Багаторівневий інвертор напруги

Багаторівневий інвертор напруги, що містить затискачі для підключення джерела живлення, між якими включені n послідовно з'єднаних конденсаторів, де n>1, позитивний вивід першого конденсатора підключений до першого затискача джерела живлення, негативний вивід першого конденсатора з'єднаний з позитивним виводом другого конденсатора, утворюючи першу середню точку конденсаторів, відповідно з'єднані інші конденсатори, негативний вивід n-го конденсатора підключений до другого затискача джерела живлення, n-1 паралельно з'єднаних верхніх ключів і один послідовно, n-1 паралельно з'єднаних нижніх ключів і до них підключений один послідовний, причому позитивний вивід першого верхнього ключа підключений до першого затискача джерела живлення, його негативний вивід з'єднаний з негативним виводом U 2 (19) 1 3 18870 4 ному силовому ключі і на одному конденсаторі. нього паралельного і (n-2)-го додаткового ключа Найбільш близьким по сукупності ознак до інприєднаний до n-й середньої точки конденсаторів, вертора, що заявляється є багаторівневий інвернегативний кінець n-го паралельного верхнього тор напруги [Патент США №4,203,151 від ключа підключений до середньої точки верхніх 13.05.1980], що містить затиски для підключення ключів, негативний кінець кожного n-го нижнього джерела живлення, між якими включені n послідопаралельного і (n-2)-го додаткового ключа приєдвно з'єднаних конденсаторів, де n>1, утворивши nнаний до n-й середньої точки конденсаторів, пози1 середніх точок конденсаторів, і кілька фазних тивний кінець кожного n-го нижнього паралельного пліч, кожне з яких містить n послідовно з'єднаних ключа підключений до середньої точки нижніх верхніх і n послідовно з'єднаних нижніх керованих ключів і 2 (2n-1) силові прилади, згідно до корисної ключів, що утворять n-1 середніх точок верхніх моделі силові прилади включені паралельно і доключів і n-1 середніх точок нижніх ключів; n-1 вердаткові 2·(n-2) силові ключі підключені між правим хніх і n-1 нижніх додаткових діодів, підключених затиском навантаження і відповідною середньою між відповідними середніми точками конденсатоточкою конденсаторів. рів і ключів, причому послідовні ланцюги з верхніх і На Фіг.1 представлена схема чотирьохрівневонижніх ключів включені послідовно між затисками го інвертора напруги. для підключення джерела живлення, і з місцем У багаторівневому інверторі напруги до затисїхнього з'єднання зв'язаний затиск для підключенків для підключення джерела живлення постійного ня навантаження. струму послідовно підключені ємності 1, 2 і 3. До У такому інверторі напруги до затиску для підверхнього виводу ємності 1 підключений колектор ключення навантаження може бути прикладена транзистора 4. До точки з'єднання між ємностями напруга n рівнів напруги кожної полярності і ну1 і 2 підключений колектор транзистора 5. До точки льова напруга. При цьому до кожного конденсатоз'єднання між ємностями 2 і 3 підключений колекра і напівпровідникового приладу прикладається тор транзистора 6. Емітери транзисторів 4, 5 і 6 напруга, що не перевищує n-й частки напруги приєднані до затиску для підключення лівого виджерела живлення. воду навантаження. До точки з'єднання кінцівок Недоліком даного інвертора напруги є збільємностей 1 і 2 підключений емітер транзистора 7. шення статичних утрат, викликаних спаданням До кінцівок ємностей 2 і 3, з'єднаних в одну точку, напруги на додаткових діодах і на кожному з поспідключений емітер транзистора 8. Емітер транзилідовно включених силових приладах при відкритті стора 9 приєднаний до нижньої кінцівки ємності 3. одного з верхніх чи нижніх ключів у плечі. Колектори транзисторів 7, 8 і 9 приєднані до затиВ основу корисної моделі, що заявляється, поску для підключення лівої кінцівки навантаження. ставлено завдання створення багаторівневого Верхній вивід ємності 1 з'єднаний з катодом діода інвертора напруги, у якому включення силових 10. Анод діода 11 приєднаний до нижнього виводу приладів паралельно забезпечує зниження статиємності 3. Анод діода 10 і катод діода 11 приєднані чних втрат (у плечах інвертора напруги), спрощендо затиску для підключення лівого виводу навання і підвищення ККД схеми, зниження масогабаритаження 12. Колектор транзистора 13 приєднаний тних показників. до верхнього виводу ємності 1. Колектор транзисДля вирішення поставленого завдання в багатора 14 підключений до точки з'єднання кінцівок торівневому інверторі напруги, що містить затиски ємностей 1 і 2. Емітери транзисторів 13 і 14 приєддля підключення джерела живлення, між ними нані до затиску підключення правого виводу нававключені n послідовно з'єднаних конденсаторів, де нтаження. Емітер транзистора 15 підключений до n>1, при цьому позитивний вивід першого конденточки з'єднання кінцівок ємностей 2 і 3. Емітер сатора підключений до першого затиску джерела транзистора 16 приєднаний до нижнього виводу живлення, негативний вивід першого конденсатоємності 3. Колектори транзисторів 15 і 16 приєднара з'єднаний з позитивним виводом другого конні до затиску для підключення правого виводу наденсатора, утворять першу середню точку конденвантаження. Катод діода 17 приєднаний до верхсаторів, відповідно з'єднані інші конденсатори, нього виводу ємності 1. Анод діода 18 приєднаний негативний вивід n-го конденсатора підключений до нижнього виводу ємності 3. Анод діода 17 і кадо другого затиску джерела живлення; n-1 паратод діода 18 приєднані до затиску для підключенлельно з'єднаних верхніх ключів і один послідовно, ня правого виводу навантаження. n-1 паралельно з'єднаних нижніх ключів і до них Інвертор працює в такий спосіб. У початковий підключений один послідовний, причому позитивмомент усі ключі закриті і ємності дільника 1, 2 і 3 ний вивід першого верхнього ключа підключений заряджені. При відкритті передостаннього ключа 5 до першого затиску джерела живлення, його негаз верхньої паралельної групи і додаткового ключа тивний вивід з'єднаний з негативним кінцем друго15, до навантаження прикладається напруга серего верхнього ключа, утворять середню точку верхдньої ємності рівна Ud/3, де Ud - повна напруга ніх ключів, відповідно з'єднані інші верхні ключі джерела живлення постійного струму. У момент утворять середню точку верхніх ключів, позитивзменшення напруги яку беремо з ємності до приний кінець першого нижнього ключа з'єднаний з пустимого граничного значення закривається попозитивним кінцем другого нижнього ключа, утвопередня група ключів і відкриваються транзистори рять середню точку нижніх ключів, відповідно з'єд6 і 16 - до навантаження підключається ємність 3, нані інші нижні ключі, утворять середню крапку чим досягається вирівнювання рівня напруги, фонижніх ключів, а негативний кінець n-го нижнього рмованого ємнісним дільником. Наступний рівень ключа підключений до другого затиску джерела напруги 2Ud/3 реалізується при включенні транзиживлення; позитивний кінець кожного n-го верхсторів 4 і 15 - до навантаження прикладається 5 18870 6 напруга ємностей 1 і 2. При зменшенні напруги що комутаційні втрати потужності - тому що на несуприкладається до навантаження до припустимого щій частоті ШІМ переключається не повна напруга граничного значення попередня група ключів заUd, а тільки Ud/3. Для скидання енергії, накопичекривається і включаються транзистори 5 і 16, до ної в навантаженні й інших ланцюгах при протіканнавантаження прикладається напруга ємностей 1 і ні струму, що комутується, необхідні зворотні діо2. Наступний рівень напруги рівний Ud формується ди. Для основних послідовних ключів 4 і 9 включенням транзисторів 4 і 16, у даний момент включені діоди 10 і 11, а для паралельних ключів ν ємності дільника заряджаються для формування момент комутації ШІМ включається відповідний другої позитивної чверті синусоїди вихідної напрусиловий ключ, для верхнього - із групи нижніх і ги. Наступний алгоритм роботи силових ключів навпаки: для транзистора 5 - транзистор 7, для відповідає зворотному порядку вище описаного. транзистора 6 - транзистор 8. У такий спосіб у моФормування негативної напівхвилі вихідної напрумент ШІМ комутації напруги, при формуванні позиги інвертора виконується по аналогічному алгоритивної напівхвилі, для транзистора 5 функції звотму формування позитивної напівхвилі, але для ротного діода виконує транзистор 7, для нижньої групи силових ключів і додаткових ключів транзистора 6 - транзистор 8. 13 і 14 (табл. 1). При формуванні кожного рівня Таблиця 1 відображає стан ключів інвертора, напруги, у межах амплітуди формованого і попеде 0 відповідає закритому стану ключа, 1 - відкриреднього рівнів напруги реалізується широтноімтому із ШІМ, 2 - відкритому, для n=4 має наступний пульсною модуляцією (ШІМ), що значно знижує вид: Таблиця 1 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VT7 VT10 m 0 0 1 2 0 0 0 2 -3 0 1 2 0 2 0 0 2 -2 1 2 2 0 0 0 0 2 -1 1 2 2 0 0 0 0 2 -1 0 1 2 0 2 0 0 2 -2 0 0 1 2 0 0 0 2 -3 Досягаємий технічний результат заявляємої корисної моделі складається в забезпеченні можливості одержання декількох рівнів напруги живлення фазних навантажень за рахунок відкриття відповідного числа керованих ключів у відповідних комбінаціях, крім додаткових діодів. Контур струму навантаження протікає тільки через відповідну 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 0 0 2 0 3 0 2 0 2 1 0 2 0 2 0 0 0 2 2 1 2 0 1 0 0 0 2 2 1 2 0 1 0 2 0 2 1 0 2 0 2 0 0 2 1 0 0 2 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 комутаційну пару силових ключів з відповідним рівнем ступіні напруги, що знижує статичні втрати. Для реалізації використання однорівневого джерела живлення постійного струму, у схему введені додаткові силові ключі 14 і 15, завдяки чому можна реалізувати алгоритм керування приведений таблицею 2. Таблиця 2. Режими включення/заряду ємностей дільника постійної напруги. № 1 2 3 4 5 6 Приложена наЄмності підключаПеріод роВаріанти ввімкЄмності що заря- Ввімкнені силові пруга до наванються до навантабочої часнення джаються ключі таження ження тоти 1 З2 VT2+VT9 Ud/3 2 З3 З2 VT3+VT10 1 З1+З2 З3 VT1+VT9 2Ud/3 2 З2+З3 З1 VT2+VT10 Ud З1+З2+З3 З2, З3 VT1+VT10 0;П 1 З2+З3 VT2+VT10 2Ud/3 2 З1+З2 З3 VT1+VT9 1 З3 З1, З2 VT3+VT10 Ud/3 2 З2 З3 VT2+VT9 0 З1, З2, З3 7 18870 8 Продовження таблиці 2 № 7 8 9 10 11 12 Приложена наЄмності підключаПеріод роВаріанти ввімкЄмності що заря- Ввімкнені силові пруга до наванються до навантабочої часнення джаються ключі таження ження тоти 1 З2 VT8+VT5 Ud/3 2 З1 З2 VT7+VT4 1 З2+З3 З1 VT8+VT6 2Ud/3 2 З1+З2 З3 VT7+VT5 Ud З1+З2+З3 З1, З2 VT7+VT6 П;2П 1 З1+З2 VT7+VT5 2Ud/3 2 З2+З3 З1 VT8+VT6 1 З1 З2,З3 VT8+VT5 Ud/3 2 З2 З1 VT7+VT4 0 З1, З2, З3 Алгоритм керування схеми, може бути реалізований за допомогою системи керування на базі мікроконтролера. При включенні силових ключів послідовно струм навантаження протікає по ланцюзі: затиск позитивного полюса, ланцюг послідовно включених силових приладів плеча анодної групи, навантаження, силові прилади катодної групи, затиск негативного полюса джерела живлення інвертора. У результаті розрахунок статичних втрат для описаної схеми буде наступним: Росн=Uпp*Icp.н*n*M/ , де Uпp - пряме спадання напруги на відкритому приладі, Іср.н - середній струм навантаження, n - кількість ключів у ланцюзі струму навантаження. Для схеми з паралельним включенням силових приладів, струм навантаження протікає по ланцюзі: затиск позитивного полюса, один із силових приладів плеча анодної групи, навантаження, силовий прилад катодної групи, затиск негативного полюса джерела живлення інвертора. Для другої схеми статичні втрати треба розраховувати згідно наступному закону: Росн=Uпp*Icp.H*2*M/ . У результаті одержуємо включення силових приладів паралельно дозволяє знизити статичні втрати в n/2 разів. Для реалізації однієї ступіні квантованої за рівнем вихідної напруги схемою з послідовним включенням силових приладів, вихідна потужність комутується одним силовим ключем, але для формування наступного рівня напруги кількість приладів, комутуючих вихідну потужність, збільшується на один прилад з кожним рівнем. Потужність комутаційних втрат буде рости прямо пропорційно добутку n*Ік.max, де n - кількість приладів, що формують рівні напруги, Ік.max - максимальний струм колектора силових приладів. Для схеми з паралельним включенням силових приладів формування кожного рівня напруги буде реалізовуватися кому тацією вихідної потужності тільки одним силовим приладом, тоді потужність комутаційних втрат буде залежати тільки від максимального струму колектора. Комутаційні втрати потужності залежать від часу включення і вимикання силових приладів, при з'єднанні приладів послідовно обов'язкове застосування ланцюгів розподілу напруги і ланцюгів примусово обмежуючий час комутації приладів для безпечної роботи схеми, що значно збільшує комутаційні потужності. При рівнобіжному включенні снаберні ланцюги розраховуються для безпечної роботи кожного приладу індивідуально. ККД схеми розраховують по формулі: P Рвх Р Рвх (Росн Рком) , Pвв Рвх Рвх де Рвх - вхідна потужність одержувана інвертором на вході, Ρ - вихідна потужність, реалізована інвертором на виході. Для схеми з паралельним включенням приладів потужності основних і комутаційних утрат знижуються, відповідно ККД схеми зросте. Якщо джерелом живлення схеми багаторівневого автономного інвертора напруги (БАІН) є однорівневе джерело, можна відзначити значний і нерівномірний спад рівня напруги ємностей вхідного дільника напруги. Одним зі способів рішення проблеми - використання багаторівневого джерела живлення БАІН, що значно ускладнює систему в загальному. Запропоноване схемне рішення дозволяє переключаться між ємностями дільника, що перешкоджає швидкому розряду ємностей і дозволяє застосовувати однорівневе джерело живлення, спрощуючи і знижуючи масогабарітні показники системи в цілому. 9 Комп’ютерна верстка М. Мацело 18870 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601