Rassegna sulla topologia e le applicazioni di controllo dei trasformatori elettronici di potenza di media-alta tensione III

3.3 Topologia multilivello vincolata

Viene mostrata la topologia multilivello Neutral Point Clamped (NPC). Oltre alla topologia NPC con diodi di bloccaggio, le topologie NPC includono anche il tipo a condensatore volante e il tipo ibrido con bloccaggio, tra gli altri. Tuttavia, a causa del grande volume dei condensatori, le topologie NPC utilizzano ancora perlopiù dispositivi di commutazione passivi o attivi per il bloccaggio. Prendendo come esempio la topologia multilivello con diodi di bloccaggio, in una topologia di stadio raddrizzatore trifase, ogni ramo di fase è costituito da transistor di commutazione e diodi di bloccaggio in cascata, collegati in parallelo a un singolo bus CC ad alta tensione. La letteratura propone una topologia PET monofase con uno stadio raddrizzatore che utilizza un circuito a quattro livelli con diodi di bloccaggio. Un singolo bus CC ad alta tensione è seguito da DAB in serie-uscita-parallelo, come mostrato. Questa topologia può essere espansa in una struttura trifase e il numero di livelli di tensione può essere modificato in base ai livelli di tensione di tenuta del dispositivo e al livello di tensione del lato ad alta tensione. Come la topologia MMC, anche la topologia NPC può essere applicata nella fase di isolamento, collegando il bus CC ad alta tensione al Trasformatore di isolamento, come mostrato. La letteratura ha applicato un convertitore NPC a tre livelli con diodi di blocco al lato ad alta tensione di un convertitore risonante LLC, verificandolo su un prototipo da 166 kW/2 kV~400 V. La letteratura ha applicato un circuito NPC a tre livelli con diodi di blocco a un DAB trifase, ottenendo caratteristiche di tensione e corrente DAB ideali.

Quando la topologia NPC viene utilizzata come stadio raddrizzatore, non richiede bus CC isolati, riducendo il numero di trasformatori di isolamento. Inoltre, nelle strutture trifase, non vi è ondulazione di tensione a doppia frequenza di rete sul bus. Tuttavia, poiché la topologia a blocco richiede un gran numero di dispositivi di blocco, il numero di dispositivi di blocco aumenta con l'aumentare del numero di livelli, rendendo difficile l'espansione dei livelli e la ridondanza. In termini di controllo, le correnti che fluiscono in ciascun condensatore di bus del convertitore NPC sono diverse, causando uno squilibrio della tensione dei condensatori. Per le topologie NPC con più di tre livelli, non esiste un algoritmo efficace per il bilanciamento della tensione. Inoltre, i tempi di funzionamento non uniformi degli interruttori all'interno e all'esterno dei bracci causano un riscaldamento non omogeneo, che può essere risolto solo modificando la topologia complessiva del circuito.

Le numerose difficoltà causate dall'espansione dei livelli implicano che le topologie NPC possono essere applicate solo a livelli di tensione medio/alto tramite la connessione in serie dei dispositivi o l'utilizzo di dispositivi SiC ad alta tensione. Tuttavia, a livelli di tensione inferiori, rispetto a una singola topologia a ponte H, un NPC a tre livelli presenta solo la metà della tensione di tenuta e dello stress di tensione su ciascun transistor di commutazione, pur erogando più livelli di tensione, con conseguente riduzione dei requisiti di filtraggio in uscita. Offre notevoli vantaggi applicativi come stadio inverter sul lato a bassa tensione di un PET. Ad esempio, in letteratura è stato utilizzato un NPC a tre livelli con diodi di blocco come stadio inverter di un PET per pilotare un motore trifase, effettuando verifiche sperimentali e ottenendo buone prestazioni di azionamento del motore e un buon livello di rumore.