I nte rna t io na l J o urna l o f   Appl ied P o wer   E ng i neer ing   ( I J AP E )   Vo l.  14 ,   No .   4 Dece m b er   20 25 ,   p p .   8 0 3 ~ 8 1 5   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e . v 14 . i 4 . pp 803 - 815           803       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : // ija p e. ia esco r e. co m/   Desig n of a  ha lf - b ridg e inverte r wi t h digi tal  SP WM   c o ntrol for  pure sine  wav e ou tput       J a lil Ak a a bo un e B o ua zz a   E l   M o ura bit M o ha m ed  O ula a ro s s M o ha m ed  B encha g ra   Te a m   E n g i n e e r i n g   a n d   A p p l i e d   P h y si c s,  S u l t a n   M o u l a y   S l i ma n e   U n i v e r si t y ,   B e n i   M e l l a l ,   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   Feb   6 ,   2 0 2 4   R ev is ed   J u n   2 4 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Au g   3 ,   2 0 2 5       To   fo ste th e   wid e sp re a d   a d o p ti o n   o so lar  p o we r,   e sp e c ially   th a p ro d u c e d   b y   p h o t o v o lt a ic  (P V)   sy ste m s,  w e   m u st  m o v e   b e y o n d   th e   m e re   u ti li z a ti o n   o f   re n e wa b le  e n e rg y   so u rc e s.  P ri o rit izin g   c o st - e ffe c ti v e   a p p ro a c h e th ro u g h   in n o v a ti v e   g ri d   in teg ra ti o n   is   e ss e n ti a l.   Th is  stra teg ic  tran sfo rm a ti o n   sig n ifi c a n t ly   c o n tri b u tes   to   th e   g lo b a e x p a n sio n   o e lec tri c a e n e rg y   p ro d u c ti o n .   On e   p i o n e e rin g   a p p ro a c h   in v o l v e t h e   imp lem e n tatio n   o f   in v e rters   o p e ra ti n g   a h i g h   f re q u e n c ies   to   e fficie n tl y   fil ter  a n d   e li m in a te  unde sira b le  c u rre n t   h a rm o n ics ,   t h u e n h a n c i n g   sy ste m   p e rf o rm a n c e .   Th is  in n o v a ti v e   tec h n i q u e   re li e o n   th e   g e n e ra ti o n   o ra p id   c o m p lem e n tary   d i g it a l   p u lse   wid t h   m o d u lati o n   ( P WM )   sig n a ls,  c o m p lete   with   b u i lt - in   d e a d   ti m e ,   to   m a n a g e   a   h a lf - b rid g e   in v e rter  with   a   sin g le  p h a se .   Th e   p a p e re c o m m e n d e m p lo y i n g   t h e   IR2 1 1 0   d r iv e r,   an   o ften - u se d   c o m p o n e n fo M O S F ET   sw it c h   m a n a g e m e n t,   to   e x e c u te  t h is  str a teg y .   T h e   e n ti re   sy ste m   is  c o n tro ll e d   b y   h ig h - fre q u e n c y   P W M   sig n a ls,  m e ti c u lo u sl y   p ro g ra m m e d   fo p re c isio n ,   g e n e ra ted   b y   a   m icro c o n tro l ler  d r iv e b o a rd .   W it h   it a d a p ta b il it y   t o   v a ri o u s   re n e wa b le  e n e rg y   c o n v e rsio n   d e v ice s,  th is  m e th o d o l o g y   e x ten d s   it u ti li t y   b e y o n d   s o lar  e n e rg y .   P ra c ti c a tes ts  h a v e   c o n firme d   th e   e ffica c y   o t h is   stra teg y .   F u tu re   re se a rc h   in   th is  fi e ld   sh o u ld   sc ru t in ize   th e   e ffe c o f   P WM   o n   sy ste m   sta b il it y   a n d   h a rm o n ic   d ist o rti o n ,   e x p l o re   a d v a n c e d   m o d u lati o n   m e th o d s,  a li g n   P W M   a p p ro a c h e with   u p c o m i n g   p o we e lec tro n ics   tec h n o l o g ies ,   a n d   w o rk   to wa rd s i m p ro v i n g   sy ste m   e fficie n c y .   K ey w o r d s :   Fil ter   L C   Half - b r id g e   Har m o n ics r ed u ctio n   I n v er ter   c o n tr o l   MO SF E T s     Po wer   elec tr o n ics   SP W M     T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   J alil A k aa b o u n   T ea m   E n g in ee r in g   a n d   Ap p lied   Ph y s ics,  Su ltan   Mo u lay   Sli m an Un iv er s ity   C am p u s   Mg h illa,  B P 5 2 3 ,   2 3 0 0 0   B en i M ellal,   Mo r o cc o   E m ail: ja lil.ak aa b o u n e@ g m ail . co m       1.   I NT RO D UCT I O   Glo b al  en er g y   d em an d ,   p r o jec ted   to   in c r ea s b y   5 0 b etwe en   2 0 1 8   an d   2 0 5 0 ,   alo n g   with   co n ce r n s   o v er   th en v ir o n m en tal  im p ac o f   f o s s il  f u el  co n s u m p tio n ,   h as  h asten ed   th tr an s itio n   to   s u s tain ab le  en er g y   s o u r ce s   s u ch   as  s o lar ,   h y d r o el ec tr ic,   an d   win d   [ 1 ] .   Fo s s il  f u els,  wh ich   co n tin u to   d o m in a te  th g lo b al  en er g y   s ec to r ,   ar e   m aj o r   s o u r ce   o f   ca r b o n   d io x id ( C O 2 )   em is s io n s ,   p la y in g   cr itical  r o le   in   ac ce ler atin g   clim ate   ch an g e   an d   en v ir o n m e n tal  d e g r ad atio n .   I n   2 0 1 8 ,   an   esti m ated   8 9 %   o f   g lo b al   C O 2   em is s io n s   wer attr ib u ted   to   th co m b u s tio n   o f   f o s s il  f u els  an d   in d u s tr ial  ac tiv itie s ,   u n d er s co r in g   th eir   s ig n if ican im p ac o n   th p lan et' s   ec o lo g ical  b alan ce   [ 2 ] ,   [ 3 ] .   T h p r o ce s s   o f   tu r n in g   s o lar   en er g y   in to   elec tr ical  p o we r   is   m ad p o s s ib le  b y   p h o t o v o l taic  ( PV)   tech n o lo g y .   PV   s y s tem s   n ee d   in v er ter s   to   co n v er t   s o lar - g en er ated   d ir ec t   cu r r en t   ( DC )   in t o   alter n atin g   c u r r en t   ( AC ) ,   wh ich   m ay   b u s ed   ef f ec tiv ely   [ 4 ] .   B ey o n d   th is   ess en tial  co n v er s io n ,   in v er ter s   also   p lay   r o le  in   o p tim izin g   s y s tem   p er f o r m a n ce ,   m o n ito r in g   o u tp u lev els,  an d   en s u r in g   c o m p lian ce   with   s af ety   s tan d ar d s .   PV  s y s tem s   h av b ec o m a   k ey   elem en t   in   th e   tr an s itio n   to   clea n   e n er g y .   Ov er   th e   p ast  d ec ad e,   g l o b al  s o lar   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  14 ,   No .   4 ,   Dece m b er   20 25 :   8 0 3 - 815   804   ca p ac ity   h as  ex p an d ed   s ig n i f ican tly .   I n   2 0 2 2 ,   m o r t h a n   2 0 0   GW   o f   s o lar   in s tallatio n s   wer ad d ed   wo r ld wid e,   with   to tal  in s talle d   s o lar   ca p ac ity   in cr ea s in g   b y   2 0 3   GW   th at  y ea r   [ 5 ] .   T h is   g r o wth   is   d r i v en   b y   f allin g   PV p an el  co s ts ,   tech n o l o g ical  ad v a n ce m en ts ,   an d   s u p p o r tiv p o licies  [ 6 ] .   T o   en s u r e   th e   ef f icien t   u s o f   s o lar   en er g y ,   in v er te r s   p l ay   c r u cial  r o le  in   co n v er ti n g   th e   DC   g en er ated   b y   PV  p an els  in to   AC ,   wh ich   is   s u itab le  f o r   u s in   h o m es  a n d   o n   th g r id .   Mo d er n   in v er ter   tech n o lo g ies  ac h iev co n v er s i o n   ef f icien cies  o f   u p   to   9 8 %,   s ig n if ican tly   r ed u cin g   en er g y   lo s s es  d u r in g   th co n v er s io n   p r o ce s s   [ 7 ] .   Ho w ev er ,   s o lar   en er g y   g en er atio n   is   in h er en tly   in ter m itten t,  an d   in v er ter s   m u s b ab le  to   m an a g th ese  f lu ctu ati o n s   wh ile  m ain tain in g   a   co n s i s ten t A C   o u tp u [ 8 ] .   k ey   co m p o n en t in   th is   tr an s itio n   is   th in v er ter ,   an   elec tr o n ic  d ev ice  th at  tr an s f o r m s   DC   elec tr icity   g en er ated   b y   r en ewa b le  s o u r ce s   lik s o lar   p an els  an d   win d   tu r b in es  in to   AC   elec tr icity ,   s u itab le  f o r   h o u s eh o ld s ,   b u s in ess es,  an d   t h p o wer   g r id   [ 9 ] .   I n v er ter s   p lay   p iv o tal  r o le  in   r en ewa b le  en er g y   s y s tem s ,   en s u r in g   th e   co m p atib ilit y   o f   elec tr icity   g en er ated   b y   t h ese  s o u r ce s   with   th ex is tin g   elec t r ical  in f r astru ctu r e.   Ho wev er ,   o p tim izin g   th ef f ic ien cy ,   r eliab ilit y ,   an d   co s t - ef f ec tiv en ess   o f   b o th   r e n ewa b le  en er g y   s o u r ce s   an d   in v er ter s   is   cr u cial  to   m ak in g   th em   m o r ac ce s s ib le  to   wid er   r an g o f   u s er s .   Ma n y   r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s   ar in ter m itten t,  g en er atin g   elec tr icity   at  v ar y in g   tim es,  wh ich   p r esen ts   ch all en g es  in   en s u r in g   a   s tab le  an d   r eliab le   p o wer   s u p p ly   [ 1 0 ] .   I n v e r ter s   m u s b e   m eticu lo u s ly   d esig n e d   to   ef f i cien tly   h an d le  th ese  v ar y in g   in p u s o u r ce s   an d   p r o v id a   co n s tan o u tp u t   o f   h ig h - q u ality   AC   elec tr icity   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ] .   I n   ess en ce ,   th e   ch allen g o f   h a r n ess in g   r e n e wab le  en er g y   an d   th e   r o le  o f   in v er ter s   ar i n ter twin ed ,   w o r k in g   in   h ar m o n y   to   estab lis h   m o r s u s tain ab le  an d   r eliab le  e n er g y   s y s tem   f o r   th f u tu r e .   As  tech n o l o g y   ad v an ce s   an d   in n o v atio n s   em er g e,   co n tin u ed   p r o g r ess   ca n   b ex p ec ted   in   th d ev elo p m en o f   r e n e wab le  en er g y   an d   in v er ter   tech n o lo g ies.  I n v er ter s   g en er ate  o u tp u ts   th at  ca n   b ca teg o r ized   in to   th r ee   d is tin ct  ty p es  ac co r d in g   t o   th eir   wav ef o r m s q u ar wav e,   m o d if ied   s in wav e,   an d   p u r s in wav e.   T h v ar i o u s   wav ef o r m s   ar d e p icted   in   Fig u r e   1 .   I n   ter m s   o f   q u ality ,   p u r s in e   wav e   in v er ter s   o u tp er f o r m   o th er   tech n o lo g ie s ,   p ar ticu lar ly   with   r esp ec to   to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   ( T HD) .   Pu r s in wav in v er ter s   ex h ib it  s ig n if ican tly   lo wer   d is to r tio n   lev els,  en s u r in g   a   h ig h e r   q u al ity   o f   elec tr ical  p o wer   g en er a tio n .   T h er ef o r e,   it   is   h ig h ly   r e co m m en d e d   t o   u s e   p u r s in wav e   in v er ter s   f o r   s o lar   p an el  ap p licatio n s   to   o p tim ize  b o th   th e   ef f icien cy   an d   th q u ality   o f   th e   elec tr ical  s u p p ly   [ 1 3 ] .   Am o n g   i n v er ter   co n t r o m et h o d s ,   p u ls wid th   m o d u latio n   ( PW M)   is   th m o s wid ely   em p lo y ed   tech n iq u e.   T h m ain   g o al  o f   th ese  m o d u latio n   m eth o d s   is   to   clo s ely   ap p r o x im ate  s in wav es,  th er eb y   im p r o v in g   th q u ality   o f   th in v er ter   o u t p u t   [ 1 4 ] .   PW M,   b y   s h if tin g   h ar m o n ics  to   f r eq u en cies  at  h ig h er   lev el,   f ac ilit ates  ef f icien f il ter in g .   T h er ar e   v ar io u s   ty p es  o f   m o d u latio n   tech n i q u es,  with   th m o s r ec o g n izab le  o n es  in clu d i n g   [ 15] i)   s in u s o id al  p u ls wid th   m o d u latio n ,   ii)  m o d if ied   p u ls wid th   m o d u latio n ,   iii)  r an d o m   p u ls wid th   m o d u l atio n ,   iv )   s p ac v ec to r   m o d u la tio n ,   an d   v )   d elta  m o d u latio n .     T h o r g a n izatio n   o f   th p ap er   is   as f o llo ws:   Sectio n   1   d is cu s s es th s ig n if ican ce   o f   r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s ,   with   p ar ticu lar   f o c u s   o n   p h o t o v o ltaic  s y s tem s   a n d   th e   r o le   o f   in v er ter s .   Sectio n   2   d is cu s s es  th d esig n   o f   th p r o p o s ed   h ig h - f r eq u en c y   in v e r ter   s y s tem   an d   its   co m p o n en ts ,   i n clu d in g   th co n tr o cir c u it  an d   p o wer   m o d u le.   Sectio n   3   d eta ils   th ch ar ac ter izatio n   o f   th L C   f ilter   an d   th e   co n tr o l   m eth o d o lo g y .   Sectio n   4   co v er s   th s im u latio n   an d   ex p er im e n tal  r esu lts ,   co m p ar in g   t h th e o r etica m o d el  with   p r ac tical  im p lem en tatio n .   Fin ally ,   s ec ti o n   5   s u m m ar izes th s tu d y   a n d   p r o p o s es d ir ec tio n s   f o r   f u t u r r esear ch .           Fig u r 1 .   Var io u s   wav ef o r m s   o f   an   in v er ter         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Desig n   o f a   h a lf - b r id g in ve r t er w ith   d ig ita l S P WM   co n tr o l fo r   p u r s in w a ve   o u tp u ( Ja l il A ka a b o u n e )   805   2.   P RO P O SE SYS T E M   D E S I G AND  CH ARAC T E RI Z AT I O N   Fig u r 2   s h o ws  th s ch em ati b lo ck   d ia g r am   o f   th p r o p o s ed   s y s tem .   I is   m ad u p   o f   co n tr o cir cu it  b ased   o n   m icr o c o n t r o ller   th at  g e n er ates  SP W p u ls es.  T h in v er ter   cir cu it  will  th en   s u p p ly   th e   o u tp u t.  Fin ally ,   th s in u s o id al  s ig n al  was c r ea ted   b y   u s in g   an   L C   f ilter   to   r ed u ce   h ar m o n ics.            Fig u r 2 .   Sch em atic  d iag r am   o f   th en tire   cir cu it m o d el       2 . 1 .     P o wer   circ uit  m o du le   T h h alf - b r id g c o n f i g u r atio n ,   f u n d am e n tal  to   th i m p lem e n tatio n   o f   t h in v er ter ,   co n s is ts   o f   tw o   s witch es,  S1   an d   S2   [ 1 6 ] .   T h e s s witch es  with in   th s am ar m   ar d esig n ed   to   f u n ctio n   i n   co m p lem en tar y   m an n er .   T h is   in d icate s   th at,   as  s h o wn   in   Fig u r e   3 ,   o n s witch   co n d u cts  elec tr icity   wh ile  th e   o th er   co n cu r r en tly   b lo ck s   it.  T h is   co n f ig u r atio n   g en er ates  an   o u t p u v o ltag wav ef o r m ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r 4 ,   wh ich   r ep r esen ts   th in v er ter ' s   o u tp u v o ltag e.     T ab le  1   s h o ws  th s witch   co m b in atio n s   th at   ar allo wed   f o r   th e   in v er ter ' s   h alf - b r id g e   ci r cu it.  I also   lis ts   th s witch   co m b in atio n s   th at  ar n o allo wed   b ec au s th ey   co u l d   ca u s s h o r c ir cu it  in   th p o we r   s u p p ly .   T ab le   1   h as m o r in f o r m atio n .             Fig u r 3 .   T h h alf - b r id g to p o lo g y   cir cu it     Fig u r 4 .   T h v o lta g ac r o s s   th lo ad       T ab le  1 .   T a b le  o f   s witch   s tatu s   [ 1 7 ]   S 1   S 2   O u t p u t   v o l t a g e   a mp l i t u d e   w   Off   Off   V o l t a g e   v a l u e   o f   w   =   0   Off   On   V o l t a g e   v a l u e   o f   w   =   in   On   Off   V o l t a g e   v a l u e   o f   w   =   + in   On   On   Th e   l o a d   i s s h o r t e d       2 . 2 .     L f ilte r   T o   m in im ize  T HD,   th f ilter   d esig n   in v o lv es  ca lcu latin g   th r eso n an ce   f r eq u en cy       f o r   ea ch   s witch in g   f r eq u en c y .   s tan d ar d   m eth o d   is   u s ed   to   d eter m i n th in d u ctan ce   L   an d   ca p a citan ce   C   v alu es,  a s   d ef in ed   b y   ( 1 ) .       =          +           2 = 1   2        ( 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  14 ,   No .   4 ,   Dece m b er   20 25 :   8 0 3 - 815   806   W h er e   = 10     an d    = 0 , 5      .   T h o u tp u t   v o lta g f r e q u en c y ,   d en o te d   b y   ,   is   5 0   Hz   a n d        is   th f r eq u en cy   o f   s witch in g   [ 1 8 ] .     2 . 3 .     C o ntr o l c ircuit   m o du le   F u lly   co n tr o llab le  s em ico n d u cto r   s witch es  with   th ab ilit y   to   tu r n   o n   a n d   o f f ,   s u c h   as  B J T ,   MO SF E T ,   o r   I GB T ,   m u s t   b s elec ted   in   o r d er   to   f in is h   th e   p r o ject.   T h m icr o co n tr o ller   u tili z ed   is   an   AT - Me g a3 2 8 ,   a n   8 - b it  m em b e r   o f   th AVR  f am ily   [ 1 9 ] .   T h o n   an d   o f f   s tates  o f   th s em ico n d u cto r   s witch es  T 1   an d   T 2   will  b co n tr o lled   b y   th m icr o co n tr o ller ,   wh ic h   will  b p r o g r am m ed   to   p r o d u ce   co m p lem e n tar y   PW s ig n als n am ed   HO  an d   L [ 2 0 ] .     2 . 4 .     G a t e   driv er   T h I R 2 1 1 0   is   h ig h - s p ee d ,   h ig h - v o ltag MO SF E T   d r iv er   t h at  f ea tu r es sep ar ate  an d   co m p lem en tar y   o u tp u ch an n els  r ef er en ce d   to   b o th   th h ig h - s id ( HO)   an d   lo w - s id ( L O)   o f   th cir cu it   [ 2 1 ] T h is   co m p lem en tar y   co n f i g u r atio n   p r ev en ts   cr o s s - co n d u ctio n   b et wee n   s witch in g   d ev ices  an d   en ab les  r eliab le  an d   ef f icien co n tr o o f   p o wer   tr a n s is to r s ,   wh ich   ex p lain s   th e   wid ad o p tio n   o f   th I R 2 1 1 0   in   p o wer   elec tr o n ics  ap p licatio n s .   T h e   d ev ice   ca n   o p er ate  with   h ig h - s id v o ltag es  u p   to   5 0 0 V,   l o w - s id v o lta g es  u p   t o   2 0 V,   a n d   s u p p o r ts   lo g ic  in p u ts   f r o m   3 . 3 to   1 5 V.   I ts   o u tp u t   s tag es  p r o v id p ea k   s o u r ce   an d   s in k   cu r r en ts   o f   u p   t o   2 A,   wh ile  p r o p ag atio n   d elay s   a r m atch ed   to   ap p r o x im ately   2 0 0 n s ,   e n s u r in g   ac cu r ate  a n d   s tab le  tr a n s is to r   s witch in g .   C o n s eq u en tly ,   t h I R 2 1 1 0   is   p ar ticu la r ly   s u itab l f o r   a p p licatio n s   s u ch   as  s in u s o id al  p u ls wid th   m o d u latio n   ( SP W M)   g en er atio n ,   wh er s p ee d ,   r o b u s tn ess ,   an d   n u m er ical  s p ec if icatio n s   g u ar an tee  p r ec is an d   s af tr an s is to r   o p er atio n .         3.   T H E   P W M   M O D E   F O T H E   AVR  P H ASE   AND  F RE Q UE NCY  CO RR E C T   Dig ital  p u ls wid th   m o d u la tio n   ( DPW M)   is   an   in v er ter   co n tr o tech n iq u th at  e m p lo y s   m icr o co n tr o ller   to   g en e r ate  c o m m an d   s ig n als.  T h is   ap p r o a ch   en ab les  p r ec is ad ju s tm en o f   th e   s witch in g   f r eq u e n cy   an d   p u ls wid th s ,   th er eb y   e n h an cin g   th q u ality   o f   th g en e r ated   p o we r   an d   e f f ec tiv ely   r ed u cin g   h ar m o n ic   d is to r tio n s .   I is   p ar ticu lar ly   s u itab le  f o r   ap p licatio n s   r eq u ir in g   f in e   r eg u latio n   o f   v o ltag e   an d   f r eq u e n cy ,   s u ch   as  s o lar   in v er ter s   an d   p o wer   co n v e r ter s .   T h m icr o co n tr o ller   im p lem en ts   p h ase -   an d   f r eq u e n cy - co r r ec PW m o d b ased   o n   d u al - s lo p c o u n ter .   I n   t h is   m o d e,   th c o u n ter   in cr em en ts   f r o m   a   m in im u m   v alu ( B OT T OM )   to   m a x im u m   v alu e   ( T OP) ,   a n d   th en   d ec r e m en ts   f r o m   T OP  b ac k   to   B OT T OM .   T h PW wav ef o r m   is   g en e r ated   b y   to g g lin g   th o u tp u c o m p ar c h an n els  OC n an d   OC n B   ac co r d in g   to   th v alu es   s to r ed   i n   th e   o u tp u co m p a r r e g is ter s   ( OC R n an d   OC R n B ) .   E ac h   tim th e   co u n ter   r ea ch es   th e   v alu d ef in e d   in   o n o f   th OC R   r eg is ter s ,   th co r r esp o n d in g   o u t p u ch an n el  ch an g es  its   s ta te  ( HI GH  o r   L OW ) .   I n   th e   in v e r ted   m o d e,   t h s ig n al  b eh av es o p p o s itely ,   with   th o u tp u t   co m p a r c h an n els  s witch in g   with   r ev er s ed   p o lar ity   r elativ e   to   th s tan d ar d   m o d e.   T h e   tim i n g   o f   th s ig n al   ca n   b e   p r ec is ely   co n tr o lled   b y   ad ju s tin g   th v alu es  in   t h c o m p ar r eg is ter s ,   wh ich   d ete r m in th ex ac m o m en ts   at  wh ich   th ch an n els  to g g le.   Fig u r 5   illu s tr ates  th is   p r o ce s s ,   s h o win g   h o t h o u t p u ch a n n els  OC n a n d   OC n B   ch an g e     s tates  wh en   th co u n ter   v al u m atch es  th v alu es  in   t h co m p ar r eg is ter s ,   f o r   b o t h   n o n - in v er te d   an d     in v er ted   m o d es.           Fig u r 5 .   Diag r a m   o f   th PF C PW M   mode   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Desig n   o f a   h a lf - b r id g in ve r t er w ith   d ig ita l S P WM   co n tr o l fo r   p u r s in w a ve   o u tp u ( Ja l il A ka a b o u n e )   807   T h is   m o d en s u r es  h ig h   d e g r ee   o f   ac cu r ac y   in   th g en e r ated   PW s ig n al,   m ak in g   it   id ea f o r   ap p licatio n s   s u ch   as  m o to r   co n tr o l,  s ig n al  m o d u latio n ,   an d   o th er   s y s tem s   r eq u ir in g   p r e cise  f r eq u en cy   an d   d u ty   cy cle  co n tr o l.   T h f o llo w in g   f o r m u la  ca n   b u s ed   to   ca l cu late  th I C R 1   ( T OP)   r eg is ter ' s   v alu in   o r d er   to   p r o d u ce   1 0   k Hz  PW s ig n al  u s in g   tim er   with   1 6   MH clo ck   an d   p r e - s ca ler   ( N)   o f   1 :      ( 1 )   =                                            2 × ×                 =         16   MHZ                         2 × 1 ×   1 0 K hz             = 800   ( 2 )     wh er   t im er   clo ck   f r e q u en cy   ( 1 6   MH z) N:  p r escaler   v alu e ,   an d      d esire d   PW f r e q u en cy     ( 1 0   k Hz) Sin ce   ea ch   p u ls is   p r o d u ce d   at  a   ca r r ier   f r eq u en cy   o f   1 0   k Hz   ev er y   1 0 0   m icr o s ec o n d s ,   th e   p u ls e   wid th   n ee d s   to   b m o d if ied   at   100 - m ic r o s ec o n d   i n ter v als.  T h e   p u ls wid th   v alu es  f o r   ,   wh ich   r an g f r o m   0   to   9 9 ,   wer e   co m p u ted   u s in g   s p r ea d s h ee t .      = 800 ×    ( 2 × 180 × / 200 )   ( 3 )     No r m alizin g   th SP W v alu e   to   th at  is   th n ex t step ,   s o :   SP W [ 0 ]   0   ×  8 0 0   Nu m   [ 0 ]   0 ,   SP W [ 1 ]   0 . 0 3 1 2 5   ×  8 0 0     Nu m   [ 1 ]   2 5 ,   SP W [ 2 ]   0 . 0 6 2 5   ×  8 0 0     Nu m   [ 2 ]   5 0 .     T h d if f er e n ce   in   v alu es  b et wee n   OC R 1 an d   OC R 1 B   c r ea tes  two   PW s ig n als  wit h   d if f er e n p u ls wid th s .   B y   s elec tin g   th in v er s m o d f o r   OC R 1 B ,   th two   s ig n als b ec o m co m p lem en tar y ,   with   d ea d   tim in s er ted   b etwe en   th eir   tr an s itio n s .   T h is   d ea d   tim e n s u r es  th at  n eith er   s ig n al   is   ac ti v s im u ltan eo u s ly ,   p r ev en tin g   s h o r t c ir c u its   an d   p r o tectin g   th cir c u it.  T h o p er atio n   is   illu s tr ated   in   Fig u r 6 .   Af ter   b ein g   m o d i f ied   b y   th e   m o d u latio n   in d e x   v alu e   an d   t h ad d itio n al  d ea d   tim e,   th e   v alu in   tab le  [ Nu m ]   is   r ea d   an d   i n p u in to   t h OC R 1 r eg is ter   in   th I SR .   T h d ea d   tim p u ls wid th   o f   5 0 0   n an o s ec o n d s   ( t_ d   8   x   6 2 . 5   n 5 0 0   n S)  is   r ep r esen ted   b y   th v alu o f   ∆x   8 .   At  th m o m en t,  t h m o d u latio n   i n d ex   is   f ix ed   at  v al u o f   0 . 7 .           Fig u r 6 .   Dea d   tim o b s er v ati o n   tim in g   d iag r am       4.   T H E   S I M U L A T I O AN E XP E RI M E NT AL   R E SU L T S   4 . 1 .     D ea dti m e - dev elo ped bip o la P WM   wa v ef o rm s   Fig u r 7   illu s tr ates  h o co n tr o m o d el  with   d ea d   ti m is   u s ed   in   th MA T L AB /Si m u lin k   s im u latio n   o f   s in g le - p h ase  h alf - b r id g in v er ter   u s in g   two   MO SF E T s .   W ith   d ea d   ti m o f   5 0 0   n s ,   th is   m o d el  p r o d u ce s   two   co m p lem en tar y   s ig n als  [ 2 2 ] Acc o r d in g   to   th I E C   s tan d ar d ,   th g o a is   to   v is u alize   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  14 ,   No .   4 ,   Dece m b er   20 25 :   8 0 3 - 815   808   o u tp u t sig n als an d   lo wer   th T HD  to   less   th an   5 [ 2 3 ] T h s in g le - p h ase  b ip o lar   h alf - b r id g in v er ter   m o d el  is   s h o wn   in   Fig u r 8 ,   wh e r a   PW s ig n al  is   p r o d u ce d   b y   c o m p ar in g   tr ian g u lar   ca r r ier   w av an d   s in u s o i d al  m o d u latio n   s ig n al.   T a b le  2   s u m m ar izes  th k ey   s y s tem   p ar am eter s ,   in clu d in g   in p u v o ltag e,   s witch in g   f r eq u e n cy ,   d ea d   tim e,   m o d u lat io n   in d e x ,   an d   L C   f ilter   v alu es   u s ed   in   th is   s tu d y .           Fig u r 7 .   MA T L AB   Simu lin k   s im u latio n   m o d el  o f   co n tr o cir cu it with   d ea d   tim e           Fig u r 8 .   T h s im u latio n   m o d el  f o r   s in g le - p h ase  b ip o lar   h alf - b r id g e   in v er ter       T ab le  2 .   Par am eter s   f o r   th s y s tem   an d   co n tr o l   P a r a me t e r   S y mb o l   V a l u e   V o l t a g e   o f   D C   I n p u t      1 0   V   S w i t c h i n g   f r e q u e n c y      1 0   k H z   D e a d   t i me     5 0 0   n s   M o d u l a t i o n   i n d e x     0 . 7   F i l t e r   i n d u c t a n c e     1 0   mH   F i l t e r   c a p a c i t a n c e     3 3 0   F   Lo a d   r e si s t a n c e   0   1 0           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Desig n   o f a   h a lf - b r id g in ve r t er w ith   d ig ita l S P WM   co n tr o l fo r   p u r s in w a ve   o u tp u ( Ja l il A ka a b o u n e )   809   T o   s u cc ess f u lly   av o id   th s h o o t - th r o u g h   is s u in   s em ico n d u cto r   d ev ices,  lik p o wer   m etal - o x id e - s em ico n d u cto r   f ield - ef f ec t r a n s is to r s   ( MO SF E T s ) ,   u tili ze d   in   t h m o to r ' s   p h ase  leg ,   a   d ea d - tim zo n m u s b im p lem e n ted   [ 2 4 ] h o wev e r ,   th e   n o n lin ea r ity   ass o ciate d   with   th d ea d - tim e   ef f ec t   ca n   ca u s d is to r tio n s   in   v o ltag an d   cu r r e n wav ef o r m s   an d   g en er ate  h i g h - o r d er   h ar m o n ics,  s ig n if ican tly   d eg r ad i n g   m o t o r   p er f o r m an ce ,   p ar ticu lar ly   at  l o s p ee d s   an d   u n d er   lig h t - lo ad   co n d itio n s   [ 2 5 ]   Fig u r 9   illu s tr ates th d ea d   ti m r eq u ir ed   to   en s u r p r o p e r   o p er atio n   o f   th s witch es.  B y   i n tr o d u ci n g   th is   in ter v al,   th SP W wav e f o r m   g e n er ato r   p r o d u ce s   two   co m p lem en tar y   s ig n als  with   d ea d   tim e,   allo win g   th s witch es  to   b s af ely   tu r n e d   o n   o r   o f f   with o u ca u s in g   a   s h o r cir cu it,  wh ile  Fig u r e   1 0   s h o ws  th r esu ltin g   PW o u tp u g en e r ated   u n d er   th ese  co n d itio n s ,   r ef lectin g   th in f lu en ce   o f   th im p lem en te d   d ea d   tim o n   th e   wav ef o r m .   T h s im u latio n   r esu lts   o b tai n ed   f r o m   MA T L AB /Si m u lin k   s h o t h at  th e   s in g le - p h ase  in v er ter   p r o d u ce s   an   o u tp u t   v o ltag e   s ig n al  r esem b lin g   th at  g en er ated   b y   th e   m icr o co n tr o lle r s ,   with   v o ltag e   am p litu d o f   1 0   V   an d   s witch in g   f r eq u e n cy   o f   1 0   k Hz.   Fig u r 1 1   p r esen ts   th v o ltag wav ef o r m   at  t h e   in v er ter   o u tp u b e f o r e   f ilter i n g ,   h ig h lig h tin g   t h in h er en t   s witch in g   b e h av io r   o f   th e   P W co n tr o l.  A f ter   ap p ly in g   t h L C   f ilter ,   th r e s u ltin g   p u r s in v o ltag is   s h o wn   in   Fig u r 1 2 ,   wh ich   als o   co n f ir m s   th at  th e   m ax im u m   h a r m o n ic  d is to r tio n   o f   th n o m in al  cu r r en r e m ain s   with in   th 5 lim it.  Fo r   r e f er en ce ,   th T HD  is   d ef in ed   as  ( 4 )   [ 2 6 ] .      =   ( ) 2   = 2 1 × 100   ( 4 )     W h er   r ep r esen ts   th cu r r en o f   th h h h - t h   h ar m o n ic  an d   1   is   th f u n d am en tal  cu r r en t.           Fig u r 9 .   I m p ac t o f   d ea d   tim o n   th v o ltag e           Fig u r 10 .   C o m p lem en tar y   s ig n al  o u tp u ts     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  14 ,   No .   4 ,   Dece m b er   20 25 :   8 0 3 - 815   810       Fig u r 1 1 .   Vo ltag o f   th in v e r ter ' s   o u tp u t           Fig u r 1 2 .   Pu r s in v o ltag af ter   L C   f ilter       Fig u r 1 3   p r esen ts   th o u tp u t   v o ltag wav ef o r m   o f   th in v er ter   b ef o r th ap p licatio n   o f   th L C   f ilter ,   h ig h lig h tin g   th h ig h   h a r m o n ic  co n ten t a n d   wav e f o r m   d is to r tio n .   T h T HD  s ig n if ica n tly   d ec r ea s es a f ter   ap p ly in g   th L C   f ilter ,   d em o n s tr atin g   its   ef f ec tiv en ess   in   i m p r o v i n g   o u t p u s ig n al  q u alit y .   T h f u n d am en tal  v o ltag in cr ea s es  f r o m   7   t o   9 . 1 1 4   V,   wh ile  th e   T HD  d r o p s   f r o m   1 7 4 . 3 5 to   0 . 1 9 %,  as  illu s tr ated   in     Fig u r 1 4 .   T h is   r ed u ctio n   in   T HD  in d icate s   clea n er   o u tp u wav ef o r m ,   wh ich   clo s ely   r esem b les  p u r s in wav e,   ess en tial  f o r   en h an cin g   th p er f o r m a n ce   o f   p o we r   el ec tr o n ic  s y s tem s .   Ad d itio n all y ,   h i g h   s witch in g   f r eq u e n cy   (  )   o f   1 0   k Hz  h elp s   r ed u ce   th s ize  o f   th e   f ilter   co m p o n e n ts   an d   e n h a n ce s   th s y s tem ' s   r esp o n s iv en ess   an d   s tab ilit y .   T h ese  im p r o v em e n ts   ar cr u cial  f o r   o p tim izin g   th ef f icien cy   o f   p o wer   elec tr o n ic  s y s tem s ,   en s u r in g   m o r ef f icien o p er atio n   an d   b etter   p o wer   q u ality .           Fig u r 1 3 .   B ip o lar   in v e r ter   f r e q u en cy   an aly s is   ( ab s en t a   f ilter   cir cu it)       Fig u r 1 4 .   B ip o lar   in v e r ter   f r e q u en cy   an aly s is   ( u s in g   f ilter   cir c u it )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       Desig n   o f a   h a lf - b r id g in ve r t er w ith   d ig ita l S P WM   co n tr o l fo r   p u r s in w a ve   o u tp u ( Ja l il A ka a b o u n e )   811   4 . 2 .     R esu lt   a nd   d is cus s io n     As  th in itial  s tep   in   th p r o ce s s ,   an   AT m eg a3 2 8   b o ar d   g en er ates  th co n tr o s ig n als,  wh ich   ar s u b s eq u en tly   in jecte d   in to   th e   p ilo cir cu it.  Fig u r 1 5   d e p icts   th ex p er im en tal  p r o to t y p e   u s ed   in   th e   s tu d y ,   wh ile  Fig u r 1 6   s h o ws  th p r ac tical  cir cu it  ass em b led   o n   p r o to b o ar d   an d   test ed   with o u an   L C   f ilter ,   s er v in g   as  th p r elim in ar y   s etu p   f o r   th e   ex p e r im en ts .   d u al - ch an n el  d ig ital  o s cillo s co p was  em p lo y ed   to   o b s er v th c o n tr o l sig n als,  v o ltag wav ef o r m s ,   c h ar g in g   v o ltag e,   an d   c o n d e n s er   wav ef o r m .   I n d ee d ,   g i v en   th at  a   s witch in g   d ev ice   p o s s ess es  f in ite  s witch in g   tim e ,   it  is   im p er ativ e   to   co n s id er   a   d ea d   tim in   th t r ig g er   s ig n als  g en er ated   b y   th Pu ls e - W id th   Mo d u latio n   ( PW M)   in   o r d er   to   p r ev e n th s im u ltan eo u s   tr ig g er in g   o f   tw o   co m p lem e n tar y   s witch es wit h in   s in g le  ar m .   Fig u r 1 7   p r esen ts   th s im u lated   g ate  d r iv e r   s ig n als  o f   th e   in v e r ter ,   clea r ly   s h o win g   th a p p li ed   d ea d   tim b etwe en   th e   co m p lem en tar y   p u ls es.   C o n s eq u en tly ,   as e v id e n t in   Fig u r 1 8 ,   5 0 0   n s   o f f s et  is   o b s er v ed   as in ten d ed .   clea r   co r r elatio n   b etwe en   t h o u tco m es  o f   th MA T L A B   s im u latio n   an d   th eir   ac tu al  ap p licatio n   ca n   b s ee n   in   th f ig u r es  th a ar d is p lay ed .   T h s in g le - p h ase  in v er ter   p r o t o ty p e' s   m ea s u r ed   o u tp u v o ltag e   wav ef o r m   u n d er   a   r esis tiv lo ad   is   s h o wn   in   Fig u r 1 9 ,   d em o n s tr atin g   th ef f icac y   o f   th e   c o n tr o s tr ateg y   th at   was  u s ed .   T h o u t p u v o ltag wav ef o r m   o f   a   s in g le - p h as in v er ter   with   a   r esis tiv lo ad   is   d is p lay ed   in     Fig u r 2 0 .   T h wav e f o r m   is   p u r s in wav with   a   f r eq u en cy   o f   5 0   Hz  an d   v e r y   lo T HD.           Fig u r 1 5 .   E x p e r im en tal  s etu p           Fig u r 1 6 .   W ith o u t a n   L C   f ilte r ,   th p r ac tical  cir cu it wa s   r u n   o n   p r o to b o ar d           Fig u r 1 7 .   T h I R 2 1 1 0   d r iv er   p r o d u ce s   co m p lem e n tar y   s ig n als at  f r eq u en c y   o f   1 0   k Hz   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  14 ,   No .   4 ,   Dece m b er   20 25 :   8 0 3 - 815   812       Fig u r 1 8 .   Dea d   tim e' s   ef f ec ts   o n   th m icr o co n t r o ller ' s   v o ltag o u tp u t           Fig u r 1 9 .   Ou tp u v o ltag o f   t h in v er ter           Fig u r 2 0 .   Sin wav af ter   f ilter       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.