Revisão sobre Topologia e Aplicações de Controle de Transformadores Eletrônicos de Potência de Média e Alta Tensão III

3.3 Topologia Multinível Fixada

A topologia multinível com ponto neutro fixo (NPC) é mostrada. Além da topologia NPC com diodos de fixação, as topologias NPC também incluem o tipo com capacitor flutuante e o tipo híbrido com diodos de fixação, entre outras. No entanto, devido ao grande volume do capacitor, as topologias NPC ainda utilizam principalmente dispositivos de chaveamento passivos ou ativos para fixação. Tomando como exemplo a topologia multinível com diodos de fixação, em uma topologia de estágio retificador trifásico, cada perna de fase consiste em transistores de chaveamento em cascata e diodos de fixação, conectados em paralelo a um único barramento CC de alta tensão. A literatura propôs uma topologia PET monofásica com um estágio retificador usando um circuito com diodos de fixação de quatro níveis. Um único barramento CC de alta tensão é seguido por diodos de fixação (DABs) em série na entrada e em paralelo na saída, conforme mostrado. Essa topologia pode ser expandida para uma estrutura trifásica, e o número de níveis de tensão pode ser alterado com base nos níveis de tensão suportáveis ​​do dispositivo e no nível de tensão do lado de alta tensão. Assim como a topologia MMC, a topologia NPC também pode ser aplicada no estágio de isolamento, conectando o barramento CC de alta tensão ao Transformador de isolamentoConforme mostrado na literatura, um conversor NPC de três níveis com diodos de fixação foi aplicado ao lado de alta tensão de um conversor ressonante LLC, sendo validado em um protótipo de 166 kW/2 kV a 400 V. A literatura também aplicou um circuito NPC de três níveis com diodos de fixação a um DAB trifásico, obtendo características ideais de tensão e corrente no DAB.

Quando a topologia NPC é usada como estágio retificador, ela não requer barramentos CC isolados, reduzindo o número de transformadores de isolamento. Além disso, em estruturas trifásicas, não há ondulação de tensão em frequência dupla na barra. No entanto, como a topologia clamped requer um grande número de dispositivos de clamping, esse número aumenta com o número de níveis, dificultando a expansão de níveis e a obtenção de redundância. Em termos de controle, as correntes que fluem para cada capacitor de barramento do conversor NPC são diferentes, levando a um desequilíbrio de tensão nos capacitores. Para topologias NPC com mais de três níveis, não existe um algoritmo eficaz de balanceamento de tensão. Adicionalmente, os tempos de operação inconsistentes das chaves dentro e fora dos braços levam a um aquecimento desigual, o que só pode ser resolvido alterando a topologia geral do circuito.

As inúmeras dificuldades causadas pela expansão de níveis significam que as topologias NPC só podem ser aplicadas em níveis de tensão médios/altos através da conexão em série dos dispositivos ou do uso de dispositivos SiC de alta tensão. No entanto, em níveis de tensão mais baixos, em comparação com uma topologia de ponte H simples, um NPC de três níveis apresenta apenas metade da tensão suportável e da tensão de estresse em cada transistor de chaveamento, enquanto fornece mais níveis de tensão, resultando em menores requisitos de filtragem de saída. Ele possui vantagens consideráveis ​​de aplicação como estágio inversor no lado de baixa tensão de um PET. Por exemplo, a literatura utilizou um NPC de três níveis com diodos de fixação como estágio inversor de um PET para acionar um motor trifásico, realizando verificação experimental e obtendo bom desempenho de acionamento do motor e baixo nível de ruído.