Przegląd topologii i zastosowań sterowania transformatorami elektronicznymi średniego i wysokiego napięcia III

3.3 Topologia wielopoziomowa z ograniczeniami

Przedstawiono wielopoziomową topologię z zaciskiem punktu neutralnego (NPC). Oprócz topologii NPC z zaciskiem diodowym, topologie NPC obejmują między innymi typ z kondensatorem latającym i hybrydowy typ z zaciskiem. Jednak ze względu na dużą objętość kondensatora, topologie NPC nadal najczęściej wykorzystują pasywne lub aktywne urządzenia przełączające do zaciskania. Biorąc za przykład wielopoziomową topologię z zaciskiem diodowym, w topologii trójfazowego stopnia prostownika każda odnoga fazy składa się z kaskadowo połączonych tranzystorów przełączających i diod zaciskających, połączonych równolegle do pojedynczej wysokonapięciowej szyny DC. Literatura zaproponowała jednofazową topologię PET ze stopniem prostownika wykorzystującym czteropoziomowy obwód z zaciskiem diodowym. Po pojedynczej wysokonapięciowej szynie DC następują wejścia-szeregowo-wyjściowo-równoległe DAB, jak pokazano. Tę topologię można rozszerzyć do struktury trójfazowej, a liczbę poziomów napięcia można zmieniać w zależności od poziomów napięcia wytrzymywanego urządzenia i poziomu napięcia po stronie wysokiego napięcia. Podobnie jak topologia MMC, topologię NPC można również stosować w etapie izolacji, łącząc szynę prądu stałego wysokiego napięcia z Transformator izolacyjny, jak pokazano. W literaturze zastosowano trójstopniowy konwerter NPC z zaciskiem diodowym po stronie wysokiego napięcia rezonansowego konwertera LLC, weryfikując go na prototypie o mocy 166 kW/2 kV~400 V. W literaturze zastosowano trójstopniowy obwód NPC z zaciskiem diodowym do trójfazowego generatora DAB, uzyskując idealne charakterystyki napięcia i prądu DAB.

Topologia NPC stosowana jako stopień prostownika nie wymaga izolowanych szyn prądu stałego, co zmniejsza liczbę transformatorów stopnia izolacyjnego. Ponadto w strukturach trójfazowych nie występują tętnienia napięcia o podwójnej częstotliwości na szynie. Jednakże, ponieważ topologia z zaciskiem wymaga dużej liczby urządzeń zaciskowych, liczba urządzeń zaciskowych wzrasta wraz ze wzrostem liczby poziomów, co utrudnia rozbudowę poziomów i utrudnia osiągnięcie redundancji. Z punktu widzenia sterowania, prądy płynące do każdego kondensatora szyny przetwornicy NPC są różne, co prowadzi do nierównowagi napięć kondensatorów. W przypadku topologii NPC powyżej trzech poziomów nie ma skutecznego algorytmu równoważenia napięcia. Ponadto, niespójne czasy działania przełączników wewnątrz i na zewnątrz ramion prowadzą do nierównomiernego nagrzewania, co można rozwiązać jedynie poprzez zmianę ogólnej topologii obwodu.

Liczne trudności związane z rozbudową poziomów oznaczają, że topologie NPC mogą być stosowane jedynie na średnich i wysokich poziomach napięcia poprzez szeregowe połączenia urządzeń lub wykorzystanie wysokonapięciowych elementów SiC. Jednak przy niższych poziomach napięcia, w porównaniu z topologią pojedynczego mostka H, ​​trójpoziomowa NPC ma jedynie połowę wytrzymałości napięciowej i obciążenia napięciowego na każdym tranzystorze przełączającym, jednocześnie generując więcej poziomów napięcia, co przekłada się na niższe wymagania dotyczące filtrowania wyjściowego. Ma ona znaczące zalety aplikacyjne jako stopień inwertera po stronie niskiego napięcia układu PET. Na przykład, w literaturze wykorzystano trójpoziomową NPC z zaciskiem diodowym jako stopień inwertera układu PET do sterowania silnikiem trójfazowym, przeprowadzając weryfikację eksperymentalną i uzyskując dobrą wydajność sterowania silnikiem i niski poziom szumów.