中高電圧電力電子変圧器のトポロジーと制御応用に関するレビュー III

3.3 クランプ型マルチレベルトポロジー

中性点クランプ (NPC) マルチレベル トポロジーを示します。ダイオード クランプ NPC トポロジーの他に、NPC トポロジーには、フライング キャパシタ型やハイブリッド クランプ型などがあります。ただし、キャパシタの体積が大きいため、NPC トポロジーでは、クランプに受動または能動スイッチング デバイスが依然として主に使用されています。ダイオード クランプ マルチレベル トポロジーを例にとると、3 相整流段トポロジーでは、各相レッグは、単一の高電圧 DC バスに並列接続されたカスケード接続されたスイッチング トランジスタとクランプ ダイオードで構成されます。文献では、4 レベルのダイオード クランプ回路を使用した整流段を備えた単相 PET トポロジーが提案されています。単一の高電圧 DC バスの後には、図に示すように、入力直列出力並列の DAB が続きます。このトポロジーは 3 相構造に拡張でき、電圧レベルの数は、デバイスの耐電圧レベルと高電圧側の電圧レベルに基づいて変更できます。 MMCトポロジーと同様に、NPCトポロジーも絶縁ステージに適用でき、高電圧DCバスを 絶縁トランス図に示すように、文献では、3レベルダイオードクランプNPCコンバータをLLC共振コンバータの高電圧側に適用し、166kW/2kV~400Vの試作機で検証した。文献では、3レベルダイオードクランプNPC回路を3相DABに適用し、理想的なDAB電圧および電流特性を実現した。

NPCトポロジーを整流段として使用する場合、絶縁DCバスが不要となり、絶縁段トランスの数を削減できます。さらに、三相構造では、バス上に2倍の線間周波数電圧リップルが発生しません。しかし、クランプ型トポロジーでは多数のクランプ装置が必要となるため、レベル数の増加に伴ってクランプ装置の数が増加し、レベル拡張が困難になり、冗長性の実現が難しくなります。制御面では、NPCコンバータの各バスコンデンサに流れる電流が異なるため、コンデンサ電圧の不均衡が生じます。3レベルを超えるNPCトポロジーでは、有効な電圧バランスアルゴリズムが存在しません。また、アーム内外のスイッチの動作時間が不均一であるため、発熱が不均一になり、これは回路全体のトポロジーを変更することによってのみ解決できます。

レベル拡張に伴う数々の困難から、NPCトポロジーはデバイスの直列接続または高電圧SiCデバイスの使用によってのみ中高電圧レベルで適用可能となります。しかし、低電圧レベルでは、単一Hブリッジトポロジーと比較して、3レベルNPCは各スイッチングトランジスタの耐電圧と電圧ストレスが半分で済み、より多くの電圧レベルを出力できるため、出力フィルタリングの要件が軽減されます。PETの低電圧側のインバータ段として、かなりの応用上の利点があります。例えば、文献では、3レベルダイオードクランプNPCをPETのインバータ段として使用し、三相モータを駆動して実験的に検証した結果、良好なモータ駆動性能とノイズ性能が得られたと報告されています。