Übersicht über Topologie- und Steuerungsanwendungen von Mittel- und Hochspannungs-Leistungstransformatoren III

3.3 Geklemmte Multilevel-Topologie

Die Neutralpunkt-geklemmte (NPC) Mehrpegeltopologie ist dargestellt. Neben der diodengeklemmten NPC-Topologie gibt es weitere NPC-Topologien, darunter auch solche mit fliegenden Kondensatoren und hybride Klemm-Topologien. Aufgrund des großen Kondensatorvolumens verwenden NPC-Topologien jedoch weiterhin meist passive oder aktive Schaltelemente zur Spannungsbegrenzung. Am Beispiel der diodengeklemmten Mehrpegeltopologie in einer dreiphasigen Gleichrichterstufentopologie besteht jeder Phasenzweig aus kaskadierten Schalttransistoren und Klemmdioden, die parallel an einen einzigen Hochspannungs-Gleichstromzwischenkreis angeschlossen sind. In der Literatur wird eine einphasige PET-Topologie mit einer Gleichrichterstufe unter Verwendung einer vierstufigen diodengeklemmten Schaltung vorgeschlagen. An einen einzigen Hochspannungs-Gleichstromzwischenkreis schließen sich Eingangs-Serien-Ausgangs-Parallel-DABs an, wie dargestellt. Diese Topologie lässt sich zu einer dreiphasigen Struktur erweitern, wobei die Anzahl der Spannungspegel in Abhängigkeit von den Spannungsfestigkeiten der Bauelemente und dem Spannungspegel auf der Hochspannungsseite angepasst werden kann. Ähnlich wie die MMC-Topologie kann auch die NPC-Topologie in der Isolationsstufe eingesetzt werden, indem der Hochspannungs-Gleichstromzwischenkreis mit dem … verbunden wird. TrenntransformatorWie dargestellt, wurde in der Literatur ein dreistufiger diodengeklemmter NPC-Wandler auf der Hochspannungsseite eines LLC-Resonanzwandlers eingesetzt und an einem 166-kW/2-kV-400-V-Prototyp verifiziert. Ebenfalls in der Literatur wurde ein dreistufiger diodengeklemmter NPC-Schaltkreis für einen dreiphasigen DAB verwendet, wodurch ideale Spannungs- und Stromcharakteristiken des DAB erzielt wurden.

Wird die NPC-Topologie als Gleichrichterstufe verwendet, sind keine isolierten DC-Zwischenkreise erforderlich, wodurch die Anzahl der Trenntransformatoren reduziert wird. Zudem tritt in dreiphasigen Strukturen keine doppelte Netzfrequenz-Spannungswelligkeit auf dem Zwischenkreis auf. Da die geklemmte Topologie jedoch eine große Anzahl von Klemmvorrichtungen erfordert, steigt deren Anzahl mit zunehmender Stufenzahl, was die Stufenerweiterung erschwert und Redundanz schwer realisierbar macht. Hinsichtlich der Regelung sind die Ströme, die in die einzelnen Zwischenkreiskondensatoren des NPC-Umrichters fließen, unterschiedlich, was zu einem Spannungsungleichgewicht der Kondensatoren führt. Für NPC-Topologien mit mehr als drei Stufen existiert kein effektiver Spannungsausgleichsalgorithmus. Darüber hinaus führen inkonsistente Schaltzeiten der Schalter innerhalb und außerhalb der Zweige zu ungleichmäßiger Erwärmung, die nur durch eine Änderung der Gesamtschaltungstopologie behoben werden kann.

Die zahlreichen Schwierigkeiten, die durch die Erweiterung der Spannungspegel entstehen, bedeuten, dass NPC-Topologien nur im mittleren/hohen Spannungsbereich durch Reihenschaltung der Bauelemente oder den Einsatz von Hochspannungs-SiC-Bauelementen angewendet werden können. Im Vergleich zu einer einfachen H-Brücken-Topologie weist eine dreistufige NPC jedoch im niedrigeren Spannungsbereich nur die halbe Spannungsfestigkeit und Spannungsbelastung jedes Schalttransistors auf, liefert aber gleichzeitig mehr Spannungspegel, was zu geringeren Anforderungen an die Ausgangsfilterung führt. Sie bietet erhebliche Anwendungsvorteile als Wechselrichterstufe auf der Niederspannungsseite eines PET. Beispielsweise wurde in der Literatur eine dreistufige, diodengeklemmte NPC als Wechselrichterstufe eines PET zum Ansteuern eines Drehstrommotors eingesetzt. Experimentelle Untersuchungen ergaben gute Motorantriebs- und Geräuscheigenschaften.