Översikt över topologi och styrtillämpningar för elektroniska krafttransformatorer för medelhög och hög spänning III

3.3 Klämd flernivåtopologi

Flernivåtopologin Neutral Point Clamped (NPC) visas. Förutom den diodklämda NPC-topologin inkluderar NPC-topologier även flygande kondensatortyp och hybridklämd typ, bland andra. På grund av den stora kondensatorvolymen använder NPC-topologier dock fortfarande mestadels passiva eller aktiva omkopplare för klämning. Med den diodklämda flernivåtopologin som exempel består varje fasben i en trefaslikriktarstegstopologi av kaskadkopplade omkopplartransistorer och klämdioder, parallellt anslutna till en enda högspännings-DC-buss. Litteraturen föreslog en enfas PET-topologi med ett likriktarsteg som använder en fyrnivås diodklämd krets. En enda högspännings-DC-buss följs av ingångs-serie-utgångs-parallella DAB:er, som visas. Denna topologi kan utökas till en trefasstruktur, och antalet spänningsnivåer kan ändras baserat på enhetens spänningsnivåer och högspänningssidans spänningsnivå. Liksom MMC-topologin kan NPC-topologin även tillämpas i isoleringssteget, där högspännings-DC-bussen ansluts till Isoleringstransformator, som visas. Litteraturen tillämpade en trenivås diodklämd NPC-omvandlare på högspänningssidan av en LLC-resonansomvandlare och verifierade den på en 166 kW/2 kV ~ 400 V prototyp. Litteraturen tillämpade en trenivås diodklämd NPC-krets på en trefas DAB, vilket uppnådde ideala DAB-spännings- och strömegenskaper.

När NPC-topologin används som likriktarsteg kräver den inte isolerade likströmsbussar, vilket minskar antalet transformatorer i isolationssteg. Dessutom finns det i trefasstrukturer ingen dubbelfrekvensspänningsrippel på bussen. Eftersom den fastspänningsbaserade topologin kräver ett stort antal klämanordningar ökar antalet klämanordningar med antalet nivåer, vilket gör nivåutvidgning svår och redundans svår att uppnå. När det gäller styrning är strömmarna som flyter in i varje busskondensator i NPC-omvandlaren olika, vilket leder till obalans i kondensatorspänningen. För NPC-topologier över tre nivåer finns det ingen effektiv spänningsbalanseringsalgoritm. Dessutom leder inkonsekventa driftstider för omkopplare inom och utanför armarna till ojämn uppvärmning, vilket bara kan lösas genom att ändra den övergripande kretstopologin.

De många svårigheter som orsakas av nivåutvidgning innebär att NPC-topologier endast kan tillämpas på medelhöga/höga spänningsnivåer genom seriekoppling av enheter eller användning av högspännings-SiC-komponenter. Vid lägre spänningsnivåer, jämfört med en enda H-bryggtopologi, har dock en trenivå-NPC bara hälften så mycket spänningstålighet och spänningsbelastning på varje omkopplingstransistor, samtidigt som den matar ut fler spänningsnivåer, vilket resulterar i lägre krav på utgångsfiltrering. Den har betydande tillämpningsfördelar som växelriktarsteg på lågspänningssidan av en PET. Till exempel använde litteraturen en trenivå-diodklämd NPC som växelriktarsteg i en PET för att driva en trefasmotor, utföra experimentell verifiering och uppnå god motorprestanda och brusprestanda.