Cấu trúc nghịch lưu đa bậc dạng Cascade xuất hiện lần đầu vào năm 1975, sử
dụng nguồn DC riêng, gồm nhiều bộ nghịch lưu cầu một pha mắc nối tiếp.
Cascade multilevel inverter gồm nhiều cầu nghịch lưu đầy đủ một pha nối tiếp nhau, và mỗi cầu nghịch lưu này sử dụng một nguồn áp DC độc lập. Thông thường nguồn DC này được lấy từ máy biến áp có nhiều cuộn dây thứ cấp độc lập, hoặc từ nhiều biến áp riêng biệt.Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp sử dụng trong trường hợp nguồn DC có sẵn ví dụ dưới dạng ắc quy, battery.
Hình 2.11. Nghịch lưu đa bậc dạng Cascade a b c + + + + + + - - - - - - C1 C1 C1 C1 C1 C1
26
Hình 2.12. Nghịch lưu 5 bậc dạng Cascade
Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, 3 mức điện áp (-U, 0, U) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên n khả năng mức điện áp theo chiều âm (-U, -2U, - 3U, ..., -nU), n khả năng mức điện áp theo chiều dương (U, 2U, 3U, ..., nU) và mức
điện áp 0. Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc. Tần sốđóng ngắt trong mỗi modul của dạng mạch này có thể giảm đi n lần và dv/dt cũng giảm đi như vậy.Điện áp trên áp đặt lên các linh kiện giảm đi 0,57n lần.Cho phép sử dụng linh kiện IGBT
điện áp thấp.
Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch nghịch lưu đa bậc Cascade còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp 3 pha (hình 2.13). Cấu trúc này cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3. Mạch cho phép sử
dụng các cấu hình nghịch lưu áp ba pha chuẩn. Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module. Tuy nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra.
+- - + Va0 Vdc Vdc
27
Hình 2.13. Nghịch lưu đa bậc Cascade dạng ghép các bộ nghịch lưu áp 3 pha
Các đặc điểm của bộ nghịch lưu đa bậc dạng cascaded inverter:
- Dạng bộ nghịch lưu này là không cần thêm điốt hay tụđiện như bộ nghịch lưu
đa bậc dạng Diode_clamped, tuy nhiên số bậc điện áp ngõ ra cũng tương tự.
- Số bậc điện áp có thể tăng lên dễ dàng bằng cách mắc nối tiếp thêm cầu nghịch lưu vào.
- Bộ nghịch lưu dạng cascade lại cần nhiều nguồn DC độc lập trên mỗi bộ
nghịch lưu, trong khi dạng Diode_clamped thì có thể chỉ cần một nguồn DC.
- Để cân bằng công suất cho các nguồn DC thì có thể tuần hoàn sử dụng các nguồn DC trong chu kỳ. Việc này làm cho tần số đóng cắt các linh kiện bán dẫn trong sơđồ cũng cân bằng.