中高壓電力電子變壓器拓樸結構及控制應用綜述 III

3.3 箝位多層拓撲

圖中所示為中點箝位（NPC）多電平拓樸結構。除了二極體箝位NPC拓樸結構外，NPC拓樸結構還包括飛跨電容型和混合箝位型等。然而，由於電容體積較大，NPC拓樸結構目前大多仍採用被動或主動開關元件進行箝位。以二極體箝位多電平拓樸結構為例，在三相整流器級拓樸結構中，每一相橋臂均由級聯的開關電晶體和箝位二極體組成，並聯連接至同一高壓直流母線。文獻提出了一種採用四電平二極體箝位電路的單相PET拓樸結構，其整流器級採用四電平二極體箝位電路。如圖所示，單一高壓直流母線後接有輸入-串聯-輸出-並聯的二極體陣列（DAB）。此拓撲結構可以擴展為三相結構，並且可以根據裝置的耐壓等級和高壓側電壓等級來改變電壓等級的數量。與MMC拓樸結構類似，NPC拓樸結構也可應用於隔離級，將高壓直流母線連接到… 隔離變壓器如圖所示，文獻將三電平二極體箝位NPC變換器應用於LLC諧振變換器的高壓側，並在166kW/2kV~400V樣機上進行了驗證。文獻也將三電平二極體箝位NPC電路應用於三相DAB，實現了理想的DAB電壓和電流特性。

當NPC拓撲用作整流級時，無需隔離直流母線，從而減少了隔離級變壓器的數量。此外，在三相結構中，母線上不存在雙倍工頻電壓漣波。然而，由於箝位拓樸需要大量的箝位元件，箝位元件的數量會隨著級數的增加而增加，導致級數擴展困難，冗餘難以實現。在控制方面，流入NPC變換器各母線電容的電流不同，會導致電容電壓不平衡。對於三級以上的NPC拓撲，目前尚無有效的電壓平衡演算法。此外，橋臂內外開關動作時間的不一致會導致發熱不均勻，這只能透過改變整體電路拓撲結構來解決。

由於電平擴展帶來的許多困難，NPC拓撲結構只能透過裝置串聯或使用高壓SiC裝置應用於中/高壓電平。然而，在較低電壓電平下，與單H橋拓撲結構相比，三電平NPC結構每個開關電晶體的耐壓和電壓應力僅為後者的一半，同時輸出更多電壓電平，從而降低了輸出濾波要求。因此，它作為PET低壓側的逆變器級具有顯著的應用優勢。例如，文獻中曾使用三電平二極體箝位NPC作為PET的逆變器級驅動三相電機，並透過實驗驗證獲得了良好的電機驅動性能和噪聲性能。