Gjennomgang av topologi og kontrollapplikasjoner for elektroniske krafttransformatorer med mellom- og høy spenning III

3.3 Klemmet flernivåtopologi

Flernivåtopologien med nøytralpunktklemme (NPC) vises. I tillegg til den diodeklemmede NPC-topologien inkluderer NPC-topologier også flyvende kondensatortyper og hybridklemmede typer, blant andre. På grunn av det store kondensatorvolumet bruker NPC-topologier imidlertid fortsatt stort sett passive eller aktive svitsjeenheter for klemming. Hvis vi tar den diodeklemmede flernivåtopologien som et eksempel, består hvert faseben i en trefase likerettertrinnstopologi av kaskadekoblede svitsjetransistorer og klemdioder, koblet parallelt til en enkelt høyspennings-DC-buss. Litteraturen foreslo en enfaset PET-topologi med et likerettertrinn som bruker en fire-nivås diodeklemmet krets. En enkelt høyspennings-DC-buss etterfølges av inngangs-serie-utgang-parallelle DAB-er, som vist. Denne topologien kan utvides til en trefasestruktur, og antall spenningsnivåer kan endres basert på enhetens tålespenningsnivåer og høyspenningssidens spenningsnivå. I likhet med MMC-topologien kan NPC-topologien også brukes i isolasjonstrinnet, ved å koble høyspennings-DC-bussen til Isolasjonstransformator, som vist. Litteraturen anvendte en tre-nivå diodefestet NPC-omformer på høyspenningssiden av en LLC-resonansomformer, og verifiserte den på en 166 kW/2 kV ~ 400 V prototype. Litteraturen anvendte en tre-nivå diodefestet NPC-krets på en trefase DAB, og oppnådde ideelle DAB-spennings- og strømkarakteristikker.

Når NPC-topologien brukes som likerettertrinn, kreves det ikke isolerte likestrømsbusser, noe som reduserer antallet isolasjonstransformatorer. Videre er det i trefasestrukturer ingen dobbel linjefrekvensspenningsrippel på bussen. Men fordi den klemte topologien krever et stort antall klemmeenheter, øker antallet klemmeenheter etter hvert som antallet nivåer øker, noe som gjør nivåutvidelse vanskelig og redundans vanskelig å oppnå. Når det gjelder kontroll, er strømmene som flyter inn i hver busskondensator i NPC-omformeren forskjellige, noe som fører til ubalanse i kondensatorspenningen. For NPC-topologier over tre nivåer finnes det ingen effektiv spenningsbalanseringsalgoritme. I tillegg fører inkonsistente driftstider for brytere i og utenfor armene til ujevn oppvarming, noe som bare kan løses ved å endre den generelle kretstopologien.

De mange vanskelighetene forårsaket av nivåutvidelse betyr at NPC-topologier bare kan brukes på mellom-/høyspenningsnivåer gjennom seriekobling av enheter eller bruk av høyspennings-SiC-enheter. Ved lavere spenningsnivåer, sammenlignet med en enkelt H-bro-topologi, har imidlertid en tre-nivås NPC bare halvparten så mye spenningsmotstand og spenningsbelastning på hver svitsjetransistor, samtidig som den sender ut flere spenningsnivåer, noe som resulterer i lavere krav til utgangsfiltrering. Den har betydelige anvendelsesfordeler som invertertrinn på lavspenningssiden av en PET. For eksempel brukte litteraturen en tre-nivås diodeklemmet NPC som invertertrinn i en PET for å drive en trefasemotor, utføre eksperimentell verifisering og oppnå god motordriftsytelse og støyytelse.