Přehled topologie a řídicích aplikací výkonových elektronických transformátorů středního a vysokého napětí III

3.3 Upnutá víceúrovňová topologie

Je znázorněna víceúrovňová topologie s neutrálním bodem (NPC). Kromě topologie NPC s diodovou svorkou zahrnují topologie NPC mimo jiné také typ s létajícím kondenzátorem a hybridní typ s svorkou. Vzhledem k velkému objemu kondenzátoru však topologie NPC stále většinou používají pro svorky pasivní nebo aktivní spínací zařízení. Vezměme si jako příklad víceúrovňovou topologii s diodovou svorkou. V topologii třífázového usměrňovacího stupně se každá fázová větev skládá z kaskádovitě zapojených spínacích tranzistorů a svorkových diod, zapojených paralelně k jedné vysokonapěťové stejnosměrné sběrnici. V literatuře byla navržena jednofázová topologie PET s usměrňovacím stupněm s použitím čtyřúrovňového diodově svorkového obvodu. Za jedinou vysokonapěťovou stejnosměrnou sběrnicí následují paralelní vstupní, sériové a výstupní DAB, jak je znázorněno. Tuto topologii lze rozšířit do třífázové struktury a počet napěťových úrovní lze měnit na základě úrovní výdržného napětí zařízení a úrovně napětí na straně vysokého napětí. Stejně jako topologie MMC lze i topologii NPC použít v izolačním stupni, kde se vysokonapěťová stejnosměrná sběrnice připojí k Izolační transformátor, jak je znázorněno. V literatuře byl na straně vysokého napětí rezonančního měniče LLC použit tříúrovňový diodově vázaný NPC měnič, což bylo ověřeno na prototypu 166 kW/2 kV ~ 400 V. V literatuře byl použit tříúrovňový diodově vázaný NPC obvod na třífázový DAB, čímž bylo dosaženo ideálních napěťových a proudových charakteristik DAB.

Pokud se jako usměrňovací stupeň použije topologie NPC, nevyžaduje izolované stejnosměrné sběrnice, což snižuje počet transformátorů izolačního stupně. Navíc v třífázových strukturách nedochází na sběrnici k dvojitému zvlnění napětí s linkovou frekvencí. Protože však topologie s upínacími prvky vyžaduje velký počet upínacích zařízení, jejich počet se zvyšuje s rostoucím počtem úrovní, což ztěžuje rozšíření úrovní a dosažení redundance. Z hlediska řízení se proudy tekoucí do každého kondenzátoru sběrnice měniče NPC liší, což vede k nerovnováze napětí na kondenzátorech. Pro topologie NPC nad třemi úrovněmi neexistuje efektivní algoritmus pro vyrovnávání napětí. Navíc nekonzistentní provozní doby spínačů uvnitř a vně ramen vedou k nerovnoměrnému ohřevu, což lze vyřešit pouze změnou celkové topologie obvodu.

Četné obtíže způsobené rozšiřováním úrovní znamenají, že topologie NPC lze aplikovat pouze na středních/vysokých napěťových úrovních prostřednictvím sériového zapojení součástek nebo použití vysokonapěťových SiC součástek. Avšak na nižších napěťových úrovních má tříúrovňový NPC ve srovnání s topologií s jedním H-můstkem pouze poloviční napěťovou odolnost a napěťové zatížení každého spínacího tranzistoru, přičemž produkuje více napěťových úrovní, což má za následek nižší požadavky na filtrování výstupu. Má značné aplikační výhody jako invertorový stupeň na straně nízkého napětí PET. Například v literatuře byl použit tříúrovňový diodově vázaný NPC jako invertorový stupeň PET k řízení třífázového motoru, přičemž bylo provedeno experimentální ověření a dosaženo dobrého výkonu pohonu motoru a šumu.