4.3.4 Багаторівневі інвертори з плаваючими конденсаторами

БАІН з плаваючими конденсаторами(FLC - flying capacitor converter). Схема одного плеча трирівневого АІН з плаваючими конденсаторами подана на рис.4.105. При вмиканні навантаження Z_H між виводами а і 0 схема забезпечує три рівня у вихідній напрузі (+U,0,-U). Заряджання конденсатора С здійснюється крізь навантаження за колом, що утворюється при подачі сигналу на вмикання VT1 і VT3 (рис.4.106,б для позитивного напряму струму), при цьому відкриваються VD3 і VT1. Для зворотного напряму струму заряджання С здійснюється при подачі сигналу на вмикання VT2 і VT4.

Для отримання на навантаженні рівня напруги+U вмикаються транзистори VT1 і VT2, для рівня -U вмикаються транзистори VT3 і VT4. Нульовий рівень отримується при вмиканні VT1 і VT3 або VT2 і VT4.

Розглянемо роботу схеми більш детально з ШІМ формуванням вихідної напруги. Вважаємо, що конденсатор попередньо заряджений до напруги джерела U, навантаження активно-індуктивне. При вмиканні VT1 і VT2 вихідна напруга дорівнює +U, струм має позитивний напрямок і поступово зростає (рис.4.106,а), коло розряджання конденсатора відсутнє. Для отримання нульового значення напруги VT2 вимикається і подається сигнал на вмикання VT3. Оскільки напрям струму позитивний, вмикається VD3 (рис.4.106,б) і послідовно з навантаженням вмикається конденсатор С, напруга якого дорівнює за значенням і протилежна напрузі джерела. В результаті напруга навантаження стрибком зменшується до нулю, проте струм у колі навантаження залишається позитивним і підтримується за рахунок енергії, що накопичена у магнітному полі навантаження. Це призводить до поступового заряду конденсатору, напруга на якому U_С зростає. Відповідно напруга на навантаженні дорівнює різниці u_H=(U - U_С) і стає негативною.

При наступному вмиканні VT1 і VT2 напруга u_H=+U. Компенсувати збільшення напруги на конденсаторі U_С, що мало місце на попередньому циклі можна при наступному переході до нульового рівня. Для цього подається сигнал на вмикання VT2 і VT4, оскільки напрямок струму у навантаженні не змінився і залишається позитивним, струм проводять VT2 і VD4 (рис.4.106,в), конденсатор знов вмикається послідовно з навантаженням. Однак на відміну від попереднього нульового рівня конденсатор буде розряджатися, напруга на ньому зменшується.

Таким чином, заряд конденсатору може бути урівноважено при визначеному чергуванні комбінацій вмикання ключів, що формують нульовий рівень напруги навантаження. Цим самим обмежуються коливання напруги на конденсаторі і відповідно на навантаженні (на інтервалах, де формується нульовий рівень). Аналогічним чином здійснюється формування негативної полярності напруги на навантаженні.

Схеми БАІН з фіксуючими конденсаторами з більшою кількістю рівнів будуються за принципами, що аналогічні БАІН з фіксуючими діодами.

Схема фази п'ятирівневого БАІН приведена на рис.4.107. На рис.4.108 приведена еквівалентна схема, що пояснює принцип дії п'ятирівневого БАІН [142]. При цьому напруга навантаження формується як різниця напруги джерела (4U) і конденсатора, який підключений послідовно з джерелом, або як напруга окремого конденсатора, залежно від того - заряджається конденсатор або розряджається. Напруги конденсаторів у гілках схеми (у відповідності з їх кількістю) складають 3U, 2U, 1U, відповідно, на навантаженні маємо 5 рівнів: U=0 (на рис.4.108 замкнуті ключі 2, 4, 6, 8), U (замкнуті ключі 1, 4, 6, 8), 2U (замкнуті ключі 1, 3, 6, 8), 3U (замкнуті ключі 1, 3, 5, 8), 4U (замкнуті ключі 1, 3, 5, 7). Дані комбінації замикання ключів відповідають заряджанню конденсаторів.

Для розряджання використовуються інші комбінації замикання ключів, наприклад, для конденсатора з напругою U замкнуті ключі 2,4,6,7.

Стабілізація напруги на конденсаторах досягається чергуванням циклів заряджання і розряджання, що передбачає, як мінімум, подвоєння частоти перемикання ключів при використовуванні ШІМ [103,132].

Схема також передбачає попереднє заряджання конденсаторів, що здійснюється через коло навантаження. Показники схеми такі ж, як і в БАІН з фіксуючими діодами. Кількість плаваючих конденсаторів [175] . Конденсатори комутують струм навантаження з частотою модуляції, що передбачає їх високі частотні характеристики.

Необхідність використання високовольтних конденсаторів, що працюють на високих частотах і більш складні принципи керування обмежують практичне використання розглянутого типу БАІН.