شکل۲-۱:شکل تک قطبی اینورتر چند سطحی با بهره گرفتن از سوئیچ
همانطور که از شکل فوق نیز کاملاً مشخص است منبع تغذیه dc ورودی در میان خازنهای مختلف که البته می‌تواند مقادیر مساوی یا متفاوتی را داشته باشد تقسیم شده است. برای مثال بگذارید ولتاژ ورودی را kv1 فرض کنیم پس برای تعداد خازنی معادل چهار عدد , روی هرکدام از آنها ۲۵۰v خواهد بود. این نکته مطلب جالب دیگری را به ما نشان می‌دهد و آن این موضوع است که این تقسیم ولتاژ باعث می‌شود تا پله‌ای با ولتاژ کمتری داشته باشیم یعنی کلیدهای الکترونیک قدرت تنش کمتری را تحمل می‌کنند و این یک مزیت دیگر در اینورترهای چندسطحی است. حال می‌توان با انتخاب سوئیچ هرکدام از سطوح موردنظر را به ترتیب انتخاب کنیم یعنی می‌توان در خروجی ولتاژهایی چون۰v ـ ۲۵۰v،۵۰۰v و ۷۵۰v و kv1 را داشته و در مسیر برگشت نیز عکس آن ایجاد کنیم.

پس می‌بینیم که این باعث شد که سیکل ولتاژی بهتری با کیفیت بالاتر یعنی نزدیک‌تر به حالت سینوسی ایجاد شود هرچه تعداد این حالات بیشتر باشد خروجی به حالت سینوسی نزدیک‌تر است. شکل زیر مبین این موضوع می‌باشد در ضمن می‌توان حالتهای مختلف را برای یک اینورتر چندسطحی مشاهده نمود. توجه کنیم که با تغییر زمان وصل بودن سوئیچ به هر وضعیت می‌توان فرکانس خروجی را تغییر داد.
شکل۲-۲: شکل موج خروجی بصورت پله ای
اینورترهای چندسطحی می‌تواند بصورت سه فاز نیز استفاده شود ساختار کلی آن را در شکل زیر مشاهده می‌کنیم.
شکل ۲-۳:شماتیک کلی اینورترهای چند سطحی بصورت سه فاز
۲-۲)رویکرد پیکربندی‌های اینورترهای چندسطحی
ساختارهای اینورترهای سه فاز و تک‌فاز بصورت اینورترهای چندسطحی می‌تواند با توجه به خواسته‌های ما و نیز نوع کاربرد آن‌ها متفاوت باشد و ما می‌توانیم پیکربندی‌های متفاوت را با توجه به این خواسته‌ها طراحی کنیم اما همانطور که می‌دانیم در طراحی‌ها یک سری فاکتورهای خاص وجود دارد که عموماً می‌باید رعایت شود از جمله آنها در تمامی پیکربندی‌های موجود رسیدن به حداقل هزینه در طراحی است که این باعث این مطلب است که ما می‌باید تا جای ممکن از حداقل ابزارهای سوئیچینگ استفاده کنیم. و همچنین همانطور که صحبت شد ما توسط اینورترهای چندسطحی می‌توانیم ولتاژهای بالا را ایجاد کنیم و یا اینکه ولتاژهای بالا را توسط تقسیمات خاص مورد استفاده قرار دهیم. پس می‌باید در طراحی نیز این موضوع یعنی قابلیت تحمل ولتاژهای ورودی بالا خصوصاً برای کاربردهای HVDC مورد توجه قرار گیرد. و نیز در نهایت می‌باید ابزارهای سوئیچینگ را طوری طراحی کنیم که کمترین تلفات را ایجاد نماید همانطور که می‌دانیم فرکانس قطع و وصل سوئیچ با میزان تلفات آن رابطه مستقیم دارد از این ‌رو می‌باید در طراحی‌ها هر کلید با کمترین فرکانس قطع و وصل ممکن مواجه باشد تا بتوان راندمان بهتری داشته باشیم.
این مطلب باعث می‌شود تا طرح‌های مختلف بتوانند در قیاس با یکدیگر مطرح شوند. در ادامه چندین پیکربندی اصلی و معروف را مورد بررسی قرار می‌دهیم و مزایا و معایب هرکدام را نیز بر خواهیم شمرد. اما در حالت کلی و بدون درنظر گرفتن تفاوت میان پیکربندی‌های مختلف اینورترهای چندسطحی این ساختار باعث شد تا ما بتوانیم ولتاژ خروجی را با نهایت کمترین اعوجاج و dv/dt تولید کنیم و همچنین با انتخاب فرکانس مناسب سوئیچینگ راندمان را به بیشتر از %۹۸ نزدیک کنیم. و تنشهای متداول را بر روی کلیدهای قدرت کم کرده و آنها را برای استفاده در توانهای متوسط و بالا مناسب سازیم. اما همانطور که تاکنون نیز فهمیده‌ایم این روش به سبب اینکه می‌توانست از منابع تغذیه dc متفاوت برای ولتاژ dc ورودی استفاده نماید فصل مشترک مناسب و خوبی برای کاربرد انرژی ‌های نو و پیل‌های سوختی و فتوالکتریک و… است که در ادامه این موضوع بهتر بررسی خواهد شد. ساختار ابتدایی اینورترهای چندسطحی از شش سوئیچ برای سه فاز ساخته می شود که یک ولتاژ خروجی سینوسی را از چندین سطح ولتاژ بدست می آورد . همه ی اینورترهایی که در زیر بیان خواهند شد در یک چیز مشترک هستند و آن این است که نیاز به فیلتر خروجی کمتر می شود.
در اینجا اینورتر های چند سطحی زیر را معرفی می کنیم:

1. 1. Diode –Clamped Multilevel Inverter (DCMI)

1. 1. Flying –Capacitor Multilevel Inverter (FCMI)

1. 1. Cascaded –Inverters with Separated DC Sources

۲-۳)پیکربندی‌های مختلف اینورترهای چندسطحی
۲-۳-۱) Diode clamped multi level inverter (DCMLI)
یکی دیگر از پیکربندی‌های متداول در اینورترهای چندسطحی پیکربندی (DCMLI) می‌باشد و بطورکلی یک اینورتر diode clamped که دارای m سطح در هر فاز خروجی باشد دارای m-1 خازن خواهد بود. در این ساختار نیز از کلیدهای مکمل (complimentary) استفاده شده است. پیکربندی آن برای یک اینورتر سه سطحی خط به نول در شکل زیر نشان داده شده است. از دیودهای کلمپ در این ساختار برای نگه داشتن ولتاژ در یک سطح استفاده شده است.
شکل۲-۴:dcmliسه سطحی
برای یک اینورتر فاز از نوع dcmli که در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل۲-۵:اینورتر تک فاز از dcmli
خروجی زیر بدست خواهد آمد.
با کمی توجه به مدار و با قطع و وصل کردن کلیدهای قدرت به صورتهای مختلف می‌توان در خروجی مقادیر مناسب را تولید نمود. البته توجه داریم که در این ساختار نیز همانگونه که گفته شد از کلیدهای مکمل استفاده شده است.
جدول زیر نحوه قطع و وصل شدن کلیدها را برای بدست آوردن خروجی مناسب نشان می‌دهد.
جدول۲-۱:حالات مختلف کلیدها برای خروجی های متفاوت
با کمی توجه خواهیم فهمید که روند کلی جدول نیز همانند شکل موج طراحی شده و برای بدست آوردن وضعیت در خروجی تنها و تنها یک حالت کلی برای کلیدها وجود دارد و این یکی از نکات قابل توجه و اساسی در این نوع پیکربندی است. این نوع پیکربندی نیز با توجه به کاربردهای آن می‌تواند در حالتهای تک فاز و سه فاز مطرح شود. و همانند دیگر ساختارها نیز افزایش تعداد سطوح خروجی با کیفیت ولتاژ خروجی رابطه مستقیم دارد. در زیر یک اینورتر چندسطحی سه فاز با پیکربندی dcmli نشان داده شده است.
شکل ۲-۶ : اینورترdcmliشش سطحی سه فاز
در این میان لازم به ذکر است که این نوع پیکربندی زیرمجموعه‌هایی را نیز در خود جای داده است که در حقیقت همگی از آنچه که در بالا بحث شد منتج شده است و در واقع بهینه شده این نوع پیکربندی برای استفاده در ساختارهای متفاوت است و ما تنها به نمایش این نوع پیکربندی‌ها در کنار پیکربندی اصلی می‌پردازیم.
شکل ۲-۷:ساختارهای دیگر dcmli
این نوع پیکربندی نیز در صورت افزایش مناسب سطوح در خروجی می‌تواند خروجی با کیفیت بالاتر به ما بدهد و ما را از وجود فیلتر بی‌نیاز نماید. و نیز همچنین با بهره گرفتن از این نوع پیکربندی در سوئیچ با فرکانسهای طبیعی می‌توان راندمان بالایی را بدست آورد. این ساختار با توجه به ویژگی‌های خود در کنترل توان راکتیو مورد استفاده قرار می‌گیرد و سیستم کنترلی نسبتاً ساده آن از جمله مزایای استفاده از این نوع پیکربندی خواهد بود اما با توجه به افزایش تعداد دیودهای کلمپ در اثر افزایش سطح در برخی کاربردها این نوع پیکربندی را مشکل می‌سازد و عدم کنترل دقیق بر توان اکتیو در حالت مبدل‌های تکی از مشکلاتی است که با این نوع پیکربندی با آن مواجه خواهیم شد.
Flying – Capacitor Multilevel Inverter (FCMI)2-3-2).
یکی دیگر از پیکربندی‌های معمول و متداول در اینورترهای چندسطحی flying capacitor یا capacitor clamped می‌باشد همانطور که از نام آن نیز بر می‌آید در این نوع پیکربندی بجای دیودهای کلمپ از خازنی استفاده شده است که این امر موجبات مزایا و معایبی و در نتیجه کاربردهایی را برای این نوع پیکربندی فراهم کرده است. در این نوع پیکربندی نیز تعداد سطوح در حقیقت تعداد خازنهای مقسم ولتاژ به اضافه یک خواهد بود.
در این ساختار در واقع خازنهای کلمپ کار با بالانسینگ ولتاژ را انجام می‌دهند. در زیر شکل یک اینورتر سه سطحی و ۵ سطحی تک فاز را مشاهده می‌کنیم. همانطور که می‌بینیم تعداد خازنهای کلمپ مورد نیاز با افزایش تعداد سطوح افزایش می‌یابد و می‌توان تعداد خازنهای کلمپ مورد نیاز را برای هر فاز توسط (m-1) (m-2)/2 معرفی نمود.
شکل ۲-۸:اینورترهای capacitor clamped
شکل زیر یک اینورتر تک فاز سه سطحی را با بهره گرفتن از سوئیچ‌های قدرت نشان می‌دهد.
شکل۲-۹:اینورتر capacitor clamped سه سطحی
و جدول زیر حالتهای مختلف کلیدها را برای رسیدن به یک وضعیت مطلوب در خروجی نمایش خواهد داد.
جدول ۲-۲:حالتهای مختلف کلید ها برای capacitor clampedسه سطحی
شاید بهتر باشد قدری به جدول فوق دقت کنیم نکته قابل توجه در آن این است که ما برای بدست آوردن مقادیر ولتاژ مشخص در خروجی می‌توانیم حالتهای مختلفی از کلیدها را داشته باشیم اجازه دهید جدول مربوط به یک اینورتر ۶ سطحی از این نوع را نمایش دهیم تا این مطلب گویاتر شود.
جدول۲-۳:حالتهای کلید زنی برای capacitor clamped شش سطحی
همانطور که مشاهده می‌کنیم برای بدست آوردن ولتاژ مشخص در خروجی برخلاف پیکربندی diode clamped یک و تنها یک حالت برای کلیدها وجود ندارد بلکه ما می‌توانیم حالتهای مختلفی را اختیار کنیم (switch redundancy) و این می‌تواند یک مزیت این نوع پیکربندی به شمار آید. چرا که می‌توان با انتخاب مناسب حالات برای تغییر وضعیت از یک وضعیت خروجی به وضعیت دیگر (از یک پله به پله دیگر) کمترین سوییچ‌زنی را بدست آورده و در نتیجه راندمان را بالا بریم.
و این نکته و همچنین اینکه توان اکتیو و راکتیو در این نوع پیکربندی قابل کنترل است از مزایای مهم این نوع پیکربندی به شمار می‌آید، اما با توجه به آنچه که به وضوح مشخص شد افزایش تعداد سطوح رابطه مستقیم با کیفیت شکل موج خروجی و همچنین رابطه‌ای با توان دوم با تعداد خازنهای کلمپ مورد نیاز دارد از این رو افزایش تعداد خازنها برای بسته‌بندی مدار و همچنین سیستم کنترلی آن می‌تواند مشکل‌ساز شود.
Cascaded –Inverters with Separated DC Sources2-3-3)-
یکی از پیکربندی‌های اساسی و معروف در اینورترهای چندسطحی ساختار آبشاری (cascade) می‌باشد که با توجه به نوع عملکرد آن کاربردهای خاصی را به خود اختصاص داده است این ساختار در حقیقت متشکل از سلولها یا واحدهایی است که بصورت آبشاری پشت سرهم قرار گرفته‌اند و بصورت مجموعه‌ای باعث ایجاد یک اینورتر چندسطحی با خواص خاص خود شده‌اند. همانطور که مطرح شده این ساختار متشکل از واحدهایی است که ابتدا ما سعی در معرفی آن خواهیم داشت این سلولها که بعنوان اجزای کوچک این نوع پیکربندی معرفی می‌شوند در شکل زیر نمایش داده شده است.
شکل۲-۱۰:یک سلول اینورتر چند سطحی cascade
همانطور که در شکل نیز مشخص است این سلول متشکل از عناصر سوئیچ قدرت و همچنین منبع تغذیه dc می‌باشد که می‌تواند سطوح مختلف ولتاژی را در خروجی با توجه به ترکیب همزمانی چهار کلید استفاده شده در آن بوجود آورد.