Tổng quan về cấu trúc và ứng dụng điều khiển của máy biến áp điện tử công suất trung-cao áp III

3.3 Cấu trúc đa cấp kẹp

Sơ đồ cấu trúc đa cấp Kẹp Điểm Trung Tính (NPC) được thể hiện. Bên cạnh cấu trúc NPC kẹp diode, các cấu trúc NPC khác bao gồm loại tụ điện bay và loại kẹp lai, cùng nhiều loại khác. Tuy nhiên, do thể tích tụ điện lớn, các cấu trúc NPC vẫn chủ yếu sử dụng các thiết bị chuyển mạch thụ động hoặc chủ động để kẹp. Lấy cấu trúc đa cấp kẹp diode làm ví dụ, trong cấu trúc tầng chỉnh lưu ba pha, mỗi nhánh pha bao gồm các transistor chuyển mạch mắc nối tiếp và các diode kẹp, được kết nối song song với một bus DC cao áp duy nhất. Tài liệu đã đề xuất một cấu trúc PET một pha với tầng chỉnh lưu sử dụng mạch kẹp diode bốn cấp. Một bus DC cao áp duy nhất được theo sau bởi các mạch DAB đầu vào-nối tiếp-đầu ra-song song, như hình vẽ. Cấu trúc này có thể được mở rộng thành cấu trúc ba pha, và số lượng mức điện áp có thể được thay đổi dựa trên mức điện áp chịu đựng của thiết bị và mức điện áp phía cao áp. Giống như cấu trúc MMC, cấu trúc NPC cũng có thể được áp dụng trong tầng cách ly, kết nối bus DC cao áp với... Biến áp cách lyNhư hình minh họa, tài liệu đã áp dụng bộ chuyển đổi NPC kẹp diode ba cấp vào phía điện áp cao của bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC, kiểm chứng trên nguyên mẫu 166kW/2kV~400V. Tài liệu cũng đã áp dụng mạch NPC kẹp diode ba cấp vào DAB ba pha, đạt được đặc tính điện áp và dòng điện DAB lý tưởng.

Khi sử dụng cấu trúc NPC làm tầng chỉnh lưu, nó không yêu cầu các bus DC cách ly, giảm số lượng máy biến áp ở tầng cách ly. Hơn nữa, trong cấu trúc ba pha, không có gợn sóng điện áp tần số gấp đôi trên bus. Tuy nhiên, vì cấu trúc kẹp yêu cầu một số lượng lớn thiết bị kẹp, số lượng thiết bị kẹp tăng lên khi số tầng tăng lên, khiến việc mở rộng tầng trở nên khó khăn và khó đạt được tính dự phòng. Về mặt điều khiển, dòng điện chảy vào mỗi tụ điện bus của bộ chuyển đổi NPC là khác nhau, dẫn đến sự mất cân bằng điện áp tụ điện. Đối với cấu trúc NPC trên ba tầng, không có thuật toán cân bằng điện áp hiệu quả. Ngoài ra, thời gian hoạt động không nhất quán của các công tắc bên trong và bên ngoài các nhánh dẫn đến sự gia nhiệt không đều, điều này chỉ có thể được giải quyết bằng cách thay đổi cấu trúc mạch tổng thể.

Những khó khăn phát sinh do việc mở rộng cấp điện áp khiến cho các cấu trúc NPC chỉ có thể được áp dụng ở mức điện áp trung bình/cao thông qua việc mắc nối tiếp các thiết bị hoặc sử dụng các thiết bị SiC điện áp cao. Tuy nhiên, ở mức điện áp thấp hơn, so với cấu trúc cầu H đơn, NPC ba cấp chỉ chịu được một nửa điện áp và chịu ứng suất điện áp trên mỗi transistor chuyển mạch, trong khi lại cho ra nhiều cấp điện áp hơn, dẫn đến yêu cầu lọc đầu ra thấp hơn. Điều này mang lại những lợi thế ứng dụng đáng kể khi được sử dụng làm tầng biến tần ở phía điện áp thấp của PET. Ví dụ, trong các tài liệu đã sử dụng NPC ba cấp kẹp diode làm tầng biến tần của PET để điều khiển động cơ ba pha, tiến hành kiểm chứng thực nghiệm và đạt được hiệu suất điều khiển động cơ và hiệu suất giảm tiếng ồn tốt.