Преглед на топологията и приложенията за управление на силови електронни трансформатори със средно и високо напрежение III

3.3 Затегната многостепенна топология

Показана е многостепенна топология с фиксирана неутрална точка (NPC). Освен диодно-фиксираната NPC топология, NPC топологиите включват също тип „летящ кондензатор“ и хибридно-фиксиран тип, наред с други. Въпреки това, поради големия обем на кондензатора, NPC топологиите все още използват предимно пасивни или активни превключващи устройства за фиксиране. Вземайки за пример диодно-фиксираната многостепенна топология, в топологията на трифазен токоизправител, всеки фазов клон се състои от каскадно свързани превключващи транзистори и фиксирани диоди, свързани паралелно към единична високоволтова DC шина. В литературата е предложена еднофазна PET топология с токоизправител, използваща четиристепенна диодно-фиксирана схема. Единична високоволтова DC шина е последвана от паралелни входно-последователни-изходни DAB-и, както е показано. Тази топология може да бъде разширена в трифазна структура и броят на нивата на напрежение може да се променя въз основа на нивата на издържащо напрежение на устройството и нивото на напрежение от страната на високото напрежение. Подобно на MMC топологията, NPC топологията може да се приложи и в изолационния етап, свързвайки високоволтовата DC шина към Изолационен трансформатор, както е показано. В литературата е приложен тристепенен диодно-затегнат NPC конвертор към страната с високо напрежение на LLC резонансен конвертор, като е проверен върху прототип 166kW/2kV~400V. В литературата е приложена тристепенна диодно-затеглена NPC схема към трифазен DAB, постигайки идеални характеристики на напрежението и тока на DAB.

Когато NPC топологията се използва като токоизправител, тя не изисква изолирани DC шини, което намалява броя на трансформаторите на изолационния етап. Освен това, в трифазните структури няма пулсации на напрежението с двойна линейна честота върху шината. Тъй като обаче топологията с фиксирана честота изисква голям брой затягащи устройства, броят им се увеличава с увеличаване на броя на нивата, което затруднява разширяването на нивата и постигането на резервиране. По отношение на управлението, токовете, протичащи във всеки кондензатор на шината на NPC конвертора, са различни, което води до дисбаланс на напрежението на кондензаторите. За NPC топологии над три нива няма ефективен алгоритъм за балансиране на напрежението. Освен това, непоследователните времена на работа на превключвателите във и извън рамената водят до неравномерно нагряване, което може да се реши само чрез промяна на цялостната топология на веригата.

Многобройните трудности, причинени от разширяването на нивата, означават, че NPC топологиите могат да се прилагат само при средни/високи напрежения чрез серийно свързване на устройства или използване на SiC устройства за високо напрежение. Въпреки това, при по-ниски нива на напрежение, в сравнение с топологията с един H-мост, тристепенният NPC има само половината от издържащото напрежение и напрежението на всеки превключващ транзистор, като същевременно извежда повече нива на напрежение, което води до по-ниски изисквания за филтриране на изхода. Той има значителни предимства при приложението си като инверторно каскад от страната на ниското напрежение на PET. Например, в литературата се използва тристепенен диодно захванат NPC като инверторно каскад на PET за задвижване на трифазен двигател, като се провежда експериментална проверка и се постигат добри характеристики на задвижването на двигателя и шумови характеристики.