중고전압 전력 전자 변압기의 위상 및 제어 응용에 대한 고찰 III

3.3 클램핑된 다단계 토폴로지

중성점 클램핑(NPC) 다단계 토폴로지가 나타나 있습니다. 다이오드 클램핑 NPC 토폴로지 외에도 플라잉 커패시터형, 하이브리드 클램핑형 등 다양한 NPC 토폴로지가 존재합니다. 그러나 대용량 커패시터 사용으로 인해 NPC 토폴로지는 여전히 대부분 수동 또는 능동 스위칭 소자를 클램핑에 사용합니다. 다이오드 클램핑 다단계 토폴로지를 예로 들면, 3상 정류단 토폴로지에서 각 상 레그는 직렬로 연결된 스위칭 트랜지스터와 클램핑 다이오드로 구성되며, 단일 고전압 DC 버스에 병렬로 연결됩니다. 기존 문헌에서는 4레벨 다이오드 클램핑 회로를 사용하는 정류단을 갖춘 단상 PET 토폴로지를 제안했습니다. 그림과 같이 단일 고전압 DC 버스 다음에 입력-직렬-출력-병렬 DAB가 연결됩니다. 이 토폴로지는 3상 구조로 확장할 수 있으며, 전압 레벨 수는 소자의 내전압 및 고전압 측 전압 레벨에 따라 변경할 수 있습니다. MMC 토폴로지와 마찬가지로 NPC 토폴로지도 절연 단계에 적용할 수 있으며, 고전압 DC 버스를 연결합니다. 절연 변압기그림과 같이, 문헌에서는 3레벨 다이오드 클램프형 NPC 컨버터를 LLC 공진 컨버터의 고전압 측에 적용하여 166kW/2kV~400V 프로토타입에서 검증하였다. 또한, 문헌에서는 3레벨 다이오드 클램프형 NPC 회로를 3상 DAB에 적용하여 이상적인 DAB 전압 및 전류 특성을 구현하였다.

NPC 토폴로지를 정류단에 사용할 경우, 절연 DC 버스가 필요하지 않아 절연단 변압기의 수를 줄일 수 있습니다. 또한, 3상 구조에서는 버스 상에 이중 선주파수 전압 리플이 발생하지 않습니다. 그러나 클램핑 토폴로지는 많은 수의 클램핑 소자를 필요로 하므로, 레벨 수가 증가함에 따라 클램핑 소자의 수도 증가하여 레벨 확장이 어렵고 이중화 구현이 까다롭습니다. 제어 측면에서, NPC 컨버터의 각 버스 커패시터로 흐르는 전류가 다르기 때문에 커패시터 전압 불균형이 발생합니다. 3레벨 이상의 NPC 토폴로지에서는 효과적인 전압 밸런싱 알고리즘이 없습니다. 또한, 암 내부와 외부 스위치의 동작 시간이 일정하지 않아 발열이 고르지 않게 발생하는데, 이는 전체 회로 토폴로지를 변경해야만 해결할 수 있습니다.

레벨 확장에 따른 여러 어려움 때문에 NPC 토폴로지는 소자 직렬 연결이나 고전압 SiC 소자 사용을 통해서만 중/고전압 레벨에 적용할 수 있습니다. 그러나 저전압 레벨에서는 단일 H-브리지 토폴로지와 비교했을 때 3레벨 NPC는 각 스위칭 트랜지스터의 내전압 및 전압 스트레스가 절반으로 줄어들면서도 더 많은 전압 레벨을 출력할 수 있어 출력 필터링 요구 사항이 낮아집니다. 따라서 PET의 저전압 측 인버터 스테이지로 사용하기에 상당한 이점을 제공합니다. 예를 들어, 기존 연구에서는 3레벨 다이오드 클램프 NPC를 PET의 인버터 스테이지로 사용하여 3상 모터를 구동하고 실험적으로 검증하여 우수한 모터 구동 성능과 잡음 특성을 달성했습니다.