background image

Multi-Winding Transformer Based Diode-

Clamped Multi-Level Inverter 

 
 

Ehsan Esfandiari

 

Electronic&Electrical Engineering Dept. 

University Putra Malaysia/Islamic Azad University, 

Majlesi Branch 

Serdang, Malaysia/Esfahan, Iran 

Ehsan.esf@gmail.com

 

Norman Bin Mariun

  

Electronic&Electrical Engineering Dept. 

University Putra Malaysia 

Serdang, Malaysia 

norman@eng.upm.edu.my

 

 

Abstract—In this paper, a new configuration for diode-
clamped multilevel inverter based on multi-winding 
transformer is proposed, described and simulated. The most 
important difference between this proposed DC-AC-AC 
structure and basic structure is that in the proposed 
structure, back-to-back connected outputs of a multi-
winding transformer are superseded the capacitors in basic 
structure. Simulation a 7 levels of proposed configuration 
shows 10% THD. 
key words: multi-winding, multi-level inverter, Diode-Clamped 

I.  I

NTRODUCTION

 

Recently there has been much interest in multilevel 

inverters. Multilevel inverters synthesize a desired 
voltage close to sinusoidal voltage using separated or 
back-to-back connected voltage sources [1-10]. 

From the perspective of the control method, inverters 

can be classified into two major groups:  
1- Line-Frequency controlled multilevel inverters. 
2- PWM-controlled multilevel inverters. 

In first case, switches are controlled by low frequency 

signals and generate a staircase output. The more the 
number of the levels, the lower the THD and 

⁄ .across the switches. In the second case, switches 

are controlled by a high frequency PWM signals. 

The Diode-Clamped multilevel inverter was 

introduced by some scientists in last decade, [2, 11-13]. 
The basic structure of Diode-Clamped is based on N 
series-connected capacitors as DC sources that load is 
clamped to them to reach to desired output voltage. Also, 
[14] describes the improved Diode-Clamped inverter.  

Unbalancing in capacitor`s voltage is a problem in 

Diode-Clamped [7]. In this paper a new configuration 
based on multi-winding transformer as voltage sources 
and the configuration discussed in [14] is proposed and a 

7 levels inverter is simulated. 

II.  B

ASIC STRUCTURE OF PROPOSED INVERTER

 

This inverter, as shown in Fig. 1, is a low frequency 

DC-AC-AC converter. It consists of an H-Bridge Block 
and a switch array similar to Diode-Clamped structure. 

H-Bridge Block converts the DC voltage of the source 

to a low frequency square wave AC voltage. This voltage 
is applied to the primary of a multiwinding transformer. 
Transformer converters this square wave input to a 
multiple synchronous low frequency outputs with 
desirable amplitude. By choosing an appropriate 
switching strategy, it is possible to add these voltages to 
synthesize a desired sinusoidal output. 

A.  Normal operation of circuit in positive cycle 

Table 1 shows the switching strategy for positive cycle 

for proposed inverter. For all of instances in positive 
cycle   to   and 

 to 

 from Block B are off also,   

to   are on (standby for freewheeling path). 

If   and   from Block A are turned on, output equals 

. In this stage, 

 to 

are kept on to provide probable 

freewheeling path. If  ,   and   are turned on output 
equals 

. In this stage, 

 to 

are kept on to 

provide probable freewheeling path. 

If 

 and 

 are turned on, output equals 

. In this stage, 

 is kept on to provide 

freewheeling path. Fig. 1 shows this condition.  

To reach to maximum in positive cycle,   to   are 

turned on. In this case, 

to 

 from Block A and   to 

 from Block B provide freewheeling path.  

At last, to reach to output equal to zero,   and 

 to 

 from Block A are turned on. Thus, forward current 

path includes 

 to 

 from Block B and    and 

 

T

ABLE 

1

 

S

WITCHING PATTERN FOR POSITIVE CYCLE

 

Switches in Block A 

Switches in Block B 

 

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 

Freewheeling path 

S1 S2 S3 S4 

S5 to S8 and 

S1’ to S4’ 

output 

S1’ S2’ S3’ S4’ 

0 0 0 0 1 0 0 0  1 

0 0 0 1 0 1 0 0  1 

1 0 1 

1 +V1 

0 0 1 

1 0 0 1 0  1 

1 0 0 1 

1 +V1+V2 

1 0 0 0 1 

1 0 0 0 1 

1 +V1+V2+V3 

1 0 0 0 0  0  0  0  0  1 

1 +V1+V2+V3+V4 

2010 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications (ISIEA 2010), October 3-5, 2010, Penang, Malaysia

978-1-4244-7647-3/10/$26.00 ©2010 IEEE

155

background image

to 

 from block A.  

 
The important point is that in the positive cycle,   to 

 from Block B must be kept off, unless, short circuit is 

occurred.  Even in the dead time of H-Bridge (from 
positive to zero), because there may be some stored 
energy in secondary, turning on   from Block B will 
causes a short circuit. 

B.  Normal operation of circuit in negative cycle 

Table 2 shows the switching strategy for negative 

cycle. For all of instances in negative cycle   to   and 

 to 

 from Block A are off and   to 

 are  on 

(standby for freewheeling path). 

If 

 and 

 (from Block B) are turned on output 

equals 

. In this stage,   to 

are kept on to provide 

probable freewheeling path. 

If 

 and 

 from Block B are turned on output 

equals 

. In this stage,   to 

are kept on to 

provide probable freewheeling path. 

If 

 and 

 are turned on output equals 

. In this stage,   is kept on to provide 

freewheeling path.  

T

ABLE 

2

 

S

WITCHING PATTERN FOR NEGATIVE CYCLE

 

Switches in block B 

Switches in block A 

 

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 

Freewheeling path 

S1 S2 S3 S4 

S5 to S8 and 

S1’ to S4’ 

output 

S1’ S2’ S3’ S4’ 

0 0 0 0 1 0 0 0  1 

0 0 0 1 0 1 0 0  1 

1 0 1 

1 -V4 

0 0 1 

1 0 0 1 0  1 

1 0 0 1 

1 -V4-V3 

1 0 0 0 1 

1 0 0 0 1 

1 -V4-V3-V2 

1 0 0 0 0  0  0  0  0  1 

1 -V4-V3-V2-V1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Load 

-Vout+ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 1 Forward and freewheeling current path for inverter when output voltage equals +V1+V2+V3 

Forward current path 

Freewheeling current path 

 

 

 

 

+

+

+

156

background image

To reach to minimum in the negative cycle,   to   are 
turned on. In this case, 

 to 

 from Block B and   to 

 from Block A provide freewheeling path.  

At last, to reach to the output equals to zero,   and 

 

to 

 are turned on. So forward current path includes 

 

to 

 from Block B and    and 

 to 

 from Block 

A.  

The important point is that in the negative cycle,   to 

  from Block A must be kept off, unless, short circuit is 

occurred.  Even in dead time of H-Bridge (from negative 
to zero), because there may be some stored energy in 
secondary, turning on   from Block A will causes a 
short circuit. 

 

III. S

IMULATION

 

OrCAD16.2 was used to simulate a 7 level of proposed 

inverter. The auto-convergence ability of this software 
provides condition to simulate high current and voltages 
beside low current and voltages of controlling modules

1

For simulating the multi-winding transformer the 

ladder model proposed in [15] was applied. To reach to 

                                                            

1

 Please note that our try to simulate the proposed 

structure using OrCAD16 failed because of convergence 
problem. 

Fig. 2 A) Voltage across a 10Ω resistive load B) Current passing through C) THD of voltage D) Output current for a pure inductive 
load 

Time

0s

 

2ms

 

4ms

 

6ms

 

8ms

10ms

12ms

14ms

16ms

 

18ms

 

20ms

-I(Rload)

 

-10A

 

0A

 

10A

 

Time

0s

 

2ms

 

4ms

 

6ms

 

8ms

10ms

12ms

14ms

16ms

 

18ms

 

20ms

V(Rload:2,SB4):D)

-100V

 

0V

 

100V

 

Frequency

V(Rload:2,SB4):D)

0Hz

 

0.2KHz

0.4KHz

 

0.6KHz

0.8KHz

1.0KHz

1.2KHz

 

1.4KHz

0V

 

40V

 

80V

 

 

 

Time

0s

 

2ms

 

4ms

 

6ms

 

8ms

10ms

12ms

14ms

16ms

 

18ms

 

20ms

- I(L1:1)

 

-40A

 

0A

 

40A

 

157

background image

near sinusoidal output, firing angles for Mosfets was 
calculated  from this equation[16] : 

 

 

.

  

(1) 

Where, N is the number of sources. 

Fig. 2 illustrates the simulation results for a 7 levels of 

proposed inverter with Mosfet switches. Fig. 2.A and Fig. 
2.B are the voltage and current through a 10Ω resistive 
load. Fig. 2.C is the FFT of the voltage across the 10Ω 
load. The THD became more than 10%. Fig. 2.D shows 
the current through a pure inductive load. This proves the 
ability of propose inverter to feed inductive loads. The 
schematic of switches is shown in 

Fig. 3

IV. C

ONCLUSION

 

A new configuration for diode-clamped multilevel 

inverter was proposed and simulated. In the proposed 
Diode-Clamped structure, capacitors were replaced by a 
multi-winding transformer to shape a DC-AC-AC 
converter. The structure has very simple switching 
strategy. The simulation results for a stepped output show 
ability of this inverter to feed resistive and inductive 
loads. Simulating a seven levels inverter shows 10% 
THD for a 10Ω resistive load. 
 

References 

[1] 

L. M. Tolbert, F. Z. Peng, and T. G. Habetler, "Multilevel 
Converters for Large Electric Drives," IEEE 
TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, 
vol. 35, 
1999. 

[2] 

M. Carpita, S. M. Tenconi, and M. Fracchia, "A novel 
multilevel structure for voltage source inverter," 1992, pp. 
90-90. 

[3] 

K. Corzine and Y. Familiant, "A new cascaded multilevel H-
bridge drive," IEEE Transactions on power electronics, vol. 
17, pp. 125-131, 2002. 

[4] 

S. Daher, J. Schmid, and F. L. M. Antunes, "Design and 
Implementation of an Asymmetrical Multilevel Inverter for 
Renewable Energy Systems," 2005, pp. 199-204. 

[5] 

S. Daher, J. Schmid, and F. L. M. Antunes, "Multilevel 
Inverter Topologies for Stand-Alone PV Systems," IEEE 
Transactions on Industrial Electronics, 
vol. 55, pp. 2703-
2712, 2008. 

[6] 

P. W. Hammond, "A new approach to enhance power quality 
for medium voltage AC drives," IEEE Transactions on 
Industry Applications, 
vol. 33, pp. 202-208, 1997. 

[7] 

J. S. Lai and F. Z. Peng, "Multilevel converters-a new breed 
of power converters," IEEE Transactions on Industry 
Applications, 
vol. 32, pp. 509-517, 1996. 

[8] 

T. A. Meynard and H. Foch, "Multi-level choppers for high 
voltage applications," EPE journal, vol. 2, pp. 45-50, March 
1992. 

[9] 

C. Newton and M. Sumner, "Multilevel converters: A real 
solution to medium high voltage drives?," Institiute of  
Electronic Engineering Power Engineering 
pp. 21–26, Feb. 
1998 1998. 

[10] 

E. Esfandiari, N. Mariun, M. H. Marhaban, and A. Zakaria, 
"Switch-ladder: reliable and efficient multilevel inverter," 
Electronics Letters, vol. 46, p. 646, April 2010. 

[11] 

J. M. Andrejak and M. Lescure, "High voltage converters 
promising technological developments," in Proc. Rec. EPE 
Conf.
, 1987, pp. 1.159-1.162. 

[12] 

A. Nabae, I. Takahashi, and H. Akagi, "A new neutral-point-
clamped PWM inverter," IEEE Transactions on Industry 
Applications, 
pp. 518-523, 1981. 

[13] 

N. S. Choi, J. G. Cho, and G. H. Cho, "A general circuit 
topology of multilevel inverter," in Power Electronics 
Specialists Conference, 1991. PESC '91 Record., 22nd 
Annual IEEE
, 1991, pp. 96-103, 24-27  

[14] 

X. Yuan and I. Barbi, "Fundamentals of a new diode 
clamping multilevel inverter," IEEE Transactions on Power 
Electronics, 
vol. 15, pp. 711-718, 2000. 

[15] 

J. Wang, A. F. Witulski, J. L. Vollin, T. K. Phelps, and G. I. 
Cardwell, "Derivation, calculation and measurement of 
parameters for amulti-winding transformer electrical model," 
1999. 

[16] 

R. W. Menzies and Y. Zhuang, "Advanced static 
compensation using a multilevel GTO thyristor inverter," 
IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 10, pp. 732-738, 
1995. 

 

G

Ds

 

D1N3495

D4

 

Rs

 

100

 

Cs

 

47n

 

V1

 

15

 

R28

 

.1

 

S

D

RGP

1k

U

1

PS256

1

 

1

2

3

4

 

R3

200

0

RG

 

10

 

M1

 

IRF3808

Fig. 3. Schematic of switches that was used for simulation 

 

158