МНОГОУРОВНЕВЫЙ АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ
MULTILEVEL AUTONOMOUS VOLTAGE INVERTER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использовано для получения регулируемого переменного напряжения, например, в системах управляемого электропривода многофазного переменного тока, при питании каждой однофазной инверторной ячейки многофазного инвертора от своего источника постоянного напряжения или при питании всех фаз инвертора от одного общего источника постоянного напряжения и несвязанных электрически фазах машины переменного тока.
Известен многоуровневый автономный инвертор напряжения с возможностью формирования N неотрицательных уровней выходного напряжения и питания устройства от одного источника постоянного напряжения, содержащий 2·(N-2) элементарные ячейки, каждая из которых состоит из конденсатора и трех ключей, каждый из которых образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, и две полумостовые ячейки, каждая из которых состоит из двух аналогичных ключей (J.I.Rodriguez, S.B.Leeb. A Multilevel Inverter Topology for Inductively Coupled Power Transfer. // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.21, No. 6, November 2006, pp.1607-1617, см. с.1611, Fig. 7, где N=4).
Однако указанный многоуровневый автономный инвертор напряжения может генерировать на обоих выходных зажимах потенциалы только одной (положительной) полярности или нулевые, поэтому может функционировать только при длительности цикла «заряд-разряд» конденсаторов, равной периоду выходного напряжения, что при генерации низкочастотного (промышленной частоты) выходного напряжения приводит либо к необходимости использования конденсаторов с большими значениями емкостей и, соответственно, к большим значениям массы, габаритов и стоимости устройства, либо к ухудшению его функциональных характеристик и ограничению его функциональных возможностей.
Кроме того, известен многоуровневый автономный инвертор напряжения (Э.Н.Гречко, В.Е.Тонкаль. Автономные инверторы модуляционного типа. Киев: Наукова думка, 1983. - 304 с., см. с.155, рис.40, где N=5), взятый за прототип, содержащий два модуля, каждый из которых состоит из n последовательно соединенных одноименными выводами ключей, каждый из которых, в свою очередь, образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, причем указанные модули образованы таким образом, что начальный и конечный выводы ключей первого модуля являются разноименными по отношению, соответственно, к начальному и конечному выводам ключей второго модуля, а точка соединения начальных выводов и точка соединения конечных выводов двух модулей служат для подсоединения нагрузки, при этом n=N, а точки соединения ключей двух модулей, имеющие одинаковые номера при отсчете от выходного зажима фазы нагрузки, служат для подсоединения, соответственно, первого, второго, …(N-1)-го источников постоянного напряжения положительными выводами к точкам соединения катодов диодов, а отрицательными - к точкам соединения анодов диодов.
Однако указанный многоуровневый автономный инвертор напряжения требует использования N-1 изолированных источников постоянного напряжения и высоковольтных ключей, к которым прикладывается суммарное напряжение двух источников постоянного напряжения, что потребует выполнения высоковольтных ключей путем включения двух вентилей последовательно, что усложняет инвертор.
Кроме того, выходное напряжение инвертора не может превышать суммы напряжений входных источников постоянного напряжения, т.е. инвертор не обладает способностью повышать выходное напряжение.
Задачей предлагаемого изобретения является создание более простого многоуровневого автономного инвертора напряжения.
Это достигается тем, что в многоуровневом автономном инверторе напряжения, содержащем два модуля, каждый из которых состоит из n последовательно соединенных одноименными выводами ключей, каждый из которых образован встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, указанные модули образованы таким образом, что начальный и конечный выводы ключей первого модуля являются разноименными по отношению, соответственно, к начальному и конечному выводам ключей второго модуля, а точка соединения начальных выводов и точка соединения конечных выводов двух модулей служат для подсоединения нагрузки, число последовательно соединенных одноименными выводами ключей равно n=2·(2·N-3), где
N - число неотрицательных уровней выходного напряжениях инвертора,
а к точкам соединения ключей двух модулей, имеющим одинаковые номера k, где
k - целые положительные числа натурального ряда 1, 2, 3, 4, 5,…,
при отсчете k от каждого из двух выходных зажимов, подсоединены, соответственно, конденсаторы - при нечетных k=1, 3,…, 2·N-5 и аналогичные ключи - при четных k (всего по 2·(N-2) конденсаторов и ключей), при этом аноды диодов указанных ключей и положительные выводы конденсаторов подсоединяются к точкам соединения катодов диодов модулей, а катоды диодов указанных ключей и отрицательные выводы конденсаторов - к точкам соединения анодов диодов модулей, а срединные точки двух указанных модулей, т.е. точки с k=2·N-3, служат для подсоединения источника постоянного напряжения положительным выводом к точке соединения катодов диодов, а отрицательным - к точке соединения анодов диодов.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого многоуровневого автономного инвертора напряжения, на фиг.2 показана эта же схема для иллюстрации возможности увеличения указанного числа N уровней выходного напряжения, на фиг.3 и фиг.4 представлены схемы предлагаемого многоуровневого автономного инвертора напряжения, выполненного, соответственно, при N=3 и N=4, на фиг.5 - временные диаграммы выходного напряжения и напряжений на ключевых элементах, поясняющие принцип работы предлагаемого многоуровневого автономного инвертора напряжения, выполненного для N=4.
Предлагаемый многоуровневый автономный инвертор напряжения (фиг.1) содержит два ключевых модуля (М) 1, 2, каждый из которых состоит из n=2·(2·N-3) последовательно соединенных одноименными выводами ключей, образованных встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением 3, например, транзистора, и диода 4. Указанные модули образованы таким образом, что начальный и конечный выводы ключей модуля 1 являются разноименными по отношению, соответственно, к начальному и конечному выводам ключей модуля 2, а точка соединения начальных выводов и точка соединения конечных выводов модулей 1 и 2 служат для подсоединения нагрузки. Также данный многоуровневый автономный инвертор напряжения содержит 2·(N-2) конденсаторов 5, которые подсоединены к точкам соединения ключей модулей 1 и 2, имеющим одинаковые нечетные номера k=1, 3,…, 2·N-5 при отсчете от каждого из двух выходных зажимов, и 2·(N-2) дополнительных аналогичных ключей, которые подсоединены к точкам соединения ключей модулей 1 и 2, имеющим одинаковые четные номера k при отсчете от каждого из двух выходных зажимов. При этом аноды диодов 4 дополнительных ключей и положительные выводы конденсаторов 5 (при использовании полярных конденсаторов) подсоединяются к точкам соединения катодов диодов 4 модулей 1 и 2, а катоды диодов 4 данных ключей и отрицательные выводы конденсаторов 5 - к точкам соединения анодов диодов 4 модулей 1 и 2. Срединные точки модулей 1 и 2, т.е. точки с номерами k=2·N-3, служат для подсоединения источника постоянного напряжения положительным выводом к точке соединения катодов диодов 4, а отрицательным - к точке соединения анодов диодов 4. Таким образом, предлагаемый многоуровневый автономный инвертор напряжения с возможностью формирования N неотрицательных уровней выходного напряжения содержит 2·(5·N-8) ключей, образованных встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, и 2·(N-2) конденсаторов, используемых при одной полярности напряжения.
Для упрощения описания схемы предлагаемого многоуровневого автономного инвертора напряжения данный инвертор представляется состоящим из элементарных ячеек (Я) 6 и 7 двух различных видов, как это представлено на фиг.2. Единственная в данном устройстве ячейка 6 состоит из двух пар ключей описанного выше вида, причем два ключа первой пары ключей соединены катодами диодов 4, и данный узел служит для подсоединения положительного полюса источника питания, а два ключа второй пары соединены анодами диодов 4, и данный узел служит для подсоединения отрицательного полюса источника питания. Ячейка 7 в своей основе аналогична ячейке 6, но дополнена конденсатором 5, подсоединяемым вместо источника питания к точкам соединения одноименных выводов ключей первой и второй пары, и аналогичным ключом, подсоединяемым параллельно входу ячейки к ключам верхней и нижней пары разноименными по отношению к ним выводами. Как ячейка 6, так и вся структура в целом симметричны влево и вправо относительно выводов источника питания, поэтому увеличение на единицу числа уровней формируемого переменного напряжения достигается симметричным увеличением на единицу числа ячеек вида 7 слева и справа от ячейки 6. Верхний и нижний выводы каждой из двух крайних левой и правой ячеек 7 соединяются, образуя выходные зажимы устройства.
На фиг.3 показана конфигурация предлагаемого многоуровневого автономного инвертора напряжения (по одной ячейке 7 слева и справа от ячейки 6), соответствующая N=3, а на фиг.4 - схема с увеличенным на два количеством ячеек 7, соответствующая N=4.
Предлагаемый многоуровневый автономный инвертор напряжения (фиг.1, фиг.2) работает следующим образом. Требуемое количество уровней в выходном напряжении образуется последовательным соединением источника питания и необходимого количества предварительно заряженных до напряжения источника питания конденсаторов 5 ячеек 7 и подключением полученной цепочки к выходным выводам через соответствующие открытые ключи. Единичный уровень напряжения формируется, например, источником питания, а нулевое выходное напряжение наиболее просто получается соединением накоротко выходных выводов устройства путем подачи импульсов управления на все ключи модуля 1 или модуля 2. Ячейки 7 пригодны для передачи на каждый из выходных выводов устройства потенциалов любой полярности, поэтому предлагаемый многоуровневый автономный инвертор напряжения пригоден для работы в двухтактном режиме цикла «заряд-разряд» конденсаторов на частоте, многократно превышающей частоту выходного напряжения. Например, на первом такте выходное напряжение, по величине большее одного уровня (напряжения источника питания), вместе с источником питания формируют последовательно включаемые предварительно заряженные конденсаторы 5 ячеек 7, расположенных справа от ячейки 6 (фиг.2), в то время как конденсаторы 5 ячеек 7, расположенных слева от ячейки 6, заряжаются, будучи подсоединенными параллельно друг другу и источнику питания; на втором такте в формировании выходного напряжения участвуют последовательно включаемые конденсаторы 5 ячеек 7, расположенных уже слева от ячейки 6, а конденсаторы 5 ячеек 7, расположенных справа от ячейки 6, включаемые параллельно, заряжаются. Регулирование выходного напряжения предлагаемого многоуровневого автономного инвертора напряжения осуществляется известными способами, общепринятыми для данного класса инверторов, например, с использованием синусоидальной многоуровневой широтно-импульсной модуляции (СМШИМ) или управлением по обобщенному вектору напряжения.
k
k
б
б
d0
d0
Ki
i
*
*
*
На фиг.5 для одного из вариантов реализации алгоритма СМШИМ показана временная диаграмма выходного напряжения u предлагаемого многоуровневого автономного инвертора напряжения с числом уровней N=4, выполненного по схеме фиг.4, а также представлены временные диаграммы напряжений на ряде ключевых элементов данной схемы. Каждое из напряжений показано на эпюрах в относительных единицах: u =u/u, где u=U, U - среднее значение выходного напряжения источника постоянного напряжения. Время также принято безразмерным: t=t/T, где Т - период выходного напряжения. В обозначении напряжений u  на ключах К, образованных встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением 3 и диода 4, (фиг.5) числа i=1…7 нумеруют расположенные справа от источника постоянного напряжения в порядке удаления от него сначала пять ключей модуля 1, затем два ключа, не принадлежащих модулям 1 и 2 (фиг.1, фиг.4). Напряжения на ключах модуля 2, расположенных справа от источника постоянного напряжения, ввиду симметрии управления при формировании положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения, повторяют со сдвигом на полупериод показанные напряжения на соответствующих ключах модуля 1. Также, ввиду идентичности двух тактов работы инвертора, не показаны напряжения на ключах, расположенных слева от источника постоянного напряжения. Напряжение на каждом из ключей отсчитывается относительно потенциала анода его диода 4.
d0.
Форма и качество выходного напряжения предлагаемого многоуровневого автономного инвертора напряжения совпадают с формой и качеством выходного напряжения прототипа. Увеличение номера N приводит, как и при использовании других N-уровневых инверторов, к улучшению качества выходного напряжения и к уменьшению отношений амплитуд прикладываемых к ключам напряжений к амплитуде выходного напряжения. Из диаграмм фиг.5 видно, что при любых изменениях выходного напряжения наибольшие значения напряжений, прикладываемых к ключам предлагаемого многоуровневого автономного инвертора напряжения, равны U
Таким образом, предлагаемый многоуровневый автономный инвертор напряжения по сравнению с прототипом, при полной идентичности выходных параметров, является более простым, т.к. использует только один источник питания и не требует применения последовательного включения вентилей в ключах из-за того, что характеризуется максимальными значениями прикладываемых к ключам напряжений, равными напряжению источника питания.
Кроме того, предлагаемый инвертор способен повышать выходное напряжение по сравнению с входным в число раз, равное N-1, т.к. конденсаторы ячеек, заряжаемые до напряжения входного источника постоянного напряжения, на этапе разряда на нагрузку включаются последовательно.