Katsaus keskijännitteisten ja korkeajännitteisten elektronisten muuntajien topologiaan ja ohjaussovelluksiin II

2 PET-rakenteen kokonaisvalinta

PET-topologiat vaihtelevat suuresti. Energianmuunnosvaiheiden lukumäärän perusteella ne voidaan luokitella yksi-, kaksi- ja kolmivaiheisiin tyyppeihin [7]. Kaksivaiheisiin rakenteisiin kuuluvat korkeajännitteiset ja matalajännitteiset tasavirtaväylät, kuten kuvassa 1 on esitetty.

Yksivaiheisissa PET-materiaaleissa (kuva 1(a)) keski-/korkeataajuinen Eristysmuuntaja yhdistää AC/AC-muuntimet molemmilta puolilta. Ensiöpuolen AC/AC-muunnin moduloi sisääntulevan verkkotaajuisen vaihtojännitteen korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi, joka kytketään muuntajan kautta ja muunnetaan sitten takaisin verkkotaajuiseksi vaihtojännitteeksi toisiopuolen AC/AC-muuntimella. Yksivaiheisissa PET-transistoreissa on vähemmän muunnosvaiheita ja vähemmän komponentteja, korkea hyötysuhde ja suuri tehotiheys. Tasavirtaväylän puuttuminen tekee niistä kuitenkin sopimattomia hybridi-AC/DC-verkkoihin, ja tehon irtikytkentäohjaus on monimutkaista.

Kaksiportaisissa PET-transistoreissa on tasavirtakisko joko korkea- tai matalajännitepuolella. Erotusmuuntajan toisen puolen topologia muistuttaa yksiportaisen PET-transistorin topologiaa, kun taas toinen puoli on kytketty tasavirtakiskoon AC/DC- tai DC/AC-piirien kautta (kuva 1(c) ja kuva 1(d)). Korkea- tai matalajännitteisten tasavirtalinkkien avulla kaksiportaiset PET-transistorit voidaan kytkeä keski-/korkeajännitteisiin tasavirtaverkkoihin korkeajännitepuolella tai aurinkosähkö-/varastointijärjestelmiin matalajännitepuolella. Erotusmuuntajan molemmilla puolilla olevien muuntimien siirtämä pätöteho on kuitenkin erittäin herkkä muuntajan vuotoinduktanssiparametreille. Lisäksi tasavirtakiskon kondensaattori altistuu merkittäville kaksoistaajuusjännitevaihteluille, ja muuntimen virran vaihtelut ovat suuria [7], mikä tekee ohjauksesta haastavaa.

Kolmivaiheisissa PET-transistoreissa (kuva 1(b)) on tasavirtaväylät sekä korkea- että matalajännitepuolella. Sisääntuleva verkkotaajuinen vaihtovirta tasasuunnataan korkeajännitteiseen tasavirtaväylään AC/DC-muunnoksen kautta, moduloidaan korkeataajuisiksi neliöaalloiksi, kytketään matalajännitepuolelle keski-/korkeataajuusmuuntajan kautta, tasasuunnataan matalajännitteiseen tasavirtaväylään ja lopuksi invertoidaan verkkotaajuiseksi vaihtojännitteeksi DC/AC-muunnoksen kautta. Kolmivaiheiset PET-transistorit voidaan liittää sekä korkea- että matalajännitteisiin tasavirtajärjestelmiin. Kunkin muunnosvaiheen ohjaus on suhteellisen itsenäistä, mikä helpottaa irtikytkentää ja kompensointia. Useat muunnosvaiheet johtavat kuitenkin monimutkaisimpaan rakenteeseen. Monivaiheisen rakenteen ansiosta kolmivaiheiset PET-topologiat saavuttavat helpommin kaskadin korkeajännitepuolella ja rinnakkainkytkennän matalajännitepuolella, mikä täyttää keski-/korkeajännitesovellusten tarpeet. Siksi kolmivaiheiset topologiat ovat yleisimmin käytettyjä keski-/korkeajännite-PET-tutkimuksessa ja -sovelluksissa.

Keski-/korkeajännitesovelluksissa käytettävien PET-transistorien matalajännitepuolella on matalat jännitetasot ja minimaaliset laitejänniterajoitukset. Sitä vastoin korkeajännitteinen tasasuuntausvaihe ja välieristysvaihe kohtaavat korkeita jännitetasoja, mikä asettaa tiukempia vaatimuksia piirirakenteille ja laitteille. Nykyinen tutkimus keskittyy kahteen suuntaan: ① Uudet topologiat ja ohjausmenetelmät keski-/korkeajännitteisille PET-transistoreille olemassa olevien laitteiden jännitearvojen perusteella; ② PET-topologiat ja ohjausmenetelmät, joissa käytetään uusia korkeajännitelaitteita, kuten 10 kV:n piikarbidilaitteita [8, 9]. Korkeajännitteiset piikarbidilaitteet ovat kuitenkin vielä laboratoriotutkimus- ja kehitysvaiheessa, eivätkä kaupalliset laitteet vielä pysty täyttämään jännitevaatimuksia. Siksi käytetään monimoduulisia kaskadoituja tai yksimoduulisia monitasoisia topologioita korkeiden tulojännitevaatimusten täyttämiseksi. Tyypillisiä topologioita on esitetty kuvassa 2, ja niitä on analysoitu osiossa 3.