Katsaus keskijännitteisten ja korkeajännitteisten elektronisten muuntajien topologiaan ja ohjaussovelluksiin III

3.3 Lukittu monitasoinen topologia

Kuvassa on esitetty neutraalipistekiinnitetty (NPC) monitasoinen topologia. Diodikiinnitetyn NPC-topologian lisäksi NPC-topologioihin kuuluvat muun muassa lentävän kondensaattorin tyyppi ja hybridikiinnitetty tyyppi. Suuren kondensaattoritilavuuden vuoksi NPC-topologiat käyttävät kuitenkin edelleen enimmäkseen passiivisia tai aktiivisia kytkentälaitteita lukitukseen. Esimerkkinä diodikiinnitetystä monitasoisesta topologiasta, kolmivaiheisessa tasasuuntaajavaiheen topologiassa jokainen vaihehaara koostuu kaskadoituista kytkentätransistoreista ja lukitusdiodeista, jotka on kytketty rinnan yhteen korkeajännitteiseen tasavirtakiskoon. Kirjallisuudessa on ehdotettu yksivaiheista PET-topologiaa, jossa tasasuuntaajavaihe käyttää nelitasoista diodikiinnitettyä piiriä. Yhtä korkeajännitteistä tasavirtakiskoa seuraavat tulo-sarja-lähtö-rinnakkaiset DAB:t, kuten kuvassa on esitetty. Tätä topologiaa voidaan laajentaa kolmivaiheiseksi rakenteeksi, ja jännitetasojen määrää voidaan muuttaa laitteen kestojännitetasojen ja korkeajännitepuolen jännitetason perusteella. Kuten MMC-topologiaa, NPC-topologiaa voidaan soveltaa myös eristysvaiheessa, jolloin korkeajännitteinen tasavirtakisko kytketään... Eristysmuuntaja, kuten kuvassa. Kirjallisuudessa on sovellettu kolmitasoista diodilukittua NPC-muunninta LLC-resonanssimuuntimen korkeajännitepuolelle ja varmistettu sen toiminta 166 kW/2 kV~400 V prototyypillä. Kirjallisuudessa on sovellettu kolmitasoista diodilukittua NPC-piiriä kolmivaiheiseen DAB-muuntimeen, jolloin saavutettiin ihanteelliset DAB-jännite- ja virta-ominaisuudet.

Kun NPC-topologiaa käytetään tasasuuntaajavaiheena, se ei vaadi eristettyjä tasavirtaväyliä, mikä vähentää eristysvaihemuuntajien määrää. Lisäksi kolmivaiherakenteissa väylässä ei esiinny kaksoistaajuusjänniteaalteilua. Koska lukittu topologia vaatii kuitenkin suuren määrän lukituslaitteita, lukituslaitteiden määrä kasvaa tasojen määrän kasvaessa, mikä tekee tasojen laajentamisen vaikeaksi ja redundanssin saavuttamisen vaikeaksi. Ohjauksen kannalta NPC-muuntimen kuhunkin väyläkondensaattoriin kulkevat virrat ovat erilaisia, mikä johtaa kondensaattorien jännitteen epätasapainoon. Yli kolmen tason NPC-topologioilla ei ole tehokasta jännitteen tasapainotusalgoritmia. Lisäksi kytkimien epäjohdonmukaiset toiminta-ajat varsien sisällä ja ulkopuolella johtavat epätasaiseen lämpenemiseen, joka voidaan ratkaista vain muuttamalla piirin koko topologiaa.

Tasojen laajennuksen aiheuttamat lukuisat vaikeudet tarkoittavat, että NPC-topologioita voidaan soveltaa keski-/korkeilla jännitetasoilla vain laitteiden sarjaankytkennän tai korkeajännitteisten piikarbidikomponenttien avulla. Alemmilla jännitetasoilla kolmitasoisella NPC:llä on kuitenkin vain puolet pienempi jännitekesto ja jänniterasitus kullekin kytkentätransistorille verrattuna yhden H-sillan topologiaan, mutta se tuottaa enemmän jännitetasoja, mikä johtaa alhaisempiin lähtösuodatusvaatimuksiin. Sillä on huomattavia sovellusetuja PET-transistorin matalajännitepuolen invertterivaiheena. Esimerkiksi kirjallisuudessa on käytetty kolmitasoista diodilla varustettua NPC:tä PET-transistorin invertterivaiheena kolmivaihemoottorin ohjaamiseen, suoritettu kokeellinen testaus ja saavutettu hyvä moottorin käytön suorituskyky ja melutaso.