RU143597U1 - Многоуровневый инвертор с мягкой коммутацией - Google Patents

Abstract

Многоуровневый инвертор с мягкой коммутацией, содержащий стойку из 2(N-1) последовательно соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из 2(N-1) последовательно соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из (N-1) последовательно соединенных фильтровых конденсаторов, стойку из 2(N-1) последовательно соединенных демпферных конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания в цепи постоянного тока инвертора, при этом каждая i-ая пара дополнительных ключей (1≤i≤(Ν-1)) присоединена параллельно i-му фильтровому конденсатору и параллельно i-ой паре демпферных конденсаторов, блок из (Ν-1) последовательных LC контуров, причем каждый первый узел i-го LC контура подключен к средней точке i-ой пары дополнительных ключей, а каждый второй узел i-го LC контура подключен к средней точке i-ой пары демпферных конденсаторов, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к точке фазы, которая соединена со средней точкой стойки основных ключей инвертора, а второй полюс к точке нейтрали нагрузки, отличающийся тем, что введены (N-2) диодные стойки, состоящие из четного числа от двух до 2(N-2) последовательно соединенных фиксирующих диодов, причем катод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения ((N-1)-i)-го и (N-i)-го основного ключа инвертора, расположенных между положительной шиной питания и средней точкой стойки основных ключей инвертора, а анод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения ((N-1)+i)-го и (N+i)-го основного ключа инвертора, расположенных между средней точкой стойки основных ключей инвертора и отрицательной шиной питания, т

Description

Предложение относится к области силовой электроники и может быть использовано при разработке многоуровневых инверторов напряжения с высокой эффективностью преобразования электроэнергии.

Известны схемы трех и пятиуровневого инверторов, в которых обеспечивается мягкое включение и выключение основных транзисторов в каждой фазе инвертора с помощью дополнительных ключей, параллельного коммутирующего дросселя и дополнительных конденсаторов, подключенных параллельно основным ключам (US 6205040 B1, 20.03.2001).

Недостатком данного решения является то, что мягкое выключение основных транзисторов в схеме протекает при условно нулевом напряжении. При этом для эффективного снижения энергии динамических потерь требуется применение дополнительных конденсаторов с относительно большой емкостью.

Наиболее близким по технической сути является решение (RU 101597 U1, 20.01.2011), включающее стойку из 2(N-1) последовательно соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из 2(N-1) последовательно соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из (N-1) последовательно соединенных фильтровых конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания в цепи постоянного тока инвертора, при этом каждая i-ая пара дополнительных ключей присоединена параллельно i-му фильтровому конденсатору, (N-2) стоек из двух последовательно соединенных фиксирующих диодов, причем катод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения i-го и (i+1)-го основного ключа инвертора, расположенных между положительной шиной питания и средней точкой стойки основных ключей инвертора, а анод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения ((N-1)+i)-го и (N+i)-го основного ключа инвертора, расположенных между средней точкой стойки основных ключей инвертора и отрицательной шиной питания, при этом средняя точка i-ой диодной стойки подключена к точке соединения i-го и (i+1)-го фильтрового конденсатора, (N-1) последовательных LC контуров, причем каждый первый узел i-го LC контура подключен к средней точке i-ой пары дополнительных ключей, а каждый второй узел i-го LC контура подключен к катоду i-ой диодной стойки, при этом второй узел последнего (N-1) LC контура подключен к аноду (N-2)-ой диодной стойки, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к точке фазы, соединенной со средней точкой стойки основных ключей инвертора, а второй полюс к точке нейтрали нагрузки, при этом в инвертор введена стойка из 2(N-1) демпферных конденсаторов, включенная между положительной и отрицательной шиной питания в цепи постоянного тока инвертора, причем каждая i-ая пара демпферных конденсаторов подключена параллельно i-ой паре из 2(N-1) дополнительных ключей, при этом средняя точка каждой i-ой пары демпферных конденсаторов подключена ко второму узлу i-го LC контура в каждом из (N-1) контуров.

В указанном решении обеспечивается равномерное деление напряжения источника питания схемы Eп, как между основными, так и между дополнительными ключами схемы. Падение напряжения на каждом ключе схемы, находящемся в запертом состоянии, равно Eп/(N-1), где N - число уровней в выходном напряжении инвертора. При этом коммутация ключевых элементов схемы протекает в мягком режиме - при нулевом напряжении в переходном процессе включения и нулевом токе в переходном процессе выключения. Однако применяемая схема диодной фиксации при помощи (N-2) стоек из двух последовательно соединенных фиксирующих диодов приводит к неравномерному делению напряжения между данными диодами, которое в зависимости от расположения диода в схеме изменяется от минимального значения равного Eп/(N-1), до максимального значения равного Eп(N-2)/(N-1). В результате имеется аналогичный разброс напряжения и на элементах стойки из 2(N-1) демпферных конденсаторов.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в обеспечении равномерного делении напряжения между всеми элементами многоуровневого инвертора за счет применения схемы диодной фиксации, содержащей (N-2) диодные стойки, каждая из которых состоит из четного числа от двух до 2(N-2) последовательно соединенных фиксирующих диодов.

Технический результат достигается тем, что в многоуровневом инверторе с мягкой коммутацией, содержащем стойку из 2(N-1) последовательно соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из 2(N-1) последовательно-соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из (N-1) последовательно соединенных фильтровых конденсаторов, стойку из 2(N-1) последовательно соединенных демпферных конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания в цепи постоянного тока инвертора, при этом каждая i-ая пара дополнительных ключей (1≤i≤(N-1)) присоединена параллельно i-му фильтровому конденсатору и параллельно i-ой паре демпферных конденсаторов, блок из (N-1) последовательных LC контуров, причем каждый первый узел i-го LC контура подключен к средней точке i-ой пары дополнительных ключей, а каждый второй узел i-го LC контура подключен к средней точке i-ой пары демпферных конденсаторов, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к точке фазы, которая соединена со средней точкой стойки основных ключей инвертора, а второй полюс к точке нейтрали нагрузки, введены (N-2) диодные стойки, состоящие из четного числа от двух до 2(N-2) последовательно соединенных фиксирующих диодов, причем катод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения ((N-1)-i)-го и (N-i)-го основного ключа инвертора, расположенных между положительной шиной питания и средней точкой стойки основных ключей инвертора, а анод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения ((N-1)+i)-го и (N+i)-го основного ключа инвертора, расположенных между средней точкой стойки основных ключей инвертора и отрицательной шиной питания, точка соединения j-ой пары фиксирующих диодов (1≤j≤i) в i-ой диодной стойке подключена с точке соединения j-ой и (j+1)-ой пары фиксирующих диодов в (i+1)-ой диодной стойке, при этом каждый i-ый диод в (N-2)-ой стойке фиксирующих диодов подключен параллельно (i+1)-му конденсатору в стойке демпферных конденсаторов.

На Фиг. 1 представлен многоуровневый инвертор с мягкой коммутацией.

На Фиг. 2 представлена эквивалентная схема полумоста с первым основным ключом 2 и N-ым основным ключом 6 из стойки основных ключей 1.

На Фиг. 3 представлена схема пятиуровневого инвертора в соответствии с представленной полезной моделью.

На Фиг. 4 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения основного ключа 2.

На Фиг. 5 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения основного ключа 6.

Устройство содержит стойку 1 из 2(N-1) последовательно соединенных основных ключей 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8 и 9 со встречно-параллельными диодами, стойку 10 из 2(N-1) последовательно соединенных дополнительных ключей 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17 и 18 со встречно-параллельными диодами, стойку 19 из (N-1) последовательно соединенных фильтровых конденсаторов 20; 21; 22 и 23, стойку 24 из 2(N-1) последовательно соединенных демпферных конденсаторов 25; 26; 27; 28; 29; 30; 31 и 32, положительную 33 и отрицательную 34 шины дитания на стороне постоянного тока инвертора, блок 35 из (N-1) последовательных LC контуров 36; 37; 38 и 39, точку фазы 40, источник тока нагрузки 41, точку нейтрали нагрузки 42, диодные стойки 43; 44 и 45 в количестве (N-2), состоящие из четного числа от двух до 2(N-2) последовательно соединенных фиксирующих диодов. Первая диодная стойка 43 содержит одну пару диодов, включающую диод 46 и диод 47. Вторая диодная стойка 44 содержит первую пару диодов 48, состоящую из диодов 49 и 50 и вторую пару диодов 51. Последняя (N-2)-ая диодная стойка 45 содержит (N-2) пары диодов: первую пару диодов 52, состоящую из диодов 53 и 54, вторую пару диодов 55, (N-3)-ью пару диодов 56 и (N-2)-ую пару диодов 57.

Стойка 1 основных ключей, стойка 10 дополнительных ключей, стойка 19 фильтровых конденсаторов, а также стойка 24 демпферных конденсаторов расположены между положительной 33 и отрицательной 34 шиной питания. Каждая i-ая пара дополнительных ключей (1≤i≤(N-1)) из стойки 10 присоединена параллельно i-му фильтровому конденсатору из стойки 19 и параллельно i-ой паре демпферных конденсаторов из стойки 24, т.е. первая пара дополнительных ключей 11 и 12 из стойки 10 присоединена параллельно первому фильтровому конденсатору 20 из стойки 19 и параллельно первой паре демпферных конденсаторов 25 и 26 из стойки 24, вторая пара дополнительных ключей 13 и 14 из стойки 10 присоединена параллельно второму фильтровому конденсатору 21 из стойки 19 и параллельно второй паре демпферных конденсаторов 27 и 28 из стойки 24 и т.д. Каждый первый узел i-го LC контура из блока 35 подключен к средней точке i-ой пары дополнительных ключей из стойки 10, а каждый второй узел i-го LC контура из блока 35 подключен к средней точке i-ой пары демпферных конденсаторов из стойки 24, т.е. первый узел первого LC контура 36 из блока 35 подключен к средней точке первой пары дополнительных ключей 11 и 12 из стойки 10, а второй узел первого LC контура 36 из блока 35 подключен к средней точке первой пары демпферных конденсаторов 25 и 26 из стойки 24, первый узел второго LC контура 37 из блока 35 подключен к средней точке второй пары дополнительных ключей 13 и 14 из стойки 10, а второй узел второго LC контура 37 из блока 35 подключен к средней точке второй пары демпферных конденсаторов 27 и 28 из стойки 24 и т.д. Первый полюс источника тока нагрузки 41 подключен к точке фазы 40, которая соединена со средней точкой стойки 1 основных ключей инвертора. Второй полюс источника тока нагрузки 41 подключен к точке нейтрали нагрузки 42.

Катод первой диодной стойки 43 подключен к точке соединения (N-2)-го основного ключа 4 и (N-1)-го основного ключа 5 инвертора в стойке 1, расположенных между положительной шиной питания 33 и точкой фазы 40, а анод первой диодной стойки 43 подключен к точке соединения N-го основного ключа 6 и (N+1)-го основного ключа 7 инвертора, расположенных между точкой фазы 40 и отрицательной шиной питания 34. В общем случае, катод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения ((N-1)-i)-го и (N-i)-го основного ключа инвертора, расположенных между положительной шиной питания 33 и точкой фазы 40, а анод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения ((N-1)+i)-го и (N+i)-го основного ключа инвертора, расположенных между точкой фазы 40 и отрицательной шиной питания 34.

Точка соединения пары фиксирующих диодов 46 и 47 в первой диодной стойке 43 подключена к точке соединения первой пары 45 и второй пары 51 фиксирующих диодов во второй диодной стойке 44. В общем случае, точка соединения j-ой пары фиксирующих диодов (1≤j≤i) в i-ой диодной стойке подключена с точке соединения j-ой и (j+1)-ой пары фиксирующих диодов в (i+1)-ой диодной стойке. При этом i-ый фиксирующий диод в последней (N-2)-ой диодной стойке 45 подключен параллельно (i+1)-му конденсатору в стойке демпферных конденсаторов 24, т.е. первый фиксирующий диод 53 в диодной стойке 45 подключен параллельно второму конденсатору 26 в стойке демпферных конденсаторов 24, второй фиксирующий диод 54 в диодной стойке 45 подключен параллельно третьему конденсатору 27 в стойке демпферных конденсаторов 24 и т.д.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Посредством переключения основных ключей инвертора в стойке 1 в точке фазы 40 формируется многоуровневый сигнал переменного напряжения. В общем случае рассматривается случай N-уровневого сигнала напряжения, где N - натуральное число, большее двух. Для формирования N-уровневого сигнала необходимо наличие 2(N-1) основных ключей, расположенных симметрично относительно точки фазы 40, которая соединена со средней точкой стойки 1. Для формирования фазового напряжения с качественным гармоническим составом при переключении основных транзисторов в стойке 1 используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). При этом ширина импульсов проводимости основных транзисторов модулируется в пределах каждого периода выходной частоты инвертора по определенному закону. В многоуровневых инверторах наибольшее распространение получила концепция ШИМ, основанная на синфазности (N-1) опорных сигналов несущей частоты, известная в английской аббревиатуре как Phase-Disposition. При данном алгоритме управления работа многоуровневой схемы сводится к последовательной по времени работе (N-1) эквивалентных полумостовых схем. В данных схемах ток нагрузки коммутируется между верхним ключом, который является одним из основных ключей, расположенных между положительной шиной питания 33 и точкой фазы 40, и нижним ключом, расположенным аналогично, но только между точкой фазы 40 и отрицательной шиной питания 34. При этом в процессе коммутации роль противофазных диодов для всех основных ключей стойки 1, кроме (N-1)-го основного ключа 5 и N-го основного ключа 6, которые непосредственно соединены с точкой фазы 40, выполняют соответствующие фиксирующие диоды. Для (N-1)-го основного ключа 5 и N-го основного ключа 6 противофазными диодами являются встречно - параллельные диоды 2(N-1)-го основного ключа 9 и первого основного ключа 2 соответственно.

Мягкая коммутация в каждой из полумостовых схем может быть обеспечена с помощью двух последовательно соединенных дополнительных ключей из стойки 10, подключаемых параллельно шинам питания полумоста, последовательного LC контура из блока 35, подключаемого между средними точками соединения основных и дополнительных ключей и соответствующих демпферных конденсаторов из стойки 24.

Рассмотрим процесс коммутации в одной из (N-1) эквивалентных полумостовых схем (Фиг. 2), образованных первым основным ключом 2 из стойки 1 и N-ым основным ключом 6 из стойки 1.

Источником питания данного полумоста является первый фильтровой конденсатор 20 из стойки 19. Между шинами питания полумостовой схемы включены первый 11 и второй 12 дополнительные ключи из стойки 10. Первый узел первого последовательного LC контура 36 из блока 35 подключен к точке соединения дополнительных ключей 11 и 12. Второй узел последовательного LC контура 36 подключен к точке соединения первого 25 и второго 26 демпферного конденсатора из стойки 24 и к точке соединения основных ключей 2 и 6. Отметим, что на данном интервале работы инвертора точка соединения основных ключей 2 и 6 образуется за счет открытого состояния последовательной цепочки основных ключей, начиная от второго ключа 3 до (N-1)-го ключа 5 в стойке 1 и совпадает с точкой фазы 40. Пунктиром на схеме показаны собственные емкости основных ключей 2 и 6.

Предположим, что ток нагрузки 41 равен Iн и имеет направление от точки фазы 40 к точке нейтрали 42. При выключенном основном ключе 2 данный ток протекает через первый фиксирующий диод 53 в (N-2)-ой диодной стойке 45. Фиксирующий диод 53 при этом являются противофазными по отношению к ключу 2. Первый демпферный конденсатор 25 из стойки 24, параллельный ключу 2 будет заряжен до напряжения питания полумоста, равного напряжению E на фильтровом конденсаторе 20. Второй демпферный конденсатор 26 из стойки 24, с помощью открытых вторых фиксирующих диодов 47, 50 и 54 из соответствующих диодных стоек 43, 44 и 45 присоединен параллельно N-ому ключу 6 и разряжен до нулевого напряжения. Параллельно второму фиксирующему диоду 54 из (N-2)-ой диодной стойки 45 подключен третий демпферный конденсатор 27 из стойки 24. Пунктиром на схеме показаны также собственные емкости фиксирующих диодов 47 и 50.

Перед отпиранием основного ключа 2, включается дополнительный ключ 12. Конденсатор LC контура 36 заряжен до начального напряжения с положительной полярностью на его левой обкладке. Указанное начальное напряжение соответствует неравенству:

где - характеристическое сопротивление LC контура 36; L - индуктивность дросселя контура 36; C - емкость конденсатора контура 36.

Начинается колебательный процесс нарастания тока в контуре 36. При достижении данным током своего максимума происходит смена полярности напряжения на конденсаторе контура 36. Половину периода резонансной частоты ток контура 36 совпадает по направлению с током нагрузки 41, а затем изменяет направление. Когда ток дросселя в контуре 36 достигает значения тока нагрузки () происходит выключение фиксирующего диода 53. При этом напряжение на конденсаторе контура 36 оказывается равным:

После выключения фиксирующего диода 53 между последовательным LC контуром 36 и конденсаторами 25 и 26 начинается резонансный процесс, при котором демпферный конденсатор 25, включенный параллельно основному ключу 2, разряжается, а демпферный конденсатор 26 заряжается до напряжения E.

После разряда конденсатора 25 ключ 2 можно включить при нулевом напряжении.

Напряжение на конденсаторе контура 36 после разряда демпферного конденсатора 25 становится равным:

где ΔU - изменение напряжения на конденсаторе контура 36 на интервале Δt_p перезаряда конденсаторов 25 и 26.

Ток в дросселе контура 36 после полного разряда выходной емкости ключа 2 становится равным:

где ΔI - изменение тока в дросселе контура 36 на интервале Δt_p.

При отсутствии демпферных конденсаторов 25 и 26 изменения ΔU и ΔI практически равны нулю.

При наличии демпферных конденсаторов 25 и 26, с емкостью C₂₅ и C₂₆, изменения ΔU и ΔI будут равны:

где ;

После включения основного ключа 2 при нулевом напряжении ток в дросселе контура 36 начинает уменьшаться, а соответственно ток в ключе 2 - нарастать. Когда ток ключа 2 достигает тока нагрузки 41, ток дросселя контура 26 становится равным нулю. Напряжение на конденсаторе контура 36 при этом оказывается равным:

Полярность напряжения на конденсаторе контура 36 изменилась на обратную. Поэтому в соответствующий момент времени за счет отпирания дополнительного ключа 11 можно провести выключение основного ключа 2 при нулевом токе. Для этого должно выполняться условие:

В процессе выключения ток колебательного контура 36 начинает нарастать встречно току нагрузки 41, проходящему через открытый ключ 2. В момент равенства тока контура 36 и тока нагрузки 41 включается встречно-параллельный диод основного ключа 2. Через данный диод затем начинает протекать разность указанных токов. Очевидно, что выключение ключа 2 необходимо провести до момента времени, при котором вновь наступит равенство тока контура 36 и тока нагрузки 41.

Отметим, что в момент времени, когда ток контура 36 достигает максимального значения, напряжение на конденсаторе данного контура вновь изменяет свою полярность и затем увеличивается. Однако уровень данного напряжения значительно ниже первоначального, равного

Для обеспечения устойчивости циклов мягкого переключения ключа 2 необходимо поднять уровень данного напряжения до начальной величины. С этой целью после выключения основного ключа 2 при нулевом токе дополнительный ключ 11 оставляют открытым. Ток в LC контуре 36 в момент выключения основного ключа 2 равен току нагрузки 41. Противофазный диод, роль которого выполняет фиксирующий диод 53, остается в выключенном состоянии, поскольку напряжение на конденсаторе контура 36 много меньше напряжения питания E. Таким образом, единственный путь для замыкания тока нагрузки 41 - через последовательный LC контур 36. При этом ток нагрузки 41 начинает заряжать конденсатор контура 36. Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения питания E, открывается диод 53, и в колебательном контуре 36 начинается еще один резонансный процесс, после которого напряжение на конденсаторе контура 36 устанавливается равным начальному значению:

Используя уравнения (2) и (7) можно установить, что условие отпирания ключ 2 при нулевом напряжении выполняется, если характеристическое сопротивление контура 36 удовлетворяет неравенству:

С другой стороны, согласно уравнению (8) запирание ключа 2 при нулевом токе выполняется, если характеристическое сопротивление контура 36 удовлетворяет неравенству:

Выбирая в соответствие с формулами (10) и (11) необходимое характеристическое сопротивления LC контура 36, можно обеспечить переключение ключа 2 при нулевом напряжении и токе.

С изменением направления тока нагрузки 41, т.е. при его протекании от точки нейтрали нагрузки 42 к точке фазы 40, при выключенном N-ом основном ключе 6 данный ток будет замыкаться на встречно-параллельный диод первого основного ключа 2. Аналогично рассмотренным этапам мягкого переключения основного ключа 2 теперь можно проводить мягкую коммутацию тока нагрузки при переключении N-ого основного ключа 6. С этой целью перед включением N-ого основного ключа 6 отпирают дополнительный ключ 11 и проводят включение ключа 6 при нулевом напряжении. При этом разряд выходной емкости ключа 6 протекает через третий демпферный конденсатор 27 из стойки 24 и собственные емкости закрытых фиксирующих диодов 47 и 50. Далее перед выключением N-ого основного ключа 6 включают дополнительный ключ 12, что обеспечивает условие выключения N-ого основного ключа 6 при нулевом токе.

Мягкая коммутация в представленной эквивалентной схеме полумоста (Фиг. 2) между основными ключами 2 и 6 происходит на фиксированном временном интервале, определяемом процессом широтно-импульсной модуляции. На следующем временном интервале образуется новая эквивалентная схема со вторым основным ключом 3 и (N+1)-ым основным ключом 7 из стойки 1 и т.д. Другими словами, во всех последующих эквивалентных схемах ток нагрузки будет коммутироваться между верхним ключом, которым является один из основных ключей в стойке 1, расположенный между положительной шиной питания 33 и точкой фазы 40, и соответствующим нижним ключом, расположенным аналогично, но только между точкой фазы 40 и отрицательной шиной питания 34. Процессы мягкой коммутации в этих эквивалентных полумостах будут иметь те же основные интервалы, что и рассмотренные для схемы Фиг. 2.

Представленное устройство обеспечивает мягкую коммутацию тока нагрузки для отдельной фазы. Поскольку рассмотренные процессы носят автономный характер, с помощью трех аналогичных устройств могут быть обеспечены условия мягкого переключения для 6(N-1) основных ключей инвертора в трехфазном исполнении.

Принцип работы устройства и критерии мягкого переключения не изменяются при применении различных типов ключей (МДП, IGBT, IGCT и др.).

Фиксирующий диод в схеме прототипа, подключенный к точке соединения двух нижних основных ключей инвертора, при включенном состоянии первых (N-2) основных ключей будет находиться под максимальным обратным напряжением, значение которого равно: Eп(N-2)/(N-1), где Eп - напряжение между шинами питания инвертора.

В предлагаемом решении схема фиксации содержит (N-2) диодные стойки, каждая из которых состоит из четного числа от двух до 2(N-2) последовательно соединенных фиксирующих диодов, при этом точка соединения j-ой пары фиксирующих диодов (1≤j≤i) в i-стойке подключена с точке соединения j-ой и (j+1)-ой пары фиксирующих диодов в (i+1)-стойке. В наихудшем случае при включенном состоянии первых (N-2) основных ключей 2, 3 и 4 максимальное обратное напряжение величиной Eп(N-2)/(N-1) будет приложено к схеме, состоящей из (N-2) последовательно соединенных фиксирующих диодов, по одному от каждой из (N-2) стоек. При этом на каждом из фиксирующих диодов в данной схеме обеспечивается минимальное обратное напряжение E=Eп/(N-1). Аналогичное минимальное напряжение, в отличие от прототипа, обеспечивается и на всех элементах стойки демпферных конденсаторов 24.

Пример конкретного исполнения предложенного устройства рассмотрим на примере часто используемой на практике пятиуровневой схемы (Фиг. 3).

Пятиуровневая схема содержит стойку 1 из восьми последовательно соединенных основных ключей 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8 и 9 со встречно-параллельными диодами, стойку 10 из восьми последовательно соединенных дополнительных ключей 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17 и 18 со встречно-параллельными диодами, стойку 19 из четырех последовательно соединенных фильтровых конденсаторов 20; 21; 22 и 23, стойку 24 из восьми последовательно соединенных демпферных конденсаторов 25; 26; 27; 28; 29; 30; 31 и 32, положительную 33 и отрицательную 34 шины питания, блок 35 из четырех последовательных LC контуров 36; 37; 38 и 39, точку фазы 40, источник тока нагрузки 41, точку нейтрали нагрузки 42, три диодные стойки 43, 44 и 45, состоящие из четного числа от двух до шести последовательно соединенных фиксирующих диодов.

Моделирование процессов коммутации в предложенном устройстве проведено в программе расчета электронных схем PSpice.

Напряжение Eп между шинами питания 33 и 34 равно 1280 В. Соответственно, напряжение E на каждом из четырех фильтровых конденсаторов в стойке 19 равно 320 В.

Амплитуда тока нагрузки 41 составляет Iн=100 А.

Основные ключи в стойке 1, а также фиксирующие диоды в стойках 43, 44 и 45 выполнены на силовых модулях по схеме полумоста, класс напряжения 600 В, средний ток 100 А.

Дополнительные ключи в стойке 10 выполнены на силовых модулях по схеме полумоста, класс напряжения 600 В, средний ток 50 А, импульсный ток 400 А.

Дроссели в последовательных LC контурах в блоке 35 имеют индуктивность 0,8 мкГн.

Конденсаторы в последовательных LC контурах в блоке 35 имеют емкость 1 мкФ и максимальное напряжение 630 В.

Демпферные конденсаторы в стойке 24 имеют емкость 10 нФ и максимальное напряжение 630 В.

На Фиг. 4 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения первого основного ключа 2 в стойке 1. Из осциллограммы видно, что роль обратного диода в процессе запирания ключа 2 при нулевом токе выполняет его собственный встречно-параллельный диод.

Масштаб по вертикали:

канал 1 (напряжение управления ключа 2) - 20 В/дел;

канал 2 (напряжение ключа 2) - 200 В/дел;

канал 3 (ток ключа 2) - 100 А/дел.

Масштаб по горизонтали: для всех каналов - 2 мкс/дел.

На Фиг. 5 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения основного ключа 6 в стойке 1 и ток первого фиксирующего диода 53 в стойке 45. Из осциллограммы видно, что роль обратного диода в процессе запирания ключа 6 при нулевом токе выполняет фиксирующий диод 53.

Масштаб по вертикали:

канал 1 (напряжение управления ключа 6) - 20 В/дел;

канал 2 (напряжение ключа 6) - 200 В/дел;

канал 3 (ток ключа 6) - 100 А/дел;

канал 4 (ток диода 53) - 100 А/дел;

Масштаб по горизонтали: для всех каналов - 2 мкс/дел.

Claims (1)

1. Многоуровневый инвертор с мягкой коммутацией, содержащий стойку из 2(N-1) последовательно соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из 2(N-1) последовательно соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из (N-1) последовательно соединенных фильтровых конденсаторов, стойку из 2(N-1) последовательно соединенных демпферных конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания в цепи постоянного тока инвертора, при этом каждая i-ая пара дополнительных ключей (1≤i≤(Ν-1)) присоединена параллельно i-му фильтровому конденсатору и параллельно i-ой паре демпферных конденсаторов, блок из (Ν-1) последовательных LC контуров, причем каждый первый узел i-го LC контура подключен к средней точке i-ой пары дополнительных ключей, а каждый второй узел i-го LC контура подключен к средней точке i-ой пары демпферных конденсаторов, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к точке фазы, которая соединена со средней точкой стойки основных ключей инвертора, а второй полюс к точке нейтрали нагрузки, отличающийся тем, что введены (N-2) диодные стойки, состоящие из четного числа от двух до 2(N-2) последовательно соединенных фиксирующих диодов, причем катод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения ((N-1)-i)-го и (N-i)-го основного ключа инвертора, расположенных между положительной шиной питания и средней точкой стойки основных ключей инвертора, а анод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения ((N-1)+i)-го и (N+i)-го основного ключа инвертора, расположенных между средней точкой стойки основных ключей инвертора и отрицательной шиной питания, точка соединения j-ой пары фиксирующих диодов (1≤j≤i) в i-ой диодной стойке подключена к точке соединения j-ой и (j+1)-ой пары фиксирующих диодов в (i+1)-ой диодной стойке, при этом каждый i-ый диод в (N-2)-ой стойке фиксирующих диодов подключен параллельно (i+1)-му конденсатору в стойке демпферных конденсаторов.