc e   T 6   T 8   T 7   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 :   1950 - 1 9 6 1   1956   As  s h o wn   in   T ab le  2 ,   t h e  c o s t  f u n ctio n   o f   th e  p r o p o s ed   t o p o lo g y   in c r ea s es  f r o m   1 . 6 1   at  α   =   0 . 5   to   1 . 9 1   at  α   =   1 . 5 .   T h is   m o d er ate   v ar iatio n   s h o ws  th e   in f l u en ce   o f   th e  t o tal  s tan d in g   v o ltag e   o n   th e  c o s t  f u n ctio n .   Nev er th eless ,   th e  p r o p o s ed   to p o lo g y   m ain tain s   a  f av o r a b le  co s t - f u n ctio n   v alu e  u n d er   b o th   weig h tin g   co n d itio n s ,   co n f ir m in g   a  r o b u s t c o m p r o m is e  b etwe en   h ar d war e  co m p lex ity   an d   s em ico n d u c to r   v o ltag e  s tr ess .       T ab le  2 .   C o m p a r is o n   with   o th er   to p o lo g ies   To p o l o g y   Y e a r   N L   N dc   N c   N Sw   N Gd   N d   TSV p u   C F ( α=0 . 5 )   C F ( α=1 . 5 )   [2 2 ]   2 0 2 3   7   2   4   8   8   2   5 . 6 6   7 . 0 9   8 . 7 1   [2 3 ]   2 0 2 4   7   1   2   7   7   2   5   2 . 9 3   3 . 6 4   [ 2 ]   2 0 2 5   7   1   2   8   8   2   5 . 6 7   3 . 2 6   4 . 0 7   [2 4 ]   2 0 2 2   13   1   3   15   15   0   5   2 . 7 3   3 . 1 2   [2 5 ]   2 0 2 2   13   1   3   14   13   4   5 . 5 0   2 . 8 3   3 . 2 5   [2 1 ]   2 0 2 5   13   1   3   11   10   3   6 . 3 3   2 . 3 2   2 . 8 1   [ 1 6 ]   2 0 2 6   15   2   1   10   9   0   4 . 4 3   2 . 9 6   3 . 5 5   [2 6 ]   2 0 2 2   15   2   1   10   10   1   4 . 8 6   3 . 2 6   3 . 9 1   [2 7 ]   2 0 2 5   15   3   0   10   10   0   3 . 4 2   4 . 3 4   5 . 0 3   [ 28 ]   2 0 2 3   19   2   2   9   9   6   7 . 2   3 . 1 2   3 . 8 7   [ 29 ]   2 0 2 5   19   2   2   10   10   4   6 . 5 5   3 . 0 8   3 . 7 7   P r o p o se d   ---   15   1   3   10   9   0   4 . 4 3   1 . 6 1   1 . 9 1       4.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   An   ex h a u s tiv e  ass ess m en t  co n ce r n in g   th e  p er f o r m an ce   o f   th e  in tr o d u ce d   in v er ter ,   wh ich   is   o p er atin g   in   p u ls e  wid th   m o d u latio n   ( PW M)   m o d e,   h as  b ee n   p er f o r m e d   b y   co n d u ctin g   s im u latio n s   in   MA T L AB /S im u lin k   s o f twar e.   T h e  ass ess m en t  h as  b ee n   p er f o r m ed   in   two   p h ases .   First,  th e  in v er ter   h as  b ee n   s im u lated   in   its   n o m in al  o p er atin g   co n d itio n s ,   an d   t h en   th e   r o b u s tn ess   o f   th e  s y s tem   an d   th e  ef f icac y   o f   th e   co n tr o l sch em e  h av e  b ee n   v ali d ated   b y   in tr o d u cin g   c h an g es i n   th e  o p er atin g   p ar am eter s   o f   th e  in v er ter .     4 . 1 .   Sim ula t i o n und er   co ns t a nt  pa ra m e t er s   T ab le  3   p r o v id es  a  co m p r e h e n s iv e  o v er v iew  o f   th e  s im u lat io n   s etu p   p ar a m eter s .   Fig u r e  5   illu s tr ates   th e  tem p o r al  v a r iatio n   o f   t h e  lo ad   v o ltag e  V L   alo n g   with   th e   ca p ac ito r   v o ltag es  V C1 ,   V C2 ,   an d   V C3 .   T h e  r esu lts   d em o n s tr ate  th at  th e  p r o p o s ed   in v er ter   is   ca p ab le  o f   g e n er ati n g   a  f if tee n - lev el  o u t p u t  v o ltag e.   I n   a d d itio n ,   t h e  ca p ac ito r   v o ltag es  ar e   ac cu r at ely   r eg u lated   a r o u n d   th eir   r ef e r en ce   v alu es,  n am ely   V C1   =  V C2   =  E /2   =   9 0   V  a n d   V C3   =  E /6   =  3 0   V.   Ma in tain i n g   th ese  v o ltag e  lev els  is   ess en tial  to   en s u r e  p r o p er   o p er at io n   an d   to   ac h iev e  a  h ig h - q u ality   o u t p u t  v o ltag e .   T h is   in h er en t  v o lta g e  b alan cin g   p r eser v es  u n if o r m   v o ltag e  s tep s   an d   s u p p o r ts   th e  n ea r ly   s in u s o id al  lo a d   cu r r en t   s h o wn   in   Fig u r e  6 .   Fig u r e  7   p r esen ts   th e  h ar m o n ic  s p ec tr a ,   wh er e  Fig u r e   7 ( a)   s h o ws  an   o u tp u t - v o ltag e  T H D  o f   9 . 4 1 % ,   wh ile  Fig u r e  7 ( b )   in d icate s   a  lo ad - cu r r en t  T HD  o f   2 . 2 0 %.  T h ese  r ed u ce d   T HD  v alu es  r esu lt  f r o m   th e  s tab le  ca p ac ito r   v o lta g es  an d   ac cu r ate  g en e r atio n   o f   th e  f if teen   o u t p u t   lev els,  wh ile  th e  in d u ctiv e  n at u r e  o f   t h e  R – L   lo ad   f u r t h er   att en u ates h ig h - f r eq u en cy   c u r r e n t h ar m o n ics   lev els.           Fig u r e  5 .   W av ef o r m s   o f   t h e  lo ad   v o ltag e  ( V L )   an d   th e  ca p ac i to r   v o ltag es ( V C1 , V C2 ,   an d   V C3 )           Fig u r e  6 .   W av ef o r m   o f   lo ad   c u r r en t   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       Desig n   o f a   n o ve l sin g le - s o u r c e  1 5 - leve l in ve r ter w ith   s elf - b a la n cin g   c a p a cito r s   …   ( Ta o u fi q   E l A n s a r i )   1957   T ab le  3 .   Simu latio n   s itti n g s   P a r a me t e r s   E   R   L   C1   C2   C3   S w 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   i n d e x   S a mp l i n g     f r e q u e n c y   V a l u e s   1 8 0   V   5 0   Ω   2 0   mH   1 2 0 0   µ F   1 2 0 0   µ F   2 0 0 0   µ F   2 0 0 0   H z   1   20   k Hz           ( a)   ( b )     Fig u r e  7 .   FFT - b ased   f r eq u e n c y   an aly s is   o f   ( a)   th e  lo ad   ter m i n al  v o ltag e  a n d   ( b )   th e  l o ad   cu r r en t w av ef o r m       4 . 2 .     Respo ns e  t o   DC  s up ply   v o lt a g e   f luct ua t io n   T o   ass es s   th e  d y n am ic  r o b u s tn ess   o f   th e  d esig n ed   to p o lo g y ,   t h e  DC   in p u t  v o ltag e  E   was  s te p p ed   f r o m   1 8 0   V  to   9 0   V   at  t   =  3   s .   T h e   ca p ac ito r   a n d   lo ad   v o ltag es   ar e  s h o wn   in   Fig u r e   8 .   Fig u r e   9   p r o v id es   a  clo s e - up  v iew  o f   th e   lo ad   a n d   ca p ac ito r   v o ltag es  b ef o r e  a n d   d u r in g   th e  d is tu r b an ce .   I n itially ,   V C1   an d   V C2   r em ain   clo s e   to   E /2 ,   wh ile  V C3   r em ain s   n ea r   E /6 ,   co n f ir m in g   s tab le  s en s o r less   v o ltag e  b ala n cin g .   T h e   s u d d en   v o ltag e  d r o p   cr ea tes  a  tem p o r ar y   en er g y   im b alan ce   in   th e  ca p ac ito r s   an d   c au s es  s h o r t  v o ltag e  d e v iatio n s .   Ho wev er ,   th e  PW M  s witch in g   s tates  r esto r e  th e  p er io d ic  ch a r g in g   an d   d is ch ar g in g   p r o ce s s ,   allo win g   th e   ca p ac ito r   v o ltag es  to   r ec o v er   th eir   r ef er e n ce   v alu e s   af ter   ap p r o x im ately   0 . 3 5   s ,   as  s h o wn   in   Fig u r e  1 0 .   T h i s   tr an s ien t  d u r atio n   r ep r esen ts   th e  tim e  r eq u i r ed   t o   r esto r e  th e  ca p ac ito r   en er g y   b alan ce .   Mo r e o v er ,   t h e  p r eser v ed   1 5 - lev el  o u t p u t   wav ef o r m   c o n f ir m s   co r r ec t v o ltag e - lev el  g en er atio n   d u r in g   a n d   af ter   t h e  d is tu r b a n ce .   Fig u r e  1 1   s h o ws  th e  lo ad - cu r r en t  r esp o n s e,   wh ile  Fig u r es  1 2   an d   1 3   p r o v id e  en la r g ed   v ie ws  b ef o r e,   d u r in g ,   an d   af ter   th e  in p u t - v o ltag e  d is tu r b an ce .   I m m e d iately   af ter   th e  v o ltag e  d r o p ,   th e  cu r r en t  ex h ib its   a  tr an s ien t  d ev iatio n   ca u s ed   b y   th e  s u d d en   v a r iatio n   in   th e  p o wer   tr an s f er r e d   to   th e  lo ad .   T h e  cu r r e n t  t h en   r ec o v er s   its   q u asi - s in u s o id al  wav ef o r m   af ter   a p p r o x im ately   0 . 3 5   s ,   in d icatin g   th at  s tab le  o p er atio n   is   r esto r e d .   T h is   tr an s ien t  d u r atio n   co r r esp o n d s   to   th e  tim e  r eq u ir e d   f o r   t h e  co n v er ter   an d   th e  lo a d   to   r e ac h   a  n ew  o p er atin g   eq u ilib r iu m .   T h e  in d u ctiv e   lo ad   lim its   cu r r en t  v ar iatio n s ,   wh ile  s en s o r less   p u ls e  wid th   m o d u latio n   ( PW M)   m ain tain s   th e  s witch in g   s eq u en ce ,   th u s   en s u r in g   ca p ac ito r   v o ltag e  r eg u latio n   an d   a  s atis f ac to r y   d y n am ic  r esp o n s e  in   ca s e  o f   i n p u t  v o lta g e  d is tu r b an ce s .             Fig u r e   8 .   W av ef o r m s   o f   t h e  lo ad   v o ltag e  ( V L )   an d   th e  ca p ac ito r   v o ltag es ( V C1 , V C2 ,   an d   V C3 )   d u r in g   th e  ch an g e  o f   th e  DC   s o u r ce     F i g u r e   9 .   Z o o m   o n   t h e   w a v e f o r m s   o f   t h e   l o a d   v o l t a g e   (V L )   a n d   t h e   c a p a c i t o r   v o l t a g e s   ( V C1 , V C2 ,   a n d   V C3 )   b e f o r e   a n d   d u r i n g   t h e   c h a n g e   o f   t h e   D C   s o u r c e             Fig u r e  1 0 .   Z o o m ed - in   wa v ef o r m s   o f   th e  lo a d   v o ltag e  ( V L )   a n d   th e  ca p ac ito r   v o ltag es ( V C1 , V C2,   an d   V C3 )   af ter   t h e  ch an g e  o f   th e  DC   s o u r ce     Fig u r e  1 1 .  W av ef o r m   o f   th e   lo ad   cu r r e n t d u r in g   th e   ch an g e  o f   th e  DC   s o u r ce   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 :   1950 - 1 9 6 1   1958         Fig u r e  1 2 .   Z o o m - in   o n   th e   wa v ef o r m   o f   th e   lo ad   cu r r en t d u r in g   t h e  ch an g e   o f   th e  DC   s o u r ce     Fig u r e  1 3 .  Z o o m   in   o n   th e   wa v ef o r m   o f   th e   lo ad   cu r r en t a f ter   t h e  ch an g e  o f   th e  DC   s o u r ce       4 . 3 .    O pera t io n und er   f luct ua t ing   lo a d c o nd it io ns   I t  is   v er y   im p o r tan t  to   ass ess   t h e  p er f o r m an ce   o f   th e  in v er te r   in   v ar iab le  lo ad   co n d itio n   f o r   en s u r in g   its   p er f o r m a n ce   u n d er   p r ac tica l  wo r k in g   s itu atio n s .   I n   th is   r e g ar d ,   t h e  p e r tu r b atio n   in   th e  f o r m   o f   a  v a r iat io n   o f   b o th   r esis tan ce   an d   in d u ctan ce   v alu es a t   th e   s am e  tim e   o cc u r r ed   at   t =   3   s ,   wh e n   th e   r esis tan ce   v alu e  in c r ea s ed   f r o m   5 0   Ω   to   9 0   Ω ,   an d   th e  in d u ctan ce   v al u e  in cr ea s ed   f r o m   2 0   m H  to   3 0 0   m H.   Un lik e  in   n o r m al  ca s es,  th is   v ar iatio n   d o es  n o t  cr ea te  a  n o ti ce ab le  tr an s ien t  s tate.   T h e   ca p ac ito r   v o ltag es  ad ap t  alm o s t  in s tan tly   to   th eir   n ew  wo r k in g   co n d itio n s   d u e  to   th e  s y s tem ’ s   v er y   h ig h   ad ap tab ilit y .   T h is   b eh av io r   is   ex p lain ed   b y   th e  ef f ec tiv en ess   o f   th e  s en s o r less   PW M  co n tr o l  s tr ateg y ,   wh i ch   en s u r es  o p tim al   s elec tio n   o f   s witch in g   s tates a n d   im m ed iate  lo a d   b alan ci n g .   I n   s tead y   s tate,   th e  ca p ac ito r   v o ltag es  co n v er g e   to war d   t h eir   r ef er en ce   v alu es,  with   V C1   an d   V C2   s tab ilizin g   ar o u n d   E /2   =  9 0   V  an d   V C3   clo s e  to   E /6   =  3 0   V.   T h is   r ap id   s tab ilizatio n   co n f ir m s   th e  r o b u s tn ess   o f   th e  s elf - b alan cin g   m ec h a n is m ,   ev en   in   th e   p r esen ce   o f   s ig n if ican t  v ar iatio n s   i n   lo ad   p ar a m eter s .   Ma in tain in g   th ese  v o ltag e  lev els  en s u r es  th at  a  1 5 - lev el  m u ltil ev el  o u t p u t  v o ltag e  is   p r eser v ed ,   b o th   b ef o r e  an d   af ter   th e  d is tu r b an ce ,   as sh o wn   i n   Fig u r e  1 4 .   Fig u r e  1 5   s h o ws  th e   wav ef o r m   o f   lo ad   cu r r e n t.  Alth o u g h   th er e  ar e   d if f e r en t  lo a d   p ar a m eter s ,   th e  wav ef o r m   o f   lo ad   c u r r e n t  r em ain s   s in u s o id al  in   n atu r e.   T h e  r ea s o n   b eh in d   t h is   p h en o m en o n   lies   in   th e  f ac t  th at  th e  lo ad   ac ts   as a n   in d u cto r ,   w h ich   i m p r o v es f ilter in g   ac tio n   an d   s u p p r ess es f ast f lu ctu atio n s .   Ultim ately ,   it  is   ev id en t  f r o m   th ese  r esu lts   th at  th e  s u g g ested   in v er ter   to p o lo g y   o f f e r s   s u p er io r   r o b u s tn ess   ag ain s t  an y   ch a n g es  in   th e  lo ad .   T h e  i n s tan tan eo u s   s tab ilizatio n   o f   ca p ac ito r   v o ltag es  a n d   t h e   m ain ten an ce   o f   a  1 5 - lev el   o u tp u t  v o ltag e  with   ex ce llen t   cu r r en t  q u ality   ar e   in d icativ e  o f   t h e  r eliab ilit y   o f   th e   s u g g ested   to p o lo g y .             Fig u r e  1 4 .   W av ef o r m s   o f   th e  l o ad   v o lta g e  ( V L )  an d   th e  ca p ac ito r   v o ltag es ( V C1 , V c2  an d   V C3 )  d u r in g   th e  ch a n g e  o f   th e  lo a d     Fig u r e  1 5 .   W av ef o r m   o f   th e   lo ad   cu r r e n t d u r in g   th e  ch an g e   o f   th e   lo ad       4 . 4 .     O pera t io n und er   no nli n ea r  lo a d c o nd it io ns   E v alu atin g   th e  p er f o r m a n ce   o f   an   in v er ter   u n d er   n o n lin e ar   lo ad   co n d itio n s   is   ess en tia l,  as  th ese   co n d itio n s   ar e  r ep r esen tativ e  o f   r ea l - wo r ld   p o wer   elec tr o n i cs  ap p licatio n s .   Fo r   th e  an aly s is   o f   th e  r o b u s tn ess   o f   th e  s u g g ested   1 5 - lev el  in v er ter ,   a  s im u latio n   a n aly s is   is   p er f o r m ed   with   co n s id er atio n   o f   a  tr a n s itio n   to   a   n o n lin ea r   lo ad .   I n itially ,   a   p u r el y   r esis tiv e  lo ad   is   co n n ec ted .   At  tim e  t  =   3   s ,   it  is   r ep lace d   b y   a  n o n lin ea r   lo a d   with   a  d io d e  r ec tifie r .   As  s h o wn   in   Fig u r e  1 6 ,   th e  c ap ac ito r   v o ltag es  r em ain   p r o p er ly   b alan ce d   an d   s tab ilize  ar o u n d   th eir   r ef er en ce   v alu es  d esp ite  th e   ap p lied   d is tu r b an ce .   T h is   r es u lt  d em o n s tr ates  th e  ef f icien cy   o f   th e   co n t r o ller   s ch em e  in   ac h iev in g   b alan ce d   v o ltag es  u n d er   n o n lin ea r   cu r r en t  co n d itio n s .   Ad d itio n ally ,   th e  o u tp u t  v o ltag e   m ain tain s   its   m u ltil ev el  s tep p e d   wav ef o r m ,   ty p ical  o f   a  1 5 - le v el  in v er ter ,   th e r eb y   p r o v i n g   t h e  r eliab ilit y   o f   th e   s u g g ested   to p o lo g y .   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       Desig n   o f a   n o ve l sin g le - s o u r c e  1 5 - leve l in ve r ter w ith   s elf - b a la n cin g   c a p a cito r s   …   ( Ta o u fi q   E l A n s a r i )   1959   Fig u r e  1 7   s h o w s   th at  th e   n o n lin ea r   lo ad   in tr o d u ce s   ad d it i o n al  h ar m o n ic   co m p o n en t s   t h r o u g h   t h e   r ec tif ier ,   in cr e a s in g   th e  lo ad - cu r r en t  T HD  f r o m   9 . 2 5 %  to   1 0 . 4 5 % .   D esp i te  th i s   d is tu r b an ce ,   th e  cu r r en t   r em a in s   q u a s i - s i n u s o id al,   an d   th e  T H D  i n cr e a s e  i s   l im it ed   to   1 . 2 0   p er ce n tag e  p o in t s .   T h is   r esu lt   in d ic at e s   th at   th e  p r o p o s ed   in v er ter   m a in t ai n s   s t ab l e  v o lt ag e - lev el  g en er at io n   an d   s at i s f a cto r y   h ar m o n i c  p er f o r m an c e  u n d e r   n o n lin ea r   lo a d in g ,   co n f ir m in g   th e  ef f ec t iv en es s   o f   th e  s en s o r le s s   m o d u la tio n   an d   c ap a ci to r - v o l tag e - b a lan cin g   m ec h an i s m .             Fig u r e  1 6 .   W av ef o r m s   o f   th e  l o ad   v o lta g e  ( V L )   an d   th e  ca p ac ito r   v o ltag es ( V C1 , V c2  an d   V C3 )   d u r in g   n o n lin ea r   l o ad   o p er atio n     Fig u r e  1 7 .   W av ef o r m   o f   th e   lo ad   cu r r e n t d u r in g   th e   n o n lin ea r   l o ad   o p er atio n       5.   CO NCLU SI O N   T h is   p ap er   h as  p r esen ted   a  n ew  1 5 - lev el  in v er ter   to p o lo g y   d er iv ed   f r o m   th e  Pack ed   U - C ell  s tr u ctu r e   an d   s u p p lied   b y   a  s in g le  DC   s o u r ce .   T h e  p r o p o s ed   co n f ig u r atio n   em p lo y s   th r ee   ca p ac ito r s   an d   a  r e d u ce d   n u m b er   o f   p o wer   co m p o n e n ts ,   r esu ltin g   in   a  lo wer   co s t  f u n ctio n   co m p ar ed   with   s ev er al  m u ltil ev el  in v er ter   to p o lo g ies  r ep o r ted   in   t h e  liter atu r e.   A  s en s o r less   PW M  s tr ateg y   en s u r es  th e  n at u r al  s elf - b alan cin g   o f   th e   ca p ac ito r   v o ltag es  with o u t  r e q u ir in g   v o ltag e  s en s o r s   o r   a d d itio n al  b alan cin g   co n tr o l  lo o p s .   T h e  p r o p o s ed   in v er ter   ac h ie v es a   lo w  T HD,   co n f ir m in g   its   ef f ec tiv en ess   u n d er   th e  i n v esti g ated   o p er atin g   co n d itio n s .   T h e  s u g g ested   co n v e r ter   was  test ed   o n   d if f er en t  s ce n ar io s ,   in clu d in g   v a r iab le  lo ad s ,   d if f er en t  DC   v o ltag es,  an d   n o n - lin ea r   lo ad s .   I t  ca n   b e   s ee n   th at  th e r e  is   an   e x ce llen t  b alan ce   b etwe en   t h e  c ap ac ito r s '   v o ltag es,  with   s tab ilit y   o b s er v ed   d u r in g   b o th   s tatic  an d   d y n am ic  s tate s .   Du e  to   its   ea s e  o f   co n tr o l  a n d   s u p er io r   p o wer   q u ality ,   it  is   a  s u itab le  ch o ice  f o r   r en ewa b le  e n er g y ,   elec tr ic  tr ac tio n ,   an d   s m ar t  g r i d s .   Nev er th eless ,   s o m e  lim itatio n s   ex is t.  On   th e  o n e   h an d ,   t h e  ab s en ce   o f   a  co m m o n   g r o u n d   m ay   co m p licate   its   in teg r atio n   in to   p h o to v o ltaic  s y s tem s .   On   th e   o th er   h a n d ,   th e   v o ltag e   g ai n   is   r elativ ely   lo w,   an d   th is   lim its   its   p o s s ib le  ap p licatio n s   in   s tr u ctu r es  wh er e  a  v o ltag e  b o o s ter   is   n ee d ed ,   g iv en   th at  G  =  1 . 1 7 .   T h ese  lim itatio n s   s u g g est   s ev er al  d ir ec tio n s   f o r   f u tu r e  r esear ch .   Fu tu r e  ef f o r ts   will  f o cu s   o n   d ev elo p i n g   s tr u ctu r es  with   a  co m m o n   r ef er en ce   p o in t,   im p r o v in g   v o l tag e  g ain   wh ile  m ain tain in g   a   co m p ac t stru ctu r e  an d   lo w   co m p o n e n t c o u n t,  a n d   p er f o r m in g   d etailed   co n d u cti o n   a n d   s witch in g   lo s s   an aly s es.  Mo d el  p r e d ictiv e  c o n tr o l  an d   ex p e r im en tal   v alid atio n   u n d er   p r ac tical  o p e r atin g   co n d itio n s   will a ls o   b e  in v esti g ated .       F UNDING   I NF O R M A T I O N   Au th o r s   s tate  n o   f u n d in g   in v o lv ed .       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   T ao u f iq   E l A n s ar i   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓       ✓     Ay o u b   E l G a d ar i     ✓     ✓         ✓   ✓   ✓     ✓       Yo u s s ef   Ou n ejjar     ✓     ✓             ✓     ✓   ✓       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       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.