258

4.3.3. Багаторівневі інвертори з декількома рівнями напруги

джерела постійного струму і фіксуючими діодами

Збільшення кількості рівнів у кривій вихідної напруги інвертору досягається за рахунок використання джерела постійного струму з декількома рівнями напруги. Останнє може бути виконано з використанням послідовного з’єднання декількох джерел (рис.4.81,б,в) або з використанням ємнісного розподілювача напруги (рис.4.82). Слід відзначити, що використання ємнісного розподілювача напруги пов’язано з питанням балансування (вирівнювання) напруги на конденсаторах, особливо це проявляється для схем з парною кількістю рівнів.

Принцип багаторівневого формування напруги розглянемо з використанням спрощених схем одного плеча АІН, що подані на рис.4.81. Дворівневий АІН (рис.4.81,а) забезпечує в вихідній напрузі два рівня напруги по відношенню до виводуnджерела (0 іU). При додаванні ще одного рівня напруги джерела (рис.4.81,б) отримуємо трирівневий АІН (0,U, 2U) і так далі. Звичайно для схем з 3, 5, 7 рівнями в якості нульового розглядається середній вивід джерела і самі вони отримали назву –інвертор з фіксованою нульовою точкою.

Можливі два варіанти багаторівневих АІН (БАІН) з фіксуючими діодами:

- схеми з парною кількістю m рівнів напруги ДПС, вихідна напруга фази БАІН має одну полярність, кількість рівнів вихідної напруги фазиN=m, амплітуда першої гармоніки при синусоїдальній ШІМ , напруга ключа, кількість ключів, кількість фіксуючих діодів на фазу ;

- схеми з непарною кількістю рівнів напруги ДПС m (NPC – інвертори з фіксованою нульовою точкою). Вихідна напруга симетрична відносно нульової точки ДПС .

4.3.3.1. Трирівневий інвертор з фіксуючими діодами

Напівмостова схема трирівневого БАІН. Розглянемо роботу трирівневого АІН з фіксуючими діодами (Diode clamp inverter) на прикладі напівмостової схеми (рис.4.82), що містить у собі джерело постійного струму з напругою 2U і розподілювачем напруги на конденсаторах С (може бути два послідовно з’єднаних джерела з напругою U кожне), а також комутатор з чотирма ключами К1 - К4 і двома фіксуючими діодами VD1 і VD2, що утворюють плече інвертору. Навантаження Z_H підключено до середнього виводу 0 джерела і виводу комутатору а. Схема плеча БАІН на транзисторах подана на рис.4.83.

На відміну від розглянутої вище схеми АІН (з двома рівнями напруги джерела постійного струму) кількість ключів на плече подвоїлась. Розподіл напруги між послідовно з’єднаними ключами здійснюється за допомогою фіксуючих діодів VD1, VD2.

Вихідна напруга и_H=и_ао може приймати три значення (рівня): +U, 0, -U.При вмиканні верхньої пари ключівК1, К2(К3, К4 - вимкнуті) навантаження (рис.4.82) підключено до верхнього конденсатору і напруга на ньомуи_H=+U, при вмиканні нижньої пари ключівК3, К4 навантаження підключається до нижнього конденсатору і и_H=-U. Перехід на нульовий рівень з позитивного здійснюється вимкненням ключаК1 (на К2 залишається сигнал керування, що забезпечує його вмикання) з одночасним вмиканням ключаК3. При цьому в залежності від напряму струм навантаження замикається за коломZ_H, VD1, К2 (позитивний напрямок струму) абоZ_H, К3, VD2 (негативний напрямок струму). Перехід з негативного рівня на нульовий здійснюється аналогічно – вимикаєтьсяК4 з одночасним вмиканнямК2.Для переходу з нульового рівня на негативний здійснюється вимкнення ключаК2 з одночасним вмиканням ключаК4.

Фіксація напруги, що прикладена до вимкнутих ключів на рівні U забезпечується діодами VD1 і VD2. Наприклад, при вимиканні ключа К1 до нього через діод VD1 при позитивному напрямку струму (VD2, К3, К2 - при негативному) прикладена напруга верхнього конденсатору. При вимкненні ключа К2 (вмикаються К3, К4 і вивід а з’єднується з негативним виводом нижнього конденсатору) до послідовно з’єднаних ключів К1, К2 прикладена напруга 2U, що розподіляється між ними приблизно пополам (звичайно якщо параметри ключів ідентичні).

Таким чином, схема може регулювати вихідну напругу методом однополярної ШІМ. Недоліком схеми є те, що струм навантаження завжди тече через два ключі, або ключ і фіксуючий діод при подвійних втратах напруги.

Розглянемо використання багаторівневої ШІМ із зсувом модулючої напруги за рівнем. Суть цього метода з використанням модулюючої напруги трикутної форми високої частоти (частота модуляції f_M) відносно однофазної напівмостової схеми трирівневого БАІН (рис.4.82) демонструє рис. 4.84.

Кількість рівнів модулюючої напруги при m рівнях напруги джерела М=m-1. У даному випадку М=2. При цьому модулюючі напруги и_ТР1 і и_ТР2 зсунуті за рівнем відносно нулю.

Імпульси керування ключами формуються порівнянням за рівнем синусоїдної напруги и_ЗАД і модулюючих и_ТР1 і и_ТР2. Якщо и_ЗАД> и_ТР1 формується імпульс на вмикання ключа К1, інверсні імпульси подаються на ключ К3, якщо и_ТР2>и_ЗАД формується імпульс на вмикання ключа К4, інверсні імпульси подаються на ключ К2.

У результаті напруга фази БАІН відносно середнього виводу джерела и_Н=и_ао має вигляд (рис.4.84) як і при однополярній модуляції у схемі однофазного дворівневого АІН (п.4.2.4.1). Діаграми роботи схеми ілюструє рис.4.85. Як і у дворівневого АІН при однополярній ШІМ (п.4.2.4.1) перша гармоніка напруги навантаження

u_H(1)=μUsinω₂t. (4.71)

При синусоїдальному струмі навантаження і_Н струм у елементах схеми має імпульсний характер. На рис.4.85 подані струми i_dP, i_dN, i_d0, що споживаються БАІН від позитивного (струм ключа К1), негативного (струм ключа К4) і нульового (середнього) виводу джерела. Методика розрахунку навантаження елементів схеми за струмом розглянута нижче для мостових схем БАІН.

Слід відзначити, що за даним принципом може бути побудована схема з любою кількістю рівнів (відповідно кількості рівнів напруги джерела постійного струму), про що мова йде далі.