Orta ve Yüksek Gerilim Güç Elektroniği Transformatörlerinin Topolojisi ve Kontrol Uygulamaları Üzerine İnceleme III

3.3 Sıkıştırılmış Çok Seviyeli Topoloji

Nötr Nokta Klempli (NPC) çok seviyeli topoloji gösterilmiştir. Diyot klempli NPC topolojisinin yanı sıra, NPC topolojileri arasında uçan kapasitör tipi ve hibrit klempli tip de bulunmaktadır. Bununla birlikte, büyük kapasitör hacmi nedeniyle, NPC topolojileri hala çoğunlukla klempleme için pasif veya aktif anahtarlama cihazları kullanmaktadır. Diyot klempli çok seviyeli topolojiyi örnek olarak alırsak, üç fazlı bir doğrultucu kademesi topolojisinde, her faz bacağı, tek bir yüksek voltajlı DC bara paralel olarak bağlanmış kademeli anahtarlama transistörlerinden ve klempleme diyotlarından oluşur. Literatürde, dört seviyeli diyot klempli devre kullanan bir doğrultucu kademesine sahip tek fazlı bir PET topolojisi önerilmiştir. Gösterildiği gibi, tek bir yüksek voltajlı DC barayı giriş-seri-çıkış-paralel DAB'lar takip eder. Bu topoloji üç fazlı bir yapıya genişletilebilir ve voltaj seviyelerinin sayısı, cihazın dayanım voltaj seviyelerine ve yüksek voltaj tarafı voltaj seviyesine bağlı olarak değiştirilebilir. MMC topolojisine benzer şekilde, NPC topolojisi de izolasyon aşamasında uygulanabilir ve yüksek voltajlı DC bara hattını bağlayabilir. İzolasyon TrafosuGösterildiği gibi, literatürde üç seviyeli diyot kelepçeli NPC dönüştürücü, LLC rezonans dönüştürücünün yüksek voltaj tarafına uygulanmış ve 166kW/2kV~400V prototip üzerinde doğrulanmıştır. Literatürde üç seviyeli diyot kelepçeli NPC devresi, üç fazlı bir DAB'ye uygulanarak ideal DAB voltaj ve akım karakteristikleri elde edilmiştir.

NPC topolojisi doğrultucu kademesi olarak kullanıldığında, izole DC bara gerektirmez ve izolasyon kademesi transformatörlerinin sayısını azaltır. Ayrıca, üç fazlı yapılarda, bara üzerinde çift hat frekanslı gerilim dalgalanması olmaz. Bununla birlikte, kenetlemeli topoloji çok sayıda kenetleme cihazı gerektirdiğinden, kademe sayısı arttıkça kenetleme cihazı sayısı da artar, bu da kademe genişletmeyi zorlaştırır ve yedekliliği sağlamayı güçleştirir. Kontrol açısından, NPC dönüştürücünün her bir bara kapasitörüne akan akımlar farklıdır ve bu da kapasitör gerilim dengesizliğine yol açar. Üç kademeden fazla NPC topolojileri için etkili bir gerilim dengeleme algoritması yoktur. Ek olarak, kolların içindeki ve dışındaki anahtarların tutarsız çalışma süreleri, düzensiz ısınmaya yol açar ve bu da ancak genel devre topolojisinin değiştirilmesiyle çözülebilir.

Seviye genişlemesinin yol açtığı sayısız zorluk, NPC topolojilerinin yalnızca orta/yüksek voltaj seviyelerinde, cihaz seri bağlantısı veya yüksek voltajlı SiC cihazlarının kullanımı yoluyla uygulanabileceği anlamına gelir. Bununla birlikte, daha düşük voltaj seviyelerinde, tek bir H-köprü topolojisine kıyasla, üç seviyeli bir NPC, daha fazla voltaj seviyesi çıkışı sağlarken, her bir anahtarlama transistöründe yalnızca yarı voltaj dayanımına ve voltaj stresine sahiptir; bu da daha düşük çıkış filtreleme gereksinimlerine yol açar. Bir PET'in düşük voltaj tarafındaki invertör aşaması olarak önemli uygulama avantajlarına sahiptir. Örneğin, literatürde üç fazlı bir motoru sürmek için bir PET'in invertör aşaması olarak üç seviyeli diyot kelepçeli bir NPC kullanılmış, deneysel doğrulama yapılmış ve iyi motor sürücü performansı ve gürültü performansı elde edilmiştir.