Overzicht van topologie en besturingstoepassingen van middenspannings- en hoogspanningsvermogenstransformatoren III

3.3 Geklemde meerlaagse topologie

De Neutral Point Clamped (NPC) meerlaagse topologie wordt getoond. Naast de diode-geklemd NPC-topologie omvatten NPC-topologieën ook vliegende condensator- en hybride geklemde topologieën, onder andere. Vanwege het grote volume van de condensatoren maken NPC-topologieën echter nog steeds voornamelijk gebruik van passieve of actieve schakelcomponenten voor de klemming. Neem bijvoorbeeld de diode-geklemd meerlaagse topologie: in een driefasige gelijkrichtertrap bestaat elke fase uit in cascade geschakelde schakeltransistoren en klemdiodes, parallel aangesloten op één enkele hoogspannings-DC-bus. In de literatuur wordt een eenfasige PET-topologie voorgesteld met een gelijkrichtertrap die gebruikmaakt van een vierlaags diode-geklemd circuit. Een enkele hoogspannings-DC-bus wordt gevolgd door ingang-serie-uitgang-parallel geschakelde DAB's, zoals weergegeven. Deze topologie kan worden uitgebreid naar een driefasige structuur en het aantal spanningsniveaus kan worden aangepast op basis van de doorslagspanning van de componenten en het hoogspanningsniveau. Net als de MMC-topologie kan de NPC-topologie ook worden toegepast in de isolatiefase, waarbij de hoogspannings-DC-bus wordt verbonden met de scheidingstransformatorZoals weergegeven. In de literatuur werd een drietraps diode-geklemd NPC-omvormer toegepast op de hoogspanningszijde van een LLC-resonantieomvormer, en dit werd geverifieerd op een prototype van 166 kW/2 kV~400 V. In de literatuur werd een drietraps diode-geklemd NPC-circuit toegepast op een driefasige DAB, waarmee ideale DAB-spannings- en stroomkarakteristieken werden bereikt.

Wanneer de NPC-topologie als gelijkrichtertrap wordt gebruikt, zijn er geen geïsoleerde DC-bussen nodig, waardoor het aantal isolatietransformatoren afneemt. Bovendien is er in driefasige structuren geen dubbele netfrequentie-spanningsrimpel op de bus. Omdat de geklemde topologie echter een groot aantal kleminrichtingen vereist, neemt het aantal kleminrichtingen toe naarmate het aantal niveaus toeneemt, waardoor niveau-uitbreiding en redundantie moeilijk te realiseren zijn. Qua besturing zijn de stromen die naar elke buscondensator van de NPC-omvormer vloeien verschillend, wat leidt tot een onbalans in de condensatorspanning. Voor NPC-topologieën met meer dan drie niveaus bestaat er geen effectief spanningsbalanceringsalgoritme. Daarnaast leiden inconsistente schakeltijden van schakelaars binnen en buiten de armen tot ongelijkmatige verwarming, wat alleen kan worden opgelost door de algehele circuittopologie te wijzigen.

De talrijke moeilijkheden die gepaard gaan met niveau-uitbreiding betekenen dat NPC-topologieën alleen kunnen worden toegepast in middelhoge/hoge spanningsniveaus door middel van serieschakeling van componenten of het gebruik van hoogspannings-SiC-componenten. Bij lagere spanningsniveaus heeft een drieniveaus-NPC echter, vergeleken met een enkele H-brugtopologie, slechts de helft van de spanningsbestendigheid en spanningsbelasting op elke schakeltransistor, terwijl er meer spanningsniveaus worden gegenereerd, wat resulteert in lagere eisen aan de uitgangsfiltering. Het heeft aanzienlijke toepassingsvoordelen als invertertrap aan de laagspanningszijde van een PET. Zo werd in de literatuur bijvoorbeeld een drieniveaus-diode-geklemd NPC gebruikt als invertertrap van een PET om een ​​driefasenmotor aan te drijven, waarbij experimentele verificatie werd uitgevoerd en goede motorprestaties en ruisprestaties werden behaald.