Prehľad topológie a aplikácií riadenia výkonových elektronických transformátorov stredného a vysokého napätia III

3.3 Upnutá viacúrovňová topológia

Je znázornená viacúrovňová topológia s neutrálnym bodom upnutia (NPC). Okrem topológie NPC s diódovou upnutosťou zahŕňajú topológie NPC okrem iného aj typ s lietajúcim kondenzátorom a hybridný typ s upnutosťou. Avšak kvôli veľkému objemu kondenzátora topológie NPC stále väčšinou používajú na upnutie pasívne alebo aktívne spínacie zariadenia. Ak vezmeme ako príklad viacúrovňovú topológiu s diódovou upnutosťou, v topológii trojfázového usmerňovacieho stupňa každá fázová vetva pozostáva z kaskádovito zapojených spínacích tranzistorov a upínacích diód, ktoré sú paralelne zapojené k jednej vysokonapäťovej jednosmernej zbernici. V literatúre sa navrhuje jednofázová topológia PET s usmerňovacím stupňom s použitím štvorúrovňového obvodu s diódovou upnutosťou. Za jednou vysokonapäťovou jednosmernou zbernicou nasledujú paralelné vstupno-sériové-výstupné DAB, ako je znázornené. Túto topológiu je možné rozšíriť do trojfázovej štruktúry a počet napäťových úrovní je možné meniť na základe úrovní výdržného napätia zariadenia a úrovne napätia na strane vysokého napätia. Podobne ako topológia MMC, aj topológia NPC sa môže použiť v izolačnom stupni, pričom sa vysokonapäťová jednosmerná zbernica pripojí k Izolačný transformátor, ako je znázornené. V literatúre bol na strane vysokého napätia rezonančného meniča LLC použitý trojúrovňový diódovo viazaný NPC menič, čo bolo overené na prototype 166 kW/2 kV ~ 400 V. V literatúre bol použitý trojúrovňový diódovo viazaný NPC obvod na trojfázový DAB, čím sa dosiahli ideálne napäťové a prúdové charakteristiky DAB.

Keď sa ako usmerňovací stupeň použije topológia NPC, nevyžaduje izolované jednosmerné zbernice, čím sa znižuje počet transformátorov izolačného stupňa. Okrem toho v trojfázových štruktúrach nedochádza na zbernici k dvojitému zvlneniu napätia s frekvenciou linky. Keďže však topológia s upnutými obvodmi vyžaduje veľký počet upínacích zariadení, ich počet sa zvyšuje so zvyšujúcim sa počtom úrovní, čo sťažuje rozšírenie úrovní a dosiahnutie redundancie. Z hľadiska riadenia sú prúdy pretekajúce do každého kondenzátora zbernice meniča NPC odlišné, čo vedie k nerovnováhe napätia na kondenzátoroch. Pre topológie NPC nad tromi úrovňami neexistuje účinný algoritmus vyvažovania napätia. Okrem toho, nekonzistentné prevádzkové časy spínačov vo vnútri a mimo ramien vedú k nerovnomernému ohrevu, čo sa dá vyriešiť iba zmenou celkovej topológie obvodu.

Početné ťažkosti spôsobené rozširovaním úrovní znamenajú, že topológie NPC je možné aplikovať iba na stredných/vysokých napäťových úrovniach prostredníctvom sériového zapojenia zariadení alebo použitia vysokonapäťových SiC zariadení. Avšak pri nižších napäťových úrovniach, v porovnaní s topológiou s jedným H-mostíkom, má trojúrovňový NPC iba polovičnú napäťovú odolnosť a napäťové namáhanie na každom spínacom tranzistore, pričom produkuje viac napäťových úrovní, čo vedie k nižším požiadavkám na filtrovanie výstupu. Má značné aplikačné výhody ako invertorový stupeň na strane nízkeho napätia PET. Napríklad v literatúre sa ako invertorový stupeň PET na riadenie trojfázového motora používal trojúrovňový diódou viazaný NPC, pričom sa vykonalo experimentálne overenie a dosiahol sa dobrý výkon pohonu motora a hlučnosť.