Pregled topologije in krmilnih aplikacij srednje-visokonapetostnih močnostnih elektronskih transformatorjev III

3.3 Vpeta večnivojska topologija

Prikazana je večnivojska topologija z vpeto nevtralno točko (NPC). Poleg topologije NPC z vpeto diodo vključujejo topologije NPC tudi tip s letečim kondenzatorjem in hibridni tip s vpeto, med drugim. Vendar pa zaradi velike prostornine kondenzatorjev topologije NPC še vedno večinoma uporabljajo pasivne ali aktivne stikalne naprave za vpetje. Če za primer vzamemo večnivojsko topologijo z vpeto diodo, v topologiji trifazne usmerniške stopnje vsaka fazna veja sestoji iz kaskadnih stikalnih tranzistorjev in vpenjalnih diod, ki so vzporedno priključene na eno samo visokonapetostno enosmerno vodilo. V literaturi je predlagana enofazna PET topologija z usmerniško stopnjo, ki uporablja štirinivojsko vezje z vpeto diodo. Enemu visokonapetostnemu enosmernemu vodilu sledijo vzporedni vhodni-serijski-izhodni DAB-ji, kot je prikazano. To topologijo je mogoče razširiti v trifazno strukturo, število napetostnih nivojev pa je mogoče spreminjati glede na napetostne nivoje naprave in napetostni nivo na visokonapetostni strani. Tako kot topologijo MMC se lahko tudi topologija NPC uporabi v izolacijski stopnji, kjer se visokonapetostno enosmerno vodilo poveže z Izolacijski transformator, kot je prikazano. V literaturi je bil na visokonapetostni strani resonančnega pretvornika LLC uporabljen tristopenjski z diodo vpenjajoči se NPC pretvornik, kar je bilo preverjeno na prototipu 166 kW/2 kV ~ 400 V. V literaturi je bilo na trifazni DAB uporabljeno tristopenjsko z diodo vpenjajoče se NPC vezje, s čimer so bile dosežene idealne napetostne in tokovne karakteristike DAB.

Ko se kot usmerniška stopnja uporablja topologija NPC, niso potrebna izolirana enosmerna vodila, kar zmanjša število transformatorjev izolacijske stopnje. Poleg tega v trifaznih strukturah na vodilu ni dvojnega valovanja napetosti linijske frekvence. Ker pa vpenjalna topologija zahteva veliko število vpenjalnih naprav, se njihovo število povečuje z naraščajočim številom nivojev, zaradi česar je razširitev nivojev težja in doseganje redundance težje. Kar zadeva krmiljenje, so tokovi, ki tečejo v vsak kondenzator vodila pretvornika NPC, različni, kar vodi do neravnovesja napetosti na kondenzatorjih. Za topologije NPC nad tremi nivoji ni učinkovitega algoritma za uravnoteženje napetosti. Poleg tega nedosledni časi delovanja stikal znotraj in zunaj ročic vodijo do neenakomernega segrevanja, kar je mogoče rešiti le s spremembo celotne topologije vezja.

Številne težave, ki jih povzroča širjenje nivojev, pomenijo, da se topologije NPC lahko uporabljajo le na srednjih/visokih napetostnih nivojih z zaporedno vezavo naprav ali z uporabo visokonapetostnih SiC naprav. Vendar pa ima pri nižjih napetostnih nivojih v primerjavi s topologijo z enim samim H-mostom tristopenjski NPC le polovico manjšo napetostno odpornost in napetostno obremenitev na vsakem preklopnem tranzistorju, hkrati pa oddaja več napetostnih nivojev, kar ima za posledico nižje zahteve glede filtriranja izhoda. Ima precejšnje prednosti uporabe kot inverterska stopnja na nizkonapetostni strani PET. Na primer, v literaturi je bil uporabljen tristopenjski z diodo vklenjen NPC kot inverterska stopnja PET za pogon trifaznega motorja, pri čemer je bila izvedena eksperimentalna potrditev in dosežene dobre zmogljivosti pogona motorja in šumne lastnosti.