Revisió de la topologia i les aplicacions de control dels transformadors electrònics de potència de mitjana-alta tensió III

3.3 Topologia multinivell fixada

Es mostra la topologia multinivell amb fixació de punt neutre (NPC). A més de la topologia NPC amb fixació de díode, les topologies NPC també inclouen el tipus de condensador volador i el tipus de fixació híbrid, entre d'altres. Tanmateix, a causa del gran volum de condensadors, les topologies NPC encara utilitzen principalment dispositius de commutació passius o actius per a la fixació. Prenent com a exemple la topologia multinivell amb fixació de díode, en una topologia d'etapa rectificadora trifàsica, cada etapa de fase consta de transistors de commutació en cascada i díodes de fixació, connectats en paral·lel a un únic bus de CC d'alt voltatge. La literatura proposa una topologia PET monofàsica amb una etapa rectificadora que utilitza un circuit amb fixació de díode de quatre nivells. Un únic bus de CC d'alt voltatge va seguit de DAB d'entrada-sèrie-sortida-paral·lel, tal com es mostra . Aquesta topologia es pot ampliar a una estructura trifàsica, i el nombre de nivells de voltatge es pot canviar en funció dels nivells de voltatge de resistència del dispositiu i del nivell de voltatge del costat d'alt voltatge. Igual que la topologia MMC, la topologia NPC també es pot aplicar en l'etapa d'aïllament, connectant el bus de CC d'alta tensió al Transformador d'aïllament, com es mostra. La literatura ha aplicat un convertidor NPC de tres nivells amb fixació de díode al costat d'alta tensió d'un convertidor ressonant LLC, verificant-lo en un prototip de 166 kW/2 kV~400 V. La literatura ha aplicat un circuit NPC de tres nivells amb fixació de díode a un DAB trifàsic, aconseguint unes característiques ideals de tensió i corrent DAB.

Quan s'utilitza la topologia NPC com a etapa rectificadora, no calen busos de CC aïllats, cosa que redueix el nombre de transformadors d'etapa d'aïllament. A més, en estructures trifàsiques, no hi ha ondulació de tensió de doble freqüència de línia al bus. Tanmateix, com que la topologia amb fixació requereix un gran nombre de dispositius de fixació, el nombre de dispositius de fixació augmenta a mesura que augmenta el nombre de nivells, cosa que dificulta l'expansió de nivells i dificulta l'aconseguiment de redundància. Pel que fa al control, els corrents que flueixen a cada condensador de bus del convertidor NPC són diferents, cosa que provoca un desequilibri de tensió del condensador. Per a topologies NPC superiors a tres nivells, no hi ha cap algorisme d'equilibri de tensió eficaç. A més, els temps de funcionament inconsistents dels interruptors dins i fora dels braços provoquen un escalfament desigual, que només es pot resoldre canviant la topologia general del circuit.

Les nombroses dificultats causades per l'expansió de nivells fan que les topologies NPC només es puguin aplicar a nivells de tensió mitjana/alta mitjançant la connexió en sèrie de dispositius o l'ús de dispositius SiC d'alta tensió. Tanmateix, a nivells de tensió més baixos, en comparació amb una topologia de pont H únic, un NPC de tres nivells només té la meitat de la resistència a la tensió i la tensió a cada transistor de commutació, alhora que genera més nivells de tensió, cosa que resulta en uns requisits de filtratge de sortida més baixos. Té avantatges d'aplicació considerables com a etapa inversora al costat de baixa tensió d'un PET. Per exemple, la literatura ha utilitzat un NPC de tres nivells amb fixació per díode com a etapa inversora d'un PET per controlar un motor trifàsic, realitzant una verificació experimental i aconseguint un bon rendiment de control del motor i de soroll.