Огляд топології та застосувань керування силовими електронними трансформаторами середньої та високої напруги III

3.3 Затиснута багаторівнева топологія

Показано багаторівневу топологію із затиснутою нейтральною точкою (NPC). Окрім топології NPC із затиснутими діодами, топології NPC також включають тип із літаючим конденсатором та гібридний тип із затиснутими діодами, серед інших. Однак, через великий об'єм конденсатора, топології NPC все ще здебільшого використовують пасивні або активні комутаційні пристрої для затиснення. Взявши за приклад багаторівневу топологію із затиснутими діодами, у топології трифазного випрямного каскаду кожна фазна гілка складається з каскадних комутаційних транзисторів та затискачів діодів, підключених паралельно до однієї високовольтної шини постійного струму. У літературі запропоновано однофазну топологію PET з випрямним каскадом, що використовує чотирирівневу схему із затиснутими діодами. За однією високовольтною шиною постійного струму йдуть паралельно з'єднані вхідні-послідовні-вихідні DAB, як показано. Цю топологію можна розширити до трифазної структури, а кількість рівнів напруги можна змінювати на основі рівнів витримуваної напруги пристрою та рівня напруги на стороні високої напруги. Як і топологію MMC, топологію NPC також можна застосовувати в каскаді ізоляції, підключаючи високовольтну шину постійного струму до Ізоляційний трансформатор, як показано. У літературі застосовано трирівневий діодно-фіксований NPC-перетворювач на стороні високої напруги резонансного LLC-перетворювача, перевіривши його на прототипі 166 кВт/2 кВ ~ 400 В. У літературі застосовано трирівневу діодно-фіксовану NPC-схему до трифазного DAB, що дозволило досягти ідеальних характеристик напруги та струму DAB.

Коли топологія NPC використовується як випрямний каскад, вона не вимагає ізольованих шин постійного струму, що зменшує кількість трансформаторів ізоляційного каскаду. Крім того, у трифазних структурах на шині немає пульсацій напруги подвійної лінійної частоти. Однак, оскільки топологія з затиснутими елементами вимагає великої кількості затискних пристроїв, їх кількість збільшується зі збільшенням кількості рівнів, що ускладнює розширення рівнів та досягнення резервування. З точки зору керування, струми, що протікають через кожен конденсатор шини перетворювача NPC, різні, що призводить до дисбалансу напруги на конденсаторах. Для топологій NPC вище трьох рівнів немає ефективного алгоритму балансування напруги. Крім того, нерівномірний час роботи перемикачів всередині та зовні плечей призводить до нерівномірного нагрівання, що можна вирішити лише шляхом зміни загальної топології схеми.

Численні труднощі, спричинені розширенням рівнів, означають, що топології NPC можуть застосовуватися лише на рівнях середньої/високої напруги шляхом послідовного з'єднання пристроїв або використання високовольтних SiC-приладів. Однак, на нижчих рівнях напруги, порівняно з топологією одного H-моста, трирівневий NPC має лише вдвічі меншу витримувану напругу та напружене навантаження на кожен комутаційний транзистор, водночас видаючи більше рівнів напруги, що призводить до нижчих вимог до фільтрації виходу. Він має значні переваги застосування як інверторний каскад на низьковольтній стороні PET. Наприклад, у літературі трирівневий NPC з діодним затискачем використовувався як інверторний каскад PET для керування трифазним двигуном, що дозволило провести експериментальну перевірку та досягти хороших характеристик керування двигуном та шумових характеристик.