Revue sur la topologie et les applications de commande des transformateurs électroniques de puissance moyenne et haute tension III

3.3 Topologie multiniveaux bloquée

La topologie multiniveaux à point neutre fixé (NPC) est illustrée. Outre la topologie NPC à diodes de blocage, il existe également des topologies NPC à condensateurs volants et des topologies hybrides, entre autres. Cependant, en raison du volume important des condensateurs, les topologies NPC utilisent encore majoritairement des dispositifs de commutation passifs ou actifs pour le blocage. Prenons l'exemple d'une topologie multiniveaux à diodes de blocage : dans un étage redresseur triphasé, chaque branche est constituée de transistors de commutation et de diodes de blocage en cascade, connectés en parallèle à un bus CC haute tension unique. La littérature propose une topologie PET monophasée avec un étage redresseur utilisant un circuit à diodes de blocage à quatre niveaux. Un bus CC haute tension unique est suivi de convertisseurs DAB (entrée-série-sortie-parallèle), comme illustré. Cette topologie peut être étendue à une structure triphasée, et le nombre de niveaux de tension peut être modifié en fonction des tensions de tenue des composants et du niveau de tension côté haute tension. Tout comme la topologie MMC, la topologie NPC peut également être appliquée à l'étage d'isolation, en connectant le bus CC haute tension au Transformateur d'isolementComme illustré, la littérature décrit l'application d'un convertisseur NPC à diodes de blocage à trois niveaux au côté haute tension d'un convertisseur résonant LLC, validée sur un prototype de 166 kW/2 kV~400 V. Elle décrit également l'application d'un circuit NPC à diodes de blocage à trois niveaux à un convertisseur DAB triphasé, permettant d'obtenir des caractéristiques de tension et de courant idéales pour ce convertisseur.

Lorsque la topologie NPC est utilisée comme étage redresseur, elle ne nécessite pas de bus CC isolés, ce qui réduit le nombre de transformateurs d'isolation. De plus, dans les structures triphasées, il n'y a pas d'ondulation de tension à double fréquence sur le bus. Cependant, la topologie à blocage nécessitant un grand nombre de dispositifs de blocage, ce nombre augmente avec le nombre de niveaux, ce qui rend l'extension de niveaux difficile et la redondance complexe. En termes de contrôle, les courants circulant dans chaque condensateur de bus du convertisseur NPC sont différents, ce qui entraîne un déséquilibre de tension dans les condensateurs. Pour les topologies NPC à plus de trois niveaux, il n'existe pas d'algorithme d'équilibrage de tension efficace. De plus, les temps de fonctionnement incohérents des interrupteurs à l'intérieur et à l'extérieur des bras provoquent un échauffement non uniforme, qui ne peut être résolu qu'en modifiant la topologie globale du circuit.

Les nombreuses difficultés liées à l'extension des niveaux font que les topologies NPC ne peuvent être appliquées qu'aux niveaux de tension moyens/élevés, soit par connexion en série des composants, soit par l'utilisation de composants SiC haute tension. Cependant, aux niveaux de tension inférieurs, comparée à une topologie en pont en H simple, une topologie NPC à trois niveaux présente une tenue en tension et une contrainte sur chaque transistor de commutation deux fois moindres, tout en fournissant davantage de niveaux de tension, ce qui réduit les besoins en filtrage de sortie. Elle présente des avantages considérables en tant qu'étage onduleur côté basse tension d'un convertisseur PET. Par exemple, la littérature décrit l'utilisation d'une topologie NPC à trois niveaux bridée par diodes comme étage onduleur d'un convertisseur PET pour la commande d'un moteur triphasé. Des vérifications expérimentales ont permis d'obtenir de bonnes performances de commande du moteur et un faible niveau de bruit.