Ανασκόπηση στην Τοπολογία και τις Εφαρμογές Ελέγχου Μετασχηματιστών Ηλεκτρονικών Ισχύος Μέσης-Υψηλής Τάσης III

3.3 Τοπολογία πολλαπλών επιπέδων με συσφιγκτήρα

Παρουσιάζεται η πολυεπίπεδη τοπολογία Neutral Point Clamped (NPC). Εκτός από την τοπολογία NPC με δίοδο, οι τοπολογίες NPC περιλαμβάνουν επίσης τύπους flying capacitor και υβριδικού τύπου clamped, μεταξύ άλλων. Ωστόσο, λόγω του μεγάλου όγκου πυκνωτών, οι τοπολογίες NPC εξακολουθούν να χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον παθητικές ή ενεργές συσκευές μεταγωγής για τη σύσφιξη. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την πολυεπίπεδη τοπολογία με δίοδο, σε μια τοπολογία τριφασικού σταδίου ανορθωτή, κάθε σκέλος φάσης αποτελείται από διαδοχικά τρανζίστορ μεταγωγής και διόδους σύσφιξης, συνδεδεμένες παράλληλα σε έναν μόνο δίαυλο συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης. Η βιβλιογραφία προτείνει μια μονοφασική τοπολογία PET με ένα στάδιο ανορθωτή χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα τεσσάρων επιπέδων με δίοδο clamped. Ένας μόνο δίαυλος συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης ακολουθείται από DAB εισόδου-σειράς-εξόδου-παράλληλα, όπως φαίνεται. Αυτή η τοπολογία μπορεί να επεκταθεί σε μια τριφασική δομή και ο αριθμός των επιπέδων τάσης μπορεί να αλλάξει με βάση τα επίπεδα τάσης αντοχής της συσκευής και το επίπεδο τάσης στην πλευρά υψηλής τάσης. Όπως και η τοπολογία MMC, η τοπολογία NPC μπορεί επίσης να εφαρμοστεί στο στάδιο της απομόνωσης, συνδέοντας τον δίαυλο DC υψηλής τάσης με το Μετασχηματιστής απομόνωσης, όπως φαίνεται. Η βιβλιογραφία εφάρμοσε έναν τριεπίπεδο μετατροπέα NPC με δίοδο και σφιγκτήρα στην πλευρά υψηλής τάσης ενός συντονισμένου μετατροπέα LLC, επαληθεύοντάς τον σε ένα πρωτότυπο 166kW/2kV~400V. Η βιβλιογραφία εφάρμοσε ένα τριεπίπεδο κύκλωμα NPC με δίοδο και σφιγκτήρα σε ένα τριφασικό DAB, επιτυγχάνοντας ιδανικά χαρακτηριστικά τάσης και ρεύματος DAB.

Όταν η τοπολογία NPC χρησιμοποιείται ως στάδιο ανορθωτή, δεν απαιτεί απομονωμένους διαύλους DC, μειώνοντας τον αριθμό των μετασχηματιστών σταδίου απομόνωσης. Επιπλέον, σε τριφασικές δομές, δεν υπάρχει κυμάτωση τάσης διπλής συχνότητας γραμμής στον δίαυλο. Ωστόσο, επειδή η τοπολογία με σύσφιξη απαιτεί μεγάλο αριθμό συσκευών σύσφιξης, ο αριθμός των συσκευών σύσφιξης αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο αριθμός των επιπέδων, καθιστώντας δύσκολη την επέκταση των επιπέδων και την επίτευξη πλεονασμού. Όσον αφορά τον έλεγχο, τα ρεύματα που ρέουν σε κάθε πυκνωτή διαύλου του μετατροπέα NPC είναι διαφορετικά, οδηγώντας σε ανισορροπία τάσης πυκνωτή. Για τοπολογίες NPC πάνω από τρία επίπεδα, δεν υπάρχει αποτελεσματικός αλγόριθμος εξισορρόπησης τάσης. Επιπλέον, οι ασυνεπείς χρόνοι λειτουργίας των διακοπτών εντός και εκτός των βραχιόνων οδηγούν σε ανομοιόμορφη θέρμανση, η οποία μπορεί να λυθεί μόνο με την αλλαγή της συνολικής τοπολογίας του κυκλώματος.

Οι πολυάριθμες δυσκολίες που προκαλούνται από την επέκταση επιπέδου σημαίνουν ότι οι τοπολογίες NPC μπορούν να εφαρμοστούν μόνο σε μεσαία/υψηλά επίπεδα τάσης μέσω σειριακής σύνδεσης συσκευών ή της χρήσης συσκευών SiC υψηλής τάσης. Ωστόσο, σε χαμηλότερα επίπεδα τάσης, σε σύγκριση με μια τοπολογία μίας γέφυρας H, ένα NPC τριών επιπέδων έχει μόνο τη μισή αντοχή τάσης και τάση τάσης σε κάθε τρανζίστορ μεταγωγής, ενώ παράγει περισσότερα επίπεδα τάσης, με αποτέλεσμα χαμηλότερες απαιτήσεις φιλτραρίσματος εξόδου. Έχει σημαντικά πλεονεκτήματα εφαρμογής ως στάδιο αντιστροφέα στην πλευρά χαμηλής τάσης ενός PET. Για παράδειγμα, η βιβλιογραφία χρησιμοποίησε ένα NPC τριών επιπέδων με σύσφιξη διόδου ως στάδιο αντιστροφέα ενός PET για την κίνηση ενός τριφασικού κινητήρα, διεξάγοντας πειραματική επαλήθευση και επιτυγχάνοντας καλή απόδοση οδήγησης κινητήρα και απόδοση θορύβου.