บทวิจารณ์เกี่ยวกับโทโพโลยีและการประยุกต์ใช้ควบคุมของหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังไฟฟ้าแรงดันปานกลาง-สูง ภาคที่ 3

3.3 โครงสร้างโทโพโลยีหลายระดับแบบยึดแน่น

ภาพแสดงโครงสร้างแบบหลายระดับ Neutral Point Clamped (NPC) นอกจากโครงสร้าง NPC แบบไดโอดหนีบแล้ว โครงสร้าง NPC ยังรวมถึงแบบตัวเก็บประจุลอยตัวและแบบหนีบแบบไฮบริด เป็นต้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปริมาตรของตัวเก็บประจุมีขนาดใหญ่ โครงสร้าง NPC จึงยังคงใช้อุปกรณ์สวิตช์แบบพาสซีฟหรือแอคทีฟเป็นส่วนใหญ่สำหรับการหนีบ ยกตัวอย่างเช่น โครงสร้างแบบหลายระดับแบบไดโอดหนีบ ในโครงสร้างวงจรเรียงกระแสแบบสามเฟส แต่ละเฟสประกอบด้วยทรานซิสเตอร์สวิตช์และไดโอดหนีบแบบเรียงต่อกัน ต่อขนานกับบัส DC แรงดันสูงเพียงตัวเดียว เอกสารทางวิชาการได้เสนอโครงสร้าง PET แบบเฟสเดียวที่มีวงจรเรียงกระแสโดยใช้วงจรไดโอดหนีบสี่ระดับ บัส DC แรงดันสูงเพียงตัวเดียวตามด้วย DAB แบบอินพุต-อนุกรม-เอาต์พุต-ขนาน ดังแสดงในภาพ โครงสร้างนี้สามารถขยายเป็นโครงสร้างสามเฟสได้ และจำนวนระดับแรงดันสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามระดับแรงดันที่อุปกรณ์ทนได้และระดับแรงดันด้านแรงดันสูง เช่นเดียวกับโทโพโลยี MMC โทโพโลยี NPC ก็สามารถนำไปใช้ในขั้นตอนการแยกได้เช่นกัน โดยเชื่อมต่อบัส DC แรงดันสูงเข้ากับ หม้อแปลงแยกดังที่แสดงไว้ เอกสารทางวิชาการได้ประยุกต์ใช้ตัวแปลง NPC แบบไดโอดหนีบสามระดับกับด้านแรงดันสูงของตัวแปลงเรโซแนนซ์ LLC โดยตรวจสอบความถูกต้องบนต้นแบบขนาด 166kW/2kV~400V เอกสารทางวิชาการยังได้ประยุกต์ใช้วงจร NPC แบบไดโอดหนีบสามระดับกับ DAB สามเฟส เพื่อให้ได้คุณลักษณะแรงดันและกระแส DAB ในอุดมคติ

เมื่อใช้โทโพโลยี NPC เป็นขั้นวงจรเรียงกระแส จะไม่จำเป็นต้องใช้บัส DC แบบแยกส่วน ทำให้ลดจำนวนหม้อแปลงในขั้นวงจรแยกส่วนลงได้ นอกจากนี้ ในโครงสร้างสามเฟส จะไม่มีแรงดันริปเปิลความถี่สองเท่าบนบัส อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโทโพโลยีแบบหนีบต้องใช้อุปกรณ์หนีบจำนวนมาก จำนวนอุปกรณ์หนีบจึงเพิ่มขึ้นตามจำนวนระดับ ทำให้การขยายระดับทำได้ยาก และการสำรองทำได้ยาก ในแง่ของการควบคุม กระแสที่ไหลเข้าสู่ตัวเก็บประจุแต่ละตัวของตัวแปลง NPC นั้นแตกต่างกัน ทำให้เกิดความไม่สมดุลของแรงดันตัวเก็บประจุ สำหรับโทโพโลยี NPC ที่มากกว่าสามระดับ จะไม่มีอัลกอริทึมการปรับสมดุลแรงดันที่มีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ เวลาการทำงานที่ไม่สม่ำเสมอของสวิตช์ภายในและภายนอกแขน ทำให้เกิดความร้อนไม่สม่ำเสมอ ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยการเปลี่ยนโทโพโลยีวงจรโดยรวมเท่านั้น

ความยากลำบากมากมายที่เกิดจากการขยายระดับแรงดันหมายความว่า วงจร NPC สามารถใช้งานได้เฉพาะในระดับแรงดันปานกลาง/สูงเท่านั้น โดยผ่านการต่ออนุกรมของอุปกรณ์หรือการใช้อุปกรณ์ SiC แรงดันสูง อย่างไรก็ตาม ในระดับแรงดันต่ำ เมื่อเทียบกับวงจร H-bridge เดี่ยว วงจร NPC สามระดับจะมีแรงดันที่ทนได้และแรงดันตกคร่อมทรานซิสเตอร์สวิตช์แต่ละตัวเพียงครึ่งเดียว ในขณะที่สามารถส่งออกระดับแรงดันได้มากขึ้น ส่งผลให้ความต้องการในการกรองเอาต์พุตลดลง จึงมีข้อได้เปรียบในการใช้งานอย่างมากในฐานะวงจรอินเวอร์เตอร์ด้านแรงดันต่ำของ PET ตัวอย่างเช่น ในเอกสารทางวิชาการมีการใช้วงจร NPC สามระดับแบบไดโอดหนีบเป็นวงจรอินเวอร์เตอร์ของ PET เพื่อขับมอเตอร์สามเฟส โดยทำการตรวจสอบเชิงทดลองและได้ประสิทธิภาพการขับมอเตอร์และประสิทธิภาพด้านเสียงรบกวนที่ดี