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 Dec em b er   20 25 ,   p p .   1 0 2 3 ~ 1 034   I SS N:  2252 - 8 7 9 2 DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijap e . v 14 . i 4 . pp 1 0 2 3 - 1 0 3 4           1023       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : // ija p e. ia esco r e. co m/   Asy mm etric a l nin e - lev el hybrid  mu ltilevel inv er ter  d esig n and   a na ly sis  f o r elec tr ic vehicle a ppli ca t io ns       G er ri  Ra t na ia h,  Ra my a   G a nes a n   D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   En g i n e e r i n g   a n d   Te c h n o l o g y ,   S R M   I n st i t u t e   o f   S c i e n c e   a n d   T e c h n o l o g y ,   R a ma p u r a C a m p u s,   C h e n n a i ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma y   1 8 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Au g   2 8 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Oct  1 6 ,   2 0 2 5       n o v e t y p e   o sin g le - p h a se   h y b rid   m u lt i lev e in v e rter  (HML I)  is   p ro p o se d   in   t h is  p a p e r.   h y b r id   s y ste m   is  m a d e   u p   o a   m u lt il e v e i n v e rter  c o u p le d   t o   a n   H - b rid g e   u n i a n d   wh ich   c a n   g e n e ra te  n in e - lev e o u tp u t.   T o   sy n t h e siz e   a n   o u t p u t   v o lt a g e   wa v e fo rm   wit h   n in e   ste p s,  th is se tu p   u se s m e re ly   se v e n   p o we r   sw it c h e s,  two   d io d e s,  a n d   two   D su p p li e s.  g re a ter   n u m b e o ste p we re   a c h iev e d   in   o u tp u v o lt a g e   th r o u g h   su g g e ste d   c ircu it   wit h   a   sm a ll e n u m b e r   o c o m p o n e n ts  t h a n   o t h e e x ist in g   m u lt i lev e i n v e rter   (M LI )   t o p o lo g ies .     fin e o u t p u t   wa v e fo rm   t h a is  c lo se to   a   sin u so i d a sh a p e   is p ro d u c e d   with   les to tal  h a rm o n ic  d ist o rti o n   (T HD b e c a u se   o th e   g re a ter  n u m b e o ste p in   th e   o u tp u v o lt a g e .   F u rth e rm o re ,   i p ro l o n g th e   sw it c h e s'   li f e ti m e   a n d   lo we rs  th e   v o lt a g e   stre ss   a c ro ss   t h e m ,   in c re a sin g   re li a b i li ty .   I n   a d d it io n ,   th e   sy ste m   p ro d u c e fe we sw it c h e s   th a n   n e c e ss a ry ,   re su lt in g   i n   lo we p o we lo ss e s a n d   in c re a se d   e fficie n c y .   Th is g u a ra n tee s th e   su g g e ste d   sy ste m ' s s m a ll   siz e   a n d   in e x p e n si v e   c o st.  c o m p a riso n   b e twe e n   th e   su g g e ste d   to p o l o g y   a n d   th e   m o st cu rre n M LI  to p o l o g ies   h a s b e e n   c o n d u c ted   t o   h i g h li g h th e   k e y   c o m p o n e n ts  o t h e   p ro p o se d   to p o l o g y .   Th e   s u g g e ste d   t o p o lo g y   h a b e e n   c o n tro ll e d   u si n g   th re e   d isti n c c o n tr o ll i n g   sc h e m e a re   p h a se   d i sp o siti o n - p u lse   wid th   m o d u latio n   ( PD - P WM ) p h a se   o p p o siti o n   d isp o si ti o n - P WM   ( P OD - P WM ),   a n d   a l tern a ti v e   p h a se   o p p o siti o n   d isp o sit io n - P WM     ( APOD - P WM ) .   K ey w o r d s :   H MLI   m o d u latio n   tech n iq u es   Switch in g   s tr ess     T o tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   T o tal  s tan d in g   v o ltag e   Vo ltag s tr ess   r ed u ctio n   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   R am y Gan esan   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  an d   E lectr o n ics E n g in ee r i n g ,   Facu lty   o f   E n g in ee r in g   an d   T ec h n o lo g y   SR I n s titu te  o f   Scien ce   an d   T ec h n o lo g y ,   R am ap u r am   C a m p u s   R am ap u r am ,   C h en n ai,   T am il  Nad u I n d ia   E m ail:  r am y ag @ s r m is t.e d u . in       1.   I NT RO D UCT I O N   DC - AC   co n v er ter s   ar cr u cial  co m p o n e n o f   elec tr ical  p o wer   s y s tem s   th at  p r o v i d ch an g ea b le   f r eq u e n cy   an d   m a g n itu d in   o u tp u t.  Mu ltil ev el  i n v er ter s   h a v b ec o m v er y   p o p u lar ,   p ar ti cu lar ly   in   th r ea lm   o f   DC /AC   co n v er ter s ,   ac ad em ic  an d   in d u s tr y   r esear ch .   T h is   in ter est  co m es  f r o m   v ar iety   o f   ad v an ta g es  th at  m u ltil ev el  in v er ter s   h av e   o v e r   tr ad itio n al   in v er ter s ,   wh ich   r ed u ce s   th o u tp u wav ef o r m ' s   h ar m o n ic  c o n ten with   lo o f   s tep s   in   th e   o u tp u v o ltag e   wav ef o r m .   Mo r eo v er ,   th e   p h y s ical  d im en s io n s   o f   th AC   s id f ilter   elem en ts   ar r ed u ce d .   I n   ad d itio n ,   th o u tp u wav e f o r m ' s   lar g s tep   co u n ex te n d s   th life tim o f   th e   s witch in g   co m p o n en ts   an d   lo wer s   th eir   v o ltag s tr ess   an d   d v /d r ate,   im p r o v in g   s y s tem   r eliab ilit y .   Fo r   th e   s am o u tp u t   p o wer   lev el,   th e   m o r s tep s   in   t h wav ef o r m   o f   o u tp u v o ltag h a v th e   b en ef it  o f   r ed u cin g   th e   s witch in g   d ev ices'  r atin g   wh en   co m p ar ed   to   co n v en tio n a co n v er ter .   T h is   lo wer s   th m u ltil ev el  in v er ter   ( MLI )   s y s tem ' s   co s an d   s ize  an d   m ak es  it  m o r p ac k ag ea b le   [ 1 ] .   T h r ee   m ajo r   c ateg o r ies  o f   tr ad itio n al  ML I s ca s ca d ed   H - b r i d g m u ltil ev el   in v er ter s   ( C HB - ML I s ) ,   f ly in g   ca p ac ito r   m u ltil ev el  in v er te r s   ( FC - ML I s ) ,   an d   n eu tr al  p o i n t d io d e   clam p ed   m u ltil ev el  in v er ter s   ( NPC - ML I s ) .   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 ,   Dec em b er   20 25 :   1 0 2 3 - 1 0 3 4   1024   H y b r i d   e l e ct r i v e h i c l ( H E V)   a n d   r e n e w a b le   e n e r g y   i n t e g r a t i o n   i n d u s t r i es   c o n ti n u e   t o   u s e   t h es e   t o p o l o g i e s   e x t e n s i v e l y .   C o m p ar e d   t o   c o m m o n   f l y i n g   c a p a c i t o r s   a n d   n e u t r a l   p o i n t   c l a m p e d   t o p o l o g i e s ,   l o s s e s   a r l o w e r   w i t h   a   c o n v e n t i o n al   c a s ca d e d   H - b r i d g e   i n v e r t e r   s i n c e   it   s i m p l y   u s es   s w i tc h e s .   T h e   b a l an c e   o f   c a p a c i t o r s   i s   a n o t h e r   i s s u e   r el a t e d   t o   f l y i n g   c a p a c i t o r s .   A d d it i o n a l l y ,   n eu t r a l   p o i n t   c l a m p e d   s t r u c t u r e s   o n l y   p r o v i d e   h a l f   v o l t a g e s   at   t h o u t p u t   l e v el s .   T o   g e t   a r o u n d   t h e s l i m i t a ti o n s ,   a   l o t   o f   w o r k   h a s   g o n e   i n t o   c r e a t i n g   u n i q u e   M L I   t o p o l o g i e s   t h a t   c a n   y i e l d   g r ea t e r   s te p s   i n   o u t p u t   v o l t a g e   w a v e f o r m   w i t h   li m i t e d   s w it ch e s   a n d   DC   v o lt a g s o u r c e s .   R e g a r d i n g   t h is ,   n u m e r o u s   t o p o l o g i es   wi t h   s y m m e tr i c a l   a n d   a s y m m et r i c a c o n f i g u r a t i o n s   h a v b e e n   p r e s e n t e d   [ 2 ] [ 3 ] .     S e v e r a l   i n n o v a t i v e   t o p o l o g i es   w i t h   a   r a n g e   o f   a p p l i c at i o n s   h a v e   b e e n   p u b l i s h e d   i n   t h is   f i eld   s i n c e   t h i n i t i al   a tt e m p t   a t h e   M L I   w a s   p r o v i d e d   i n   1 9 8 1   w i t h   t h r e e - l ev e l   N PC .   T h e   a u t h o r s   i n   [ 4 ] - [ 7 ]   p r e s e n t e d   n e w   M L I   t o p o l o g i e s   w i t h   1 3   a n d   1 7   le v e l s   o f   o u t p u t   a n d   d i f f e r e n m o d u l a t i o n   s c h e m es ,   a n d   t h e y   a r e   s u i t a b le   f o r   r e n e w a b l e   a p p l ic a t i o n s .   H y b r i d   m u l t i l e v el   i n v e r t e r   d es i g n   a n d   a n a l y s is   f o r   as y m m e t r i c   i n p u t   v o l t a g e s   h a v e   b e e n   p r e s e n t e d   i n   [ 8 ] ,   [ 9 ] .   T h es e   to p o l o g i e s   a d d r e s s   t h d e s i g n   o f   a   s i n g l e - p h as e   h y b r i d   m u lti l e v e l   i n v e r t e r   f o r   a   s t a n d a l o n e   s y s t e m   u s i n g   a s y m m e t r i c a l   v o lt a g e   i n p u t   s o u r c es   a n d   t h r e e - l e v e l   T - t y p e ,   d i o d e   cl a m p e d   l e g s ,   a n d   H - b r i d g e   M L I .   I n   c o m p a r is o n   to   t r a d i t i o n al   t o p o l o g i es ,   th i s   ar ch itectu r r eq u i r es  f ewe r   s witch es   t o   r e a c h   t h o u t p u t   v o l t a g e   l e v e l .   A n   as y m m e t r i c   c o n f i g u r a ti o n   f o r   t h e   15 - l e v e l   t o p o l o g y   i s   p r o p o s e d   i n   [ 1 0 ] T h is   to p o lo g y   n atu r ally   p r o d u ce s   b o th   p o s i tiv an d   n eg ativ c y cles  with o u th e   n ee d   f o r   an   e x tr H - b r id g u n it,  th u s   lo wer in g   th in v er ter ' s   o v er all  s tan d in g   v o ltag e .   r ec en tly   d esig n ed   m u ltil ev e in v er ter   with   h ex ad   v o ltag e - b o o s tin g   ca p a b ilit y   h as  b ee n   p r esen ted   in   [ 11 ] .   I u s es  s in g le  s o u r ce   with   ju s f o u r teen   s witch es,   t w o   d i o d e s ,   a n d   f o u r   c a p a c i t o r s   t o   c r e a t e   a   1 3 - l e v e l   w a v e f o r m .   B y   co n n ec tin g   th e   DC   s o u r ce   an d   c a p ac ito r s   in   p ar allel  at  m u ltip le  p o in ts   d u r in g   a n   o p er atio n a l   cy cle,   d u r in g   th in v er ter ' s   s wi tch in g ,   p r o p er   m a g n itu d o f   th v o ltag at  th ca p ac ito r s   is   m ain tain ed .   I n   [ 12 ] [ 13 ] ,   th er is   an o th er   to p o lo g y   th at  aim s   to   m in im ize  th n u m b er   o f   s witch in g   d e v ices p r o to ty p o f   n in e - lev el  q u ad r u p le  b o o s in v e r ter   ( NQBI)   to p o lo g y   is   s h o wn   i n   [ 14 ] ,   wh ich   r u n s   o n   s in g l s o lar   p h o t o v o ltaic   s o u r ce   an d   u s es  less   s witch es,   ca p ac ito r s ,   an d   d io d es.   W ith   th h elp   o f   th is   to p o lo g y ,   th v o ltag es  o f   th two   ca p ac ito r s   ar ef f ec tiv ely   b ala n ce d ,   g iv in g   th o u tp u n in v o ltag lev els.  n ew  m u ltil ev el  in v er ter   to p o lo g y   p r esen ted   in   [ 15 ] ,   f o r   m u ltil e v el  v o ltag e   g e n er atio n ,   s tack e d   v o lta g s o u r ce s   tak en   f r o m   s in g le  DC   lin k   an d   s er ies - co n n ec ted   ca p ac ito r s .   d etailed   an aly s is   o f   p e n cil - s h ap ed   ( PS )   9 - lev el  i n v er ter   with   r ed u ce d   co m p o n en ts   th at  was  co n s tr u c ted   with   ju s two   DC   s o u r ce s   was  p r o v id ed   i n   [ 16 ] .   An   an al y s is   o f   th b en ef its   an d   d r awb ac k s   o f   m u ltil ev el  i n v er ter   to p o lo g ies  in   elec tr ic  v eh icle  ap p licatio n s   was  p u b li s h ed   in   [ 17 ] n ew  to p o lo g y   an d   s u r v ey   with   less   n o   o f   s witch in g   d ev ices  wa s   p r esen ted   in   [ 1 8 ] ,   [ 1 9 ] .   Mu h am m ad   et   a l .   [ 20 ]   p r esen ted   an   a d ap tiv h y b r i d   co n tr o s tr ateg y   in   co n ju n cti o n   with   ca s ca d ed   r ed u ce d   s witch   s y m m etr ical   m u ltil ev el  in v er ter   to   e f f icien tly   an d   s tead ily   in ject  p o wer   p r o d u ce d   f r o m   d is tr ib u ted   en er g y   r eso u r ce s   in to   th u tili ty   g r id .   I n   th is   p ap er ,   u n iq u e   h y b r id   ML I   to p o lo g y   with   a n   en h an c ed   H - b r i d g e   u n it  is   p r esen ted .   T h is   s etu p   g en er ates  an   o u tp u v o ltag with   9   s tep s   u s in g   ju s t   7   s witch es,  2   d io d es,  an d   2   DC   s o u r ce s .   C o m p ar ed   to   th tr ad itio n al  ap p r o ac h ,   th s u g g ested   s y s tem   ac h iev es  s e v er al  o u tp u s tep s   with   f ew er   co m p o n e n ts   an d   f ac ilit ates  v er s atile  o p er atio n .   B y   co n tr asti n g   th s u g g es ted   s y s tem   with   th r ec en tly   d ev elo p e d   ML I   to p o lo g ies,  th u n iq u en ess   o f   th s u g g ested   s y s tem   h as  b ee n   d em o n s tr ated .   T h s u g g ested   to p o l o g y   will  also   b s u itab le  f o r   o th er   d o m ai n s   s u ch   as  r e n ewa b le  e n er g y   ( s o lar ,   win d ,   an d   tid al) ,   g r id - to - v eh icle  ( G2 V) ,   an d   v eh icle - to - g r id   ( V 2 G) .   T h is   to p o lo g y   o u tp e r f o r m ed   th e   o th er   d esig n s   wh en   th n u m b er   o f   d is tin ct  co m p o n en ts   was c o n s id er ed .   T h is   p ap er   is   d iv id ed   s tr u ct u r ally   as  f o llo ws:   Sectio n   1   p r esen ts   liter atu r r ev iew  an d   an   in tr o d u ctio n   h as   b ee n   p r o v i d ed th e   ex is tin g   an d   s u g g e s ted   h y b r id   s y s tem ,   in clu d i n g   its   s tr u ctu r e   an d   s witch in g   s ce n ar io s ,   is   d escr ib ed   in   s ec tio n   2 .   T o   illu s tr ate  th m ajo r   f ea tu r es  o f   th s u g g ested   s y s tem ,     s ec tio n   3   will  c o m p a r it  wit h   a   f ew  c u r r en t   to p o lo g ies.  S ec tio n   4   h as  o u tlin ed   th e   v ar i o u s   co n tr o m eth o d s   f o r   th s u g g ested   s y s tem .   I n   s ec tio n   5 ,   th r esu lts   an d   th d is cu s s io n   ar g iv en .   I n   s ec tio n   6 ,   th wo r k ' s   co n clu s io n   is   p r esen ted .       2.   NE T O P O L O G I CA L   H Y B RID  M U L T I L E V E L   I NVE RT E ( H M L I )   2 . 1 .     Desig n o f   t he  s y s t em     T h s u g g ested   n o v el  n i n e - le v el  h y b r id   m u ltil ev el  in v er te r   s y s tem   is   d ep icted   in   Fig u r 1 .   T h s u g g e s t e d   d esig n   in clu d ed   th r ee   d io d es,  D1 ,   D2 ,   D3 ,   an d   t wo   DC   s o u r ce s   ( Vd c1   =   3   V   an d   Vd c 2   V ) ,   in   ad d itio n   to   s ev en   p o wer   s witch es  ( S1   to   S7 ) .   As  r esu lt,  th is   to p o lo g y   f alls   in to   th g r o u p   o f   asy m m etr ical  ML I   to p o l o g ies.  T h ese  co m p o n en ts   wer all  j o in ed   t o g eth er   in to   o n u n it  to   c r ea t 9 - lev el  v o ltag wav ef o r m   as  th o u tp u t.  T h e   s u g g ested   to p o lo g y   is   p r ec is ely   co n s tr u cted   to   p r ev e n an y   ch an ce   o f   s h o r t   cir cu it o cc u r r i n g   alo n g   an y   o f   th cir cu it r o u tes.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A s ymm etri ca l n in e - leve l h yb r id   mu ltil ev el  in ve r ter d esig n   a n d   a n a lysi s   fo r   … ( Gerr i R a tn a ia h )   1025       Fig u r e   1 .   Diag r a m   illu s tr atin g   th s u g g ested   1 9 L   h y b r id   ML I   ar ch itectu r e       2 . 2 .     M o des   o f   o pera t io n o f   p ro po s ed  s y s t em   T h p r o p o s ed   s tr u ctu r e   was  d ev elo p ed   to   g en er ate  wa v ef o r m   o f   an   o u tp u v o ltag with   n in lev els   r estricte d   q u an tity   o f   s witch in g   d ev ices  an d   d v o ltag s o u r ce s .   Fo r   th is   to p o l o g y ,   to tal  o f   f o u r   p o s itiv lev els,  f o u r   n eg ativ le v els,  an d   o n ze r o   lev els  s witch in g   s tate  h av r esu lted   in   th p r o d u ctio n   o f   n in e   d is tin ct  s witch in g   s tates.  E v er y   lev el  in clu d es  d if f er en lo o p   with   s p ec if ic  s witch es  th at  m u s b tu r n e d   ON  to   r ea ch   th d esire d   lev el.   Fig u r 2   p r o v id es  d etailed   e x p lan atio n   o f   ea ch   o f   th ese  s witch in g   s ce n ar io s   s ep ar ately .               ( a)   ( b )   ( c)         ( d )   ( e)   (f)       ( g )   ( h )     Fig u r 2 .   Deta iled   o p er atio n   o f   9 - lev el  h y b r i d   ML I   at  d if f er e n t le v els : ( a)   Vo =V d c1 ,   ( b )   Vo =V d c2 ,     ( c)   Vo =V d c1 - Vd c2 ,   ( d )   Vo =V d c1 +V d c2 ,   ( e)   Vo = - Vd c1 ,   ( f )   Vo = - Vd c2 ,   ( g )   Vo = - ( Vd c1 - Vd c2 ) ,   a n d     ( h )   Vo = - ( Vd c1 +V d c 2 )   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 ,   Dec em b er   20 25 :   1 0 2 3 - 1 0 3 4   1026   T ab le  1   s h o ws  th e   elem en ts   t h at  ca n   b e   u s ed   in   ea ch   le v el  g en er atio n   p r o ce d u r e   [ 1 ] .   Fro m   T ab le  1 ,   th s witch in g   o p er atio n   f o r   d if f er en o u tp u lev els  is   s h o wn   in   Fig u r 3 .   Fo r   p o s itiv cy c le  th s witch es  S1 ,   S2 ,   S5 ,   S6 ,   a n d   S7   ar e   in   O p o s itio n   a n d   r em ain i n g   s w itch es  ar in   OFF  p o s itio n ,   w h er ea s   f o r   n eg ativ cy cle  s witch es  S3 ,   S4 ,   S5 ,   S6 ,   an d   S7   ar in   ON  p o s itio n   an d   r em ain in g   s witch es  ar in   OFF  p o s itio n .   Switch es  S1 ,   S3 ,   o r   S2 ,   S4   ar in   ON  p o s itio n   an d   th r e m ain in g   s witch es  ar in   OFF  p o s itio n   to   g et  ze r o   v o ltag at  th lo a d .       T ab le  1 Var io u s   o p er atin g   s tag es f o r   th s u g g ested   s y s tem   S w i t c h i n g   st a t e s   V o u t   C l o se d   l o o p   C u r r e n t   p a t h   1   V dc 1 +V d c 2   S 1 ,   S 2 ,   S 5 ,   a n d   S 7   2   V dc 1   S 1 ,   S 2 ,   S 7 ,   a n d   D 2   3   V dc 1 - V dc 2   S 1 ,   S 2 ,   S 6 ,   D 2 ,   a n d   D 3   4   V dc 2   S 1 ,   S 2 ,   S 5 ,   a n d   D   5   0   S 1 ,   S o r   S 2 ,   S 4   6   - V dc 2   S 3 ,   S 4 ,   S 5 ,   a n d   D 1   7   - (V dc 1 - V dc 2 )   S 3 ,   S 4 ,   S 6 ,   D 2 ,   a n d   D 3   8   - V dc 1   S 3 S 4 S 7 ,   a n d   D 2   9   - (V dc 1 +V dc 2 )   S 3 ,   S 4 ,   S 5 ,   a n d   S 7           F ig u r 3 Switch in g   s ch em f o r   o n c y cle       2 . 3 .     Co m pu t ing   t he  t o t a l st a nd ing   v o lt a g e   ( T SV)   T h s elec tio n   o f   p o wer   d e v i ce   is   s ig n if ican tly   in f lu en ce d   b y   th v o ltag s tr ess   ac r o s s   th s witch es .   Gen er ally ,   to tal   s tan d in g   v o lt ag e   ( T SV)   is   th o v er all   v o l tag s tr ess   ac r o s s   all  p o wer   s witch in g   d ev ices,   ac co u n tin g   f o r   all  v o ltag s tep s   T SV [ 1 ] .      =  = 1   ( 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A s ymm etri ca l n in e - leve l h yb r id   mu ltil ev el  in ve r ter d esig n   a n d   a n a lysi s   fo r   … ( Gerr i R a tn a ia h )   1027   W h er   is   th n u m b er   o f   p o we r   s witch in g   d ev ices.  T h er ar e   7   s witch in g   d ev ices in   th s u g g ested   to p o lo g y ,   s o   th at   ( 1 )   ca n   b m o d if ied   as   ( 2 ) .      =  7 = 1 = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7   ( 2 )     On im p o r tan co m p o n en o f   th to p o lo g y   d esig n   is   th v o ltag s tr ess   o n   th s witc h es.  T h s u g g ested   s tr u ctu r is   s h o wn   in   Fig u r 1   with   th m a g n itu d o f   DC   s o u r ce s   as  Vd c2   V,   Vd c 1   3   V,   th s witch es'  v o ltag s tr ess   is   g iv en   b y   ( 3 )   a n d   ( 4 ) .     1 + 2 + 3 + 4 =  1 +  2 = 3   + = 4     ( 3 )     5 + 6 + 7 =  2 =   ( 4 )     C o n s id er in g   th a b o v e q u ati o n s ,   th T SV   o f   th p r o p o s ed   to p o lo g y   is   1 9   [ 1 ] .   T SV  is   m ea s u r em en o f   ea ch   s witch 's  p er - u n it  v o ltag s tr ess .   I is   th r elatio n s h ip   b etwe en   th s witch es p ea k   v o ltag s tr ess e s   o f   all  s witch es a n d   p ea k   o u t p u t v o ltag [ 4 ] .   T SV   in   p . u   ca lcu latio n   is   g iv en   in   ( 5 ) .       = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7  1 +  2 = 4 . 75   ( 5 )       3.   CO M P ARA T I V E   S T UDY   T h p r o p o s ed   to p o lo g y   m ain l y   co n s is ts   o f   two   d c   v o ltag e   s o u r ce s ,   f iv e   d r iv i n g   cir c u its ,   an d   s ev en   p o wer   s witch es.  T h e   co m p ar i s o n   with   th e   m ajo r ity   o f   th e   m o s r ec en t   to p o l o g ies  is   d is p lay ed   i n   T a b le  2 .   W ith   th ex ce p tio n   o f   th to p o lo g ies  o f f e r ed   in   t h p u b licatio n s   [ 2 1 ] - [ 3 3 ] ,   th s u g g ested   to p o lo g y   h as  less   co m p o n en ts   o v er all.   Fewer   s witch es,  d r iv er   cir cu its ,   an d   DC   s o u r ce s ,   as   well  a s   th r e d io d es  an d   ze r o   ca p ac ito r s ,   all  co n tr ib u te  to   th s u g g ested   to p o lo g y ' s   r ed u ce d   cir cu it  f o o t p r in an d   in cr ea s ed   to p o lo g y   d ep en d a b ilit y .   Sam n u m b er   o f   p o wer   elec tr o n ic  s witch es  in   th to p o lo g y   p r esen ted   in   [ 3 0 ] [ 3 2 ] ,     b u [ 3 2 ]   h as  m o r DC   s o u r ce s   th an   th e   p r o p o s ed   t o p o lo g y .   T h T SV   an d   co s f ac to r   ar e   also   less   co m p ar e d   to   o th er   to p o lo g ies.   m u ltil ev el  in v er ter ' s   co s f a cto r   ( C F)  is   d eter m in ed   b y   th p r o d u ct  o f   T SV  with   co n s tan σ   an d   th co s o f   its   co m p o n en t   p ar t s .   σ   0 . 5   a n d   σ   =   1 . 5   ar e   th co n s tan v alu es  c h o s en   f o r   th e   co m p a r is o n   th at   is   s h o wn   b elo w.   T h co s t c o m p o n en t is ca lcu lated   as  ( 6 )   [ 4 ] .            (  ) =  +  + + + + ×    ( 6 )     Fro m   T ab le   2 ,   th e   co m p ar ati v s tu d y   p r esen ted   i n   Fig u r e   4 .   T h e   X - ax is   is   ta k en   as  m u ltil ev el   in v er ter   to p o lo g ies an d   Y - a x is   is   tak en   as n u m b er   o f   s witch es in   Fig u r 4 ( a) ,   th n u m b er   o f   g ate  d r iv cir cu its   in   Fig u r 4 ( b ) ,   th n u m b e r   o f   ca p ac ito r s   in   Fig u r 4 ( c) ,   th to tal  s tan d in g   v o ltag in   Fig u r 4 ( d ) ,   an d   co s f ac to r   p er   lev el  in   Fig u r 4 ( e) .   Fro m   th co m p ar ativ s tu d y   o f   d if f er e n to p o lo g ies  ( r ef e r e n ce s ) ,   th s u g g ested   ML I   h ad   m in im u m   in   s witch in g   d e v ices,  g ate   d r iv e   cir cu its ,   an d   ca p ac ito r s .   T h e   co s f ac t o r   p e r   lev el   is   also   lo f o r   th cu r r e n t M L I .       T ab le  2 .   C o m p a r is o n   o f   v ar io u s   m u ltil ev el  in v er ter s '   o u tco m es   To p   Le v e l s   N SW   N GD   N D   N C   N S   TSV p. u .   C F / L   σ = 0 . 5   σ = 1 . 5   [ 2 1 ]   11   12   9   0   0   3   5   2 . 4 0   2 . 8 6   [ 2 2 ]   13   16   16   4   4   2   5   3 . 4 2   3 . 8 0   [ 2 3 ]   9   8   8   0   2   2   4 . 5   2 . 4 7   2 . 9 7   [ 2 4 ]   7   10   10   0   3   1   5 . 3   3 . 8 0   4 . 5 6   [ 2 5 ]   7   9   9   1   3   1   5 . 3   3 . 6 6   4 . 4 2   [ 2 6 ]   9   12   12   0   2   1   5 . 5   3 . 3 0   3 . 9 1   [ 2 7 ]   9   11   11   0   2   1   5   3 . 0 5   3 . 6 1   [ 2 8 ]   9   10   10   1   2   1   7 . 5   3 . 0 8   3 . 9 1   [ 2 9 ]   9   17   15   0   4   1   7 . 2 5   4 . 5 1   5 . 3 1   [ 3 0 ]   9   12   10   0   3   1   6   3 . 2 2   3 . 8 8   [ 3 1 ]   9   9   9   0   2   1   6 . 2 5   2 . 6 8   3 . 3 7   [ 3 2 ]   9   12   10   0   1   2   5   3 . 0 5   3 . 6 1   [ 3 3 ]   9   8   8   3   3   1   6 . 5   2 . 9 1   3 . 6 3   [P]   9   7   5   0   0   2   4 . 7 5   1 . 8 1   2 . 3 4   N SW   n u m b e r   o f   s w i t c h e s,  N GD   n u m b e r   o f   g a t e   d r i v e s , N D   n u mb e r   o f   d i o d e s,     N C   n u m b e r   o f .   c a p a c i t o r s,   N S   n u m b e r   o f   s o u r c e s   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 ,   Dec em b er   20 25 :   1 0 2 3 - 1 0 3 4   1028       ( a)   ( b )         ( c)   ( d )       ( e)     Fig u r 4 .   C o m p a r in g   ML I   t o p o lo g ies with   ( a)   n u m b e r   o f   s w itch es,  ( b )   n u m b er   o f   g ate  d r iv es,  ( c)   n u m b er   o f   ca p ac ito r s ,   ( d )   T SV,  an d   ( e)   c o s t f ac to r       4.   M O DUL AT I O N   T E CH NIQ UE S   I n   a n   ML I ,   th e   p r im ar y   g o al  o f   p u ls wid th   m o d u latio n   s ch em es  is   to   g en e r ate  a   tr ain   o f   s witch in g   p u ls es  th at  p r o d u ce   s in u s o id al  wav ef o r m   at  th o u tp u v o ltag e.   T HD  in   th o u tp u ca n   b d ec r ea s ed   b y   u s in g   th ese  s tr ateg ies  co r r ec tly .   R ef er en ce   an d   ca r r ie r   s ig n als  ar co m p ar ed   in   m o d u lati o n   tech n iq u es.  I is   n ec ess ar y   to   u s ca r r ier   wa v es  f o r   N - lev el   in v er te r s   is   ( N - 1 ) .   Mu lti - c ar r ier   b ased   s in u s o id al  p u ls wid th   m o d u latio n   ( MCS PW M)   is   t h m o s wid ely   u tili ze d   m o d u latio n   tech n o lo g y   [ 1 8 ] .   T h e   r atio   o f   th p ea k   m ag n itu d es o f   th ca r r ier   wav ef o r m   a n d   th m o d u latin g   wav ef o r m   is   ca lled   th m o d u latio n   in d ex   ( MI ) .   Dif f er en m o d u latio n   s ch em es   h av b ee n   im p lem en te d   ( X - a x is   is   tak en   as  tim e   an d   Y - ax i s   is   tak en   as  m o d u latio n   in d ex   v al u e)   o n   th s u g g ested   n i n e - lev el  s tr u ctu r e.   Fig u r e   5   s h o ws  p h ase   d is p o s itio n   p u ls wid th   m o d u latio n   ( PDPW M ) ,   Fig u r e   6   s h o ws  p h ase  o p p o s itio n   d is p o s itio n   p u ls wid th   m o d u latio n   ( PODPW M) ,   an d   Fig u r 7   s h o ws  alter n ate  p h ase  o p p o s itio n   d is p o s itio n   p u ls wid th   m o d u latio n   ( APODP W M) .   Mo d u latio n   s ch em es  h av b ee n   im p lem en t ed   in   th e   p r o p o s ed   s y s tem ,   a n d   c o m p ar is o n   is   s h o wn   [ 3 4 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ap p l Po wer   E n g   I SS N:   2252 - 8 7 9 2       A s ymm etri ca l n in e - leve l h yb r id   mu ltil ev el  in ve r ter d esig n   a n d   a n a lysi s   fo r   … ( Gerr i R a tn a ia h )   1029       Fig u r 5 .   Ph ase  d is p o s itio n   P W ( PDP W M)           Fig u r 6 .   Ph ase  o p p o s itio n   d is p o s itio n   PW ( PODP W M           Fig u r 7 .   Alter n ate  p h ase  o p p o s itio n   d is p o s itio n   PW ( AP ODPW M)       5.   RE SU L T S   AND  D I SCU SS I O N   MA T L AB   s o f twar h as  b ee n   u s ed   t o   s im u late  th e   s u g g ested   n in e - lev el  t o p o lo g y .   T h v ar i o u s   s im u lated   wav ef o r m s   an d   T H f o r   th s u g g ested   s tr u ctu r ar d is p lay ed   in   Fig u r es   8 - 1 6 .   T h f o llo win g   ar e   th 9 - L ev el  ML I   s im u latio n   p ar am eter s .   T h DC   v o ltag s o u r ce s   ar Vd c1 =1 8 0   V,   V d c2 =6 0   V,   r esis tan ce   is   R =1 0   .   W h en   r esis tiv lo ad   ( R =1 0   Ω )   is   tak en ,   th AC   o u tp u v o ltag at  its   p ea k   o f   2 4 0   V,   th o u tp u t   cu r r en t   r ea ch es  a   m ax im u m   v alu o f   2 . 4   A.   At  a   ca r r ier   s ig n al  f r e q u en c y   o f   2 0 0 0   Hz,   th r ee   d if f er e n t   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 ,   Dec em b er   20 25 :   1 0 2 3 - 1 0 3 4   1030   m o d u latio n   tech n iq u es ,   PDPW M,   PO DP W M,   an d   APO DPW M,   wer em p lo y ed   in   th is   r esear ch   p ap er .   Fig u r 8   s h o ws  o u tp u v o ltag e   an d   o u tp u t   cu r r e n u s in g   PDPW s ch em e .   Fig u r 9   s h o ws  o u tp u v o ltag a n d   o u tp u t   cu r r e n u s in g   PDPW M   s ch em with   f ilter .   Fig u r e   1 0   s h o ws  o u tp u v o ltag an d   o u tp u t   cu r r e n u s in g   PODP W s ch em e .   Fig u r 1 1   s h o ws  o u tp u v o ltag an d   o u tp u cu r r en u s in g   PODPW s ch em with   f ilter .   Fig u r 1 2   s h o ws  o u t p u v o lta g an d   o u tp u cu r r en u s in g   APODP W s ch em e ,   an d   Fig u r 1 3   s h o ws  o u tp u t   v o ltag an d   o u tp u c u r r e n u s in g   APODPW s ch em with   f ilter .   T o tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   ( T HD)   is   ca lcu lated   u s in g   FF T   an aly s is   in   MA T L AB /Si m u lin k   an d   co m p a r is o n   r esu lts   wer e   tab u lated   in   T ab le  3 .   Fig u r 1 4   s h o ws  T HD  an aly s is   f o r   PDP W M,   Fig u r 1 5   s h o ws  T HD  an aly s is   f o r   PODP W M ,   an d   Fig u r 1 6   s h o ws  T HD  an aly s i s   f o r   APO DPW M.   Af ter   co m p ar is o n   o f   th r ee   co n tr o s ch em es,  PODP W tech n iq u h as   lo wer   T HD.           ( a)   ( b )     F ig u r e   8 .   Su g g ested   HM L I   wi th   PDPW tech n iq u e:  ( a)   o u t p u v o ltag e   (V 0 )   an d   ( b )   o u t p u t c u r r en (I 0 )           ( a)   ( b )     F ig u r 9 .   Su g g ested   HM L I   wi th   PDPW tech n iq u u s in g   f i lter :   ( a)   o u tp u t v o ltag (V 0 )   an d     ( b )   o u tp u t c u r r en (I 0 )           ( a)   ( b )   Fig u r 10 .   Su g g ested   HM L I   w ith   PODP W tech n iq u e:  ( a)   o u tp u t v o ltag (V 0 )   an d   ( b )   o u tp u t c u r r en (I 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       A s ymm etri ca l n in e - leve l h yb r id   mu ltil ev el  in ve r ter d esig n   a n d   a n a lysi s   fo r   … ( Gerr i R a tn a ia h )   1031       ( a)   ( b )     Fig u r 1 1 .   Su g g ested   HM L I   w ith   PODP W tech n iq u u s in g   f ilter : ( a)   o u tp u t v o ltag (V 0 )   an d     ( b )   o u tp u t c u r r en (I 0 )           ( a)   ( b )     F ig u r 12 .   Su g g ested   HM L I   w ith   APODP W tech n iq u e:  ( a)   o u tp u v o ltag (V 0 )   an d   ( b )   o u tp u t c u r r en (I 0 )           ( a)   ( b )     F ig u r 13 .   Su g g ested   HM L I   w ith   APODP W tech n iq u u s in g   f ilter : ( a)   o u tp u t v o ltag e   (V 0 )   an d     ( b )   o u tp u t c u r r en t   (I 0 )           Fig u r 1 4 .   T HD  an aly s is   o f   th p r o p o s ed   HM L I   with   PDPW M   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 9 2   I n t J Ap p l Po wer   E n g Vo l.  14 ,   No .   4 ,   Dec em b er   20 25 :   1 0 2 3 - 1 0 3 4   1032       F ig u r 15 .   T HD  an aly s is   o f   th p r o p o s ed   HM L I   with   PODPW M           Fig u r 1 6 .   T HD  an aly s is   o f   th p r o p o s ed   HM L I   with   APODPW M       T ab le  3 .   C o m p a r is o n   o f   T HD   an aly s is   TH D   %   PD - PWM   P O D - PWM   A P O D - PWM   1 2 . 0 4   1 0 . 2 0   1 3 . 4 9       6.   CO NCLU SI O N   T h is   s tu d y   p r esen ts   n o v el  h y b r id   m u ltil ev el  in v er ter   to p o lo g y .   I n   o r d er   to   p r o v id an   o u tp u v o ltag e,   th is   n in e - s tag d esig n   r eq u ir es  two   DC   s u p p lies ,   th r ee   d io d es,  an d   s ev en   p o wer   s witch es.  Nu m er o u s   p r o p er ties   wer p r esen in   th e   s u g g ested   h y b r id   s y s tem ,   in c lu d in g   lo v o ltag e   s tr ess   o n   t h p o wer   s witch es   an d   h ig h   o u tp u v o ltag n u m b er   o f   s tep s   with   f ewe r   s witch es.  T h p ap er   c o n tain s   th c o n clu s io n s   f o r   e v er y   f o r m u la  th at  was  u tili ze d   to   r eg u late  th s y s tem   ex p an s io n ' s   o p er atio n .   Sev er al  c u r r e n ML I   to p o lo g ies  h av e   b ee n   co m p ar e d   to   th s u g g e s ted   to p o lo g y   i n   ter m s   o f   s witch es,  d io d es,  s o u r ce s ,   lev els,  an d   c o s f ac to r .   Ad d itio n ally ,   th is   co m p ar is o n   b r o u g h th s u g g ested   s y s tem ' s   r o b u s tn ess   ch ar ac ter is ti cs  to   lig h t.  T h r ee   d is tin ct  co n tr o llin g   s tr ateg ies ,   th PDPW M,   PODP W M ,   an d   APODPW co n tr o s ch em es   h av e   b ee n   u s ed   to   co n d u ct  th e   s im u latio n   test .   E x ce llen r esu lts   ar o b tain ed   f o r   th r ee   tech n iq u es,  an d   T HD  o b tain ed   u s in g   FF T   an d   m ee ts   th h a r m o n ics s tan d ar d .         F UNDING   I NF O R M A T I O   Au th o r s   s tate  n o   f u n d in g   in v o lv ed .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.