Revisión de la topología y las aplicaciones de control de los transformadores electrónicos de potencia de media y alta tensión III

3.3 Topología multinivel fija

Se muestra la topología multinivel de punto neutro sujeto (NPC). Además de la topología NPC con diodos de sujeción, las topologías NPC también incluyen el tipo de condensador flotante y el tipo híbrido de sujeción, entre otros. Sin embargo, debido al gran volumen del condensador, las topologías NPC todavía utilizan principalmente dispositivos de conmutación pasivos o activos para la sujeción. Tomando como ejemplo la topología multinivel con diodos de sujeción, en una topología de etapa rectificadora trifásica, cada rama de fase consta de transistores de conmutación en cascada y diodos de sujeción, conectados en paralelo a un único bus de CC de alta tensión. La literatura propuso una topología PET monofásica con una etapa rectificadora que utiliza un circuito de cuatro niveles con diodos de sujeción. Un único bus de CC de alta tensión es seguido por DAB de entrada-serie-salida-paralelo, como se muestra. Esta topología se puede expandir a una estructura trifásica, y el número de niveles de tensión se puede cambiar en función de los niveles de tensión de resistencia del dispositivo y el nivel de tensión del lado de alta tensión. Al igual que la topología MMC, la topología NPC también se puede aplicar en la etapa de aislamiento, conectando el bus de CC de alto voltaje al Transformador de aislamientoComo se muestra, la literatura aplicó un convertidor NPC de tres niveles con diodos de sujeción al lado de alta tensión de un convertidor resonante LLC, verificándolo en un prototipo de 166 kW/2 kV~400 V. La literatura aplicó un circuito NPC de tres niveles con diodos de sujeción a un DAB trifásico, logrando características ideales de tensión y corriente del DAB.

Cuando se utiliza la topología NPC como etapa rectificadora, no requiere buses de CC aislados, lo que reduce el número de transformadores de etapa de aislamiento. Además, en estructuras trifásicas, no hay rizado de voltaje de doble frecuencia de línea en el bus. Sin embargo, debido a que la topología de sujeción requiere un gran número de dispositivos de sujeción, el número de dispositivos de sujeción aumenta con el número de niveles, lo que hace que la expansión de niveles sea difícil y la redundancia difícil de lograr. En términos de control, las corrientes que fluyen a cada capacitor del bus del convertidor NPC son diferentes, lo que lleva a un desequilibrio de voltaje del capacitor. Para topologías NPC de más de tres niveles, no hay un algoritmo de balanceo de voltaje efectivo. Adicionalmente, los tiempos de operación inconsistentes de los interruptores dentro y fuera de los brazos dan lugar a un calentamiento desigual, que solo puede resolverse cambiando la topología general del circuito.

Las numerosas dificultades que conlleva la expansión de niveles implican que las topologías NPC solo pueden aplicarse en niveles de tensión medios/altos mediante la conexión en serie de dispositivos o el uso de dispositivos SiC de alta tensión. Sin embargo, en niveles de tensión más bajos, en comparación con una topología de puente H simple, una NPC de tres niveles soporta la mitad de la tensión y la tensión de estrés en cada transistor de conmutación, a la vez que proporciona más niveles de tensión, lo que reduce los requisitos de filtrado de salida. Presenta considerables ventajas de aplicación como etapa inversora en el lado de baja tensión de un PET. Por ejemplo, en la literatura se ha utilizado una NPC de tres niveles con diodos de sujeción como etapa inversora de un PET para accionar un motor trifásico, realizando una verificación experimental y logrando un buen rendimiento de accionamiento del motor y un bajo nivel de ruido.