مروری بر توپولوژی و کاربردهای کنترلی ترانسفورماتورهای الکترونیک قدرت ولتاژ متوسط-بالا III

۳.۳ توپولوژی چند سطحی گیره‌دار

توپولوژی چند سطحی کلمپ نقطه خنثی (NPC) نشان داده شده است. علاوه بر توپولوژی NPC کلمپ دیودی، توپولوژی‌های NPC شامل نوع خازن شناور و نوع کلمپ هیبریدی نیز می‌شوند. با این حال، به دلیل حجم زیاد خازن، توپولوژی‌های NPC هنوز هم عمدتاً از دستگاه‌های سوئیچینگ غیرفعال یا فعال برای کلمپ استفاده می‌کنند. با در نظر گرفتن توپولوژی چند سطحی کلمپ دیودی به عنوان مثال، در یک توپولوژی مرحله یکسوساز سه فاز، هر شاخه فاز شامل ترانزیستورهای سوئیچینگ آبشاری و دیودهای کلمپ است که به صورت موازی به یک باس DC ولتاژ بالا متصل شده‌اند. در مقالات، توپولوژی PET تک فاز با یک مرحله یکسوساز با استفاده از یک مدار کلمپ دیودی چهار سطحی پیشنهاد شده است. همانطور که نشان داده شده است، پس از یک باس DC ولتاژ بالا، DAB های سری-خروجی-موازی ورودی قرار دارند. این توپولوژی را می‌توان به یک ساختار سه فاز گسترش داد و تعداد سطوح ولتاژ را می‌توان بر اساس سطوح ولتاژ قابل تحمل دستگاه و سطح ولتاژ سمت ولتاژ بالا تغییر داد. مانند توپولوژی MMC، توپولوژی NPC نیز می‌تواند در مرحله جداسازی اعمال شود و باس DC ولتاژ بالا را به ... متصل کند. ترانسفورماتور ایزولههمانطور که نشان داده شده است. در مقالات، یک مبدل NPC سه سطحی با کلمپ دیودی به سمت ولتاژ بالای یک مبدل رزونانس LLC اعمال شده و روی یک نمونه اولیه ۱۶۶ کیلووات/۲ کیلوولت تا ۴۰۰ ولت تأیید شده است. در مقالات، یک مدار NPC سه سطحی با کلمپ دیودی به یک DAB سه فاز اعمال شده و به مشخصات ولتاژ و جریان ایده‌آل DAB دست یافته است.

وقتی توپولوژی NPC به عنوان طبقه یکسوساز استفاده می‌شود، نیازی به باس‌های DC ایزوله ندارد و تعداد ترانسفورماتورهای طبقه ایزوله کاهش می‌یابد. علاوه بر این، در ساختارهای سه فاز، هیچ ریپل ولتاژ با فرکانس دو خط روی باس وجود ندارد. با این حال، از آنجا که توپولوژی کلمپ شده به تعداد زیادی دستگاه کلمپ نیاز دارد، با افزایش تعداد سطوح، تعداد دستگاه‌های کلمپ افزایش می‌یابد و این امر گسترش سطوح و دستیابی به افزونگی را دشوار می‌کند. از نظر کنترل، جریان‌های ورودی به هر خازن باس مبدل NPC متفاوت هستند و منجر به عدم تعادل ولتاژ خازن می‌شوند. برای توپولوژی‌های NPC بالاتر از سه سطح، هیچ الگوریتم متعادل‌سازی ولتاژ مؤثری وجود ندارد. علاوه بر این، زمان‌های عملکرد ناهماهنگ سوئیچ‌ها در داخل و خارج از بازوها منجر به گرمایش ناهموار می‌شود که تنها با تغییر توپولوژی کلی مدار قابل حل است.

مشکلات متعدد ناشی از گسترش سطح به این معنی است که توپولوژی‌های NPC فقط می‌توانند در سطوح ولتاژ متوسط/بالا از طریق اتصال سری دستگاه یا استفاده از دستگاه‌های SiC ولتاژ بالا اعمال شوند. با این حال، در سطوح ولتاژ پایین‌تر، در مقایسه با یک توپولوژی پل H تکی، یک NPC سه سطحی تنها نیمی از تحمل ولتاژ و تنش ولتاژ را روی هر ترانزیستور سوئیچینگ دارد، در حالی که سطوح ولتاژ بیشتری را خروجی می‌دهد و در نتیجه نیاز به فیلتر خروجی کمتری دارد. این امر مزایای کاربردی قابل توجهی به عنوان مرحله اینورتر در سمت ولتاژ پایین یک PET دارد. به عنوان مثال، در مقالات از یک NPC سه سطحی با کلمپ دیودی به عنوان مرحله اینورتر یک PET برای درایو یک موتور سه فاز استفاده شده است که تأیید تجربی را انجام داده و به عملکرد درایو موتور و عملکرد نویز خوبی دست یافته است.