کاربردهای ترانس حالت جامد

---

---

 1-1          ساختارهای مختلفSST:

جیمز بروک برای اولین بار در سال1980، ایده اولیه SST را مطرح نمود [14]. در آن زمان با توجه به محدودیت‌های سخت­افزاری، شرایط ساخت SST وجود نداشت. اما پیشرفت‌های کنونی، SST را به موضوعی جذاب برای محققان تبدیل نموده و باعث ارائه ساختار‌های مختلفی در سال‌های اخیر شده است [8]. 

همانگونه که در شکل ‏2‑14و شکل ‏2‑15 نشان داده شده است، ساختارهای متعددی برای SST ارائه شده است [4]، [15] و [16]:

1.       AC-AC-HFT-AC-AC: دو مبدل AC-AC در اولیه و ثانویه. این مبدل‌ها می‌توانند از نوع سیکلوکانورتر [8] و یا مبدل ماتریسی باشند (شکل ‏2‑16).

2.       AC-AC-HFT-AC-DC-AC: دارای یک مبدل AC-AC در اولیه و دو مبدل AC-DC و DC-AC در ثانویه. مزیت این ساختار نسبت به ساختار 1، ایزولاسیون بهتر در مقابل اغتشاشات و امکان اتصال مستقیم منبع DG با خروجی DC به لینک DC ترانسفورماتور است.

3.       AC-AC-HFT-AC-DC-AC با خازن لینک DC: این ساختار کاملا مشابه ساختار 2 است با این تفاوت که به دلیل وجود خازن در لینک DC حساسیت کمتری نسبت به اغتشاشات ورودی دارد.

4.       AC-DC-AC-HFT-AC-AC: در اولیه دو مبدل AC-DC و DC-AC و در ثانویه یک مبدل AC-AC قرار دارد. در این ساختار امکان اتصال مستقیم منبع تولید پراکنده DC به سمت اولیه ترانسفورماتور وجود دارد.

5.       AC-DC-AC-HFT-AC-DC-AC: در این ساختار امکان اتصال مستقیم منبع تولید پراکنده DC به اولیه و ثانویه و همچنین تغذیه مستقیم بارهای DC از اولیه و ثانویه وجود دارد.

6.       AC-DC-AC-HFT-AC-DC-AC با خازن لینک DC در ثانویه: مزیت این ساختار نسبت به 5، حساسیت کمتر ولتاژ خروجی نسبت به اغتشاشات ورودی به دلیل وجود خازن لینک DC است. اما خازن لینک DC حجم و قیمت سیستم را افزایش می‌دهد (شکل ‏2‑17).

7.       AC-DC-AC-HFT-AC-AC با خازن لینک DC در اولیه: در طبقه DC اولیه یک خازن برای ثابت نگه­داشتن ولتاژ بکار گرفته­شده است. در نتیجه اغتشاشات اولیه بسیار کمتری به ثانویه منتقل می‌شوند. این ساختار امکان جبرانسازی پدیده‌های لحظه‌ای و گذرای کیفیت توان مانند افت و قطعی ولتاژ لحظه‌ای را دارد.

8.       AC-DC-AC-HFT-AC-DC-AC با خازن لینک DC در اولیه: وجود یک خازن DC در اولیه می‌تواند با ثابت نگه داشتن ولتاژ لینک DC باعث جبران‌سازی برخی اغتشاشات ورودی گردد. عیب این ساختار وجود خازن در سمت اولیه MV است. بنابراین نیاز به خازن با قابلیت تحمل ولتاژ بالا است که معمولا این نوع خازن‌ها قیمت بالایی دارند.

9.       AC-DC-AC-HFT-AC-DC-AC با خازن لینک DC در اولیه و ثانویه: با قرار دادن خازن لینک DC در اولیه و ثانویه، کنترل مبدل‌های هر دو سمت ساده‌تر می‌شود. علاوه بر این، عملکرد سیستم در حالت وقوع اغتشاش در ورودی و خروجی بهبود می‌یابد (شکل ‏2‑18).

 

 

شکل ‏2‑15 ادامه انواع ساختار‌های SST [8]

 

شکل ‏2‑16 ساختار مبدل ماتریسی (a) مستقیم و (b) غیر مستقیم [8]

شکل ‏2‑17 ساختار  AC-AC-HFT-AC-DC-AC با خازن لینک DC ثانویه[8]

 

شکل ‏2‑18 ساختار  AC-DC-AC-HFT-AC-DC-AC با خازن لینک DC اولیه و ثانویه[8]

1-2         ساختار ماژولار و چند سطحی

در کاربردهای ولتاژ متوسط شکستن ولتاژ روی ادوات به دلیل محدودیت سطح ولتاژ مجاز نیمه‌هادی‌های قدرت ضروری است. بر این اساس می‌توان تمام یا بخشی از ساختار SST را به صورت ماژولار و یا چند سطحی طراحی و پیاده­سازی کرد. هم مدار الکتریکی و هم مدار مغناطیسی، قابلیت ساخت به­صورت ماژولار را دارا می‌باشند. نمونه‌ای از این نوع ساختار در شکل ‏2‑19 نشان داده­شده است. در این ساختار هریک از سه فاز ورودی به­صورت یک ماژول جداگانه پیاده­سازی شده‌اند. شکل ‏2‑20 چند نمونه از SST مبتنی بر ساختار مبدل چند سطحی را نشان می‌دهد. در این حالت به دلیل اتصال سری اجزا، ولتاژ روی هر کلید تنها بخشی از کل ولتاژ سیستم است. بنابراین می‌توان به سطوح ولتاژ بالاتر دسترسی پیدا کرد.

شکل ‏2‑19 ترانسفورماتورSST با سه ماژول در فاز ورودی

 

 

شکل ‏2‑20 مبدل‌های چند سطحی [8]

همانطور که در شکل ‏2‑21 دیده می‌شود، به طور کلی ترکیب‌های زیر برای افزایش ظرفیت و سطح ولتاژ SST قابل پیشنهاد است:

-         بخش‌بندی تبدیل توان: ساختار‌های ماتریسی و لینک DC

-         جداکردن سیستم سه‌فاز به سه عدد فاز مستقل: ماژولارسازی فاز

-         شکستن ولتاژ متوسط به ولتاژ‌های جزئی پایین‌تر: روش‌های سلولی/چند سطحی

 

شکل ‏2‑21 درجه ماژولار بودن، چند سطحی بودن و بخش بندی توان

نحوه­ی نامگذاری انواع مبدل­های چند سطحی بر حسب تعداد طبقات و مشخصات ترانس مورد استفاده، در پیوست 1 بیان شده است.

1-3         بررسی نمونه های تحقق یافته

این فناوری به دلیل نوظهور بودن دارای نمونه­های تحقق یافته­ی محدودی در صنعت می­باشد. از طرفی به دلیل جذابیت این موضوع برای پژوهشگران، کارهای تحقیقاتی متعددی درحال انجام می­باشد. بررسی نمونه­های تحقیقاتی در بخش ‏2-10‏0 ارائه می­گردد و در این بخش تنها نمونه­های تحقق یافته­ی صنعتی و نیمه صنعتی بررسی می­گردند.

چند نمونه از SSTهای ساخته شده برای کاربردهای مختلف شامل موارد زیر است:

1.       در پروژه UNIFLEX یک SST با سه پورت ساخته­شده است که دو پورت آن برای اتصال بین شبکه­هایkV  3.3 و پورت سوم برای اتصال به شبکه فشار ضعیف در نظر گرفته­شده است [17].

2.       ABB در حال حاضر به استفاده از SST در کاربردهای حمل­و­نقل ریلی به جهت افزایش کارایی و چگالی توان توجه کرده است [18][19].

انواع ساختارهای ارائه­شده برای SST با توجه به ادوات مختلف کلید زنی بکار گرفته­شده در آن‌ها به­صورت زیر است:

·         استفاده از سوئیچ‌های سیلیکون کاربید SiC [19]

·         شرکت EPRI یک SST با عنوان ترانسفورماتور یونیورسال هوشمند[1] ساخته و در آن بجای IGBT یا MOSFET از SGTO در یک مبدل DC-DC رزونانسی با هدف کاهش تلفات کلیدزنی استفاده کرده است [20].

معرفی کلیدهای PMOS با ولتاژ کاری 4500 ولت توسط شرکت IXYS منجر به ایجاد تحول در ساختارهای آینده این ترانس خواهد گردید. هر چند در حال حاضر این کلیدها در مرحله اولیه معرفی به بازار هستند و انتظار می رود در آینده نزدیک منجر به تغییر چشمگیر در تکنولوژی مبدل های الکترونیک قدرت ولتاژ بالا از جمله SST گردد.

به دلیل ملاحظات شرکت­های دارنده­ی این فناوری، اطلاعات محدودی در زمینه­ی ترانسفورماتور حالت جامد در اختیار می­باشد، در ادامه ترانسفورماتور حالت جامد معرفی شده توسطEPRI  و ABB معرفی شده‌اند.

1-3-1        ترانسفورماتور یونیورسال هوشمند EPRI

در سال2006 موسسه EPRI اقدام به معرفی ترانسفورماتور یونیورسال هوشمند یا IUT نمود. جهت مشخص نمودن دلیل استفاده از IUT در شبکه­ی توزیع برق نمودار شکل ‏2‑22 و شکل ‏2‑23 ارائه­شده است. در شکل ‏2‑22 شبکه­ی برق سنتی و در شکل ‏2‑23 شبکه­ی برق هوشمند در حضور ادوات هوشمند از قبیل IUT، SVC[2]و IED[3] نشان داده­شده است. با استفاده از IUTها امکان مانور و کنترل راحت­تر شبکه فراهم می­گردد.

شکل ‏2‑22 نمایش مفهومی شبکه توزیع برق سنتی

شکل ‏2‑23 نمایش مفهومی شبکه توزیع برق هوشمند

در حال حاضر این پروژه در فاز ساخت نمونه­ی آزمایشگاهی قرار دارد. در شکل ‏2‑24 تصویری از نمونه­ی آزمایشگاهی ساخته­شده ارائه شده است. این نمونه دارای ساختار سه طبقه بوده و ولتاژ ورودی حداکثر kV 2.4 و ولتاژ خروجی V 220 می­باشد. اطلاعات فنی بیشتری از نمونه­ی ساخته­شده منتشر نشده ­است. بنا بر گزارش­های EPRI توسعه­ی نمونه­ی آزمایشگاهی به نمونه­ی صنعتی با قابلیت تحمل خطا و حفاظت هنوز به انجام نرسیده است.

شکل ‏2‑24 نمونه آزمایشگاهی IUT ساخته­شده توسطEPRI

1-3-2       ترانسفورماتور الکترونیکی ویژه قطار برقی

شرکت ABB با بررسی ساختار قطارهای برقی فعلی که از سال 1884 میلادی دارای تغییرات قابل توجهی نبوده است، اقدام به پیشنهاد استفاده از ترانسفورماتور الکترونیکی ویژه قطار برقی یا PETT[4] نموده است. در شکل ‏2‑25 ساختار بلوکی ترانسفورماتور پیشنهادی نشان داده­شده است. در این ساختار برق AC ورودی پس از یکسوسازی به فرم AC فرکانس بالا تبدیل شده و از ترانسفورماتور فرکانس بالا عبور می­کند و در نهایت تبدیل به برق DC می­شود.

شکل ‏2‑25 ساختار بلوکی ترانسفورماتور پیشنهادی ABB

جدول ‏2‑5 مقایسه ترانسفورماتور سنتی و ترانسفورماتور فرکانس بالا

به­منظور مقایسه ترانسفورماتور سنتی با ترانسفورماتور فرکانس بالا در موارد محدوده توان عملکردی، چگالی توان، راندمان، وزن روغن خنک­کنندگی و وزن مس بکار رفته برای سیم­پیچی، جدول زیر ارائه شده ­است. همانطور که درجدول ‏2‑5 مشخص است ترانسفورماتور فرکانس بالا از چگالی توان بالاتر و حجم و وزن کمتری نسبت به ترانسفورماتور سنتی برخوردار می­باشد.

1-4         مروری بر شماتیک کلی مدارSST

چنانکه ملاحظه شد، تیم‌های تحقیقاتی مختلف، استراتژی‌ها و ساختارهای مختلفی را برای ساخت SST در نظرگرفته‌اند. از آنجایی که نمی‌توان به یکباره به سراغ انتخاب ساختار مناسب برای این پروژه رفت، ابتدا لازم است مطالعه دقیقی بر روی اطلاعات ارائه شده در مورد این ساختارها انجام گیرد.

ترانسفورماتور SST شامل یک یا چند مبدل الکترونیک قدرت و یک ترانسفورماتور یکپارچه فرکانس بالاست. ساختارهای گوناگونی برای SST ارائه شده است که می‌توان آن‌ها را در 4 دسته قرار داد. این چهار دسته در شکل ‏2‑26 معرفی شده‌اند [21][22]:

از این چهار دسته، دسته سوم و چهارم که دارای دو لینک DC می‌باشند، به خاطر قابلیت انعطاف و عملکرد کنترلی بالا، نسبت به دسته‌های دیگر مناسب‌تر به نظر می‌رسند. امکان کنترل مستقل توان راکتیو و رفع مشکل افت ولتاژهای ورودی را فراهم می‌کند. این ساختار همچنین برای کنترل بهتر ولتاژ و جریان در هر دو سمت اولیه و ثانویه مناسب است [21][1][23]. این ساختار دارای یک مبدل AC-DC در طبقه فشار متوسط، یک مبدل DC-DC با یک ترانسفورماتور فرکانس بالا برای ایزولاسیون و کاهش سطح ولتاژ و یک مبدل DC-AC در سطح فشار ضعیف است.

 شکل ‏2‑26 انواع ساختارهای SST

1-5         طبقه تبدیل AC-DC

این طبقه دارای یک سمت AC فشار متوسط و یک سمت DC است. دو انتخاب برای امکان عملکرد در سطوح بالای ولتاژ وجود دارد [24][25].

1-     مبدل‌های دو سطحی با استفاده از نیمه­هادی‌های ولتاژ بالای جدید

2-     مبدل‌های چند سطحی با استفاده از نیمه­هادی‌های صنعتی موجود

استفاده از نیمه‌هادی‌های ولتاژ بالا در مبدل‌های کلاسیک دو سطحیِ منبع ولتاژ[5]، مزیت استفاده از ساختارهای مداری و روش‌های کنترلی شناخته شده را داراست. در مقابل، نیمه­هادی‌های جدیدتر، گران‌بهاتر هستند و توان نامی بالای آن‌ها، نیازهای جدیدی را در سطوح بالای توان ایجاد می‌کند و ضمناً به فیلترهای ولتاژ بالا هم نیاز دارند [26]. مقیاس پذیری[6] 2L-VSC هم مسئله مهمی است، زیرا توانایی تحمل ولتاژ با توجه به توان نامی نیمه‌هادی‌ها محدود می‌شود.  

ساختارهای جدید مبدل‌ها که به عنوان مبدل‌های چندسطحی شناخته شده‌اند، ادوات ارزان­قیمت و شناخته شده الکترونیک قدرت را به کار می‌گیرند. این مبدل‌ها به هر سطح ولتاژ مطلوب، مقیاس پذیر هستند اما مدارهای آن‌ها پیچیده است و چالش‌هایی در مسیر پیاده سازی و کنترل آن‌ها وجود دارد. با این حال، این پیچیدگی درجات آزادی بیشتری را در کنترل فراهم می‌کند که می‌توان از آن برای افزایش کیفیت توان و کارایی بهره گرفت. این خصوصیات که جذابیت توسعه و پیاده سازی مبدل‌های چندسطحی را افزایش داده است [24][26]، خود دلایلی بر استفاده از ساختار چند سطحی در طبقه AC-DC ترانسفورماتور حالت جامد می‌باشند.

1-5-1        ساختار‌ها

فناوری مبدل‌های چند سطحی به دلیل سطوح توان بالا، ولتاژهای مد مشترک پایین، هارمونیک کم، جریان‌های تقریباً سینوسی، نداشتن فیلتر یا نیاز به فیلترهای کوچک در ورودی و خروجی، راندمان بالا و تحمل در برابر خطا به پیشرفت‌های چشمگیری دست یافته است [26].

این مبدل‌ها، شامل آرایه‌ای از ادوات نیمه هادی و خازن برای تأمین شکل موج‌های چند پله‌ای ولتاژ می‌باشند. تعداد سطوح یک مبدل، بر اساس تعداد سطوح ولتاژی که می‌تواند بین زمین و پایانه خروجی تولید شود، مشخص می‌گردد. هر فاز مبدل، باید حداقل سه سطح ولتاژ مختلف را تولید کند.

اولین مبدل‌های چند سطحی از نوع پل آبشاری[7]، مبدل‌های کلمپ نقطه نول و مبدل‌های با خازن آزاد بودند. این سه ساختار، بیش از بقیه مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و کاربرد صنعتی دارند و در ادامه بیان می گردند.

 

 

 

 

 

 

 

شکل ‏2‑27شکل موج ولتاژ خروجی مبدل:(a) دو سطحی، (b) سه سطحی، (c) نه سطحی

از دیگر ساختار‌های معرفی شده با کاربرد عملی عبارتند از [27][25][28]:

·         مبدل پل  Hکلمپ نقطه نول[8]

·         مبدل سه سطحی کلمپ نقطه نول[9]

·         مبدل پنج سطحی کلمپ نقطه نول[10]

·         مبدل کلمپ ترانزیستوری[11]

·         مبدل چند سطحی ماژولار[12]

توضیحات تکمیلی پیرامون ساختارهای فوق در پیوست 2 بیان شده است.

1-5-1-1       مبدل‌های کلمپ نقطه نول یا کلمپ دیودی[13]

مبدل‌های NPC یا DCC از چند [14]VSI دو سطحی تشکیل شده‌اند [26]. یک NPC سه سطحی در شکل ‏2‑28 نشان داده­شده است. نقطه منفی مبدل بالایی به نقطه مثبت مبدل پایینی متصل شده و فاز جدیدی در خروجی فراهم کرده است، درحالی­که خروجی‌های اصلی از طریق دو دیود کلمپ به هم مرتبط شده‌اند تا نقطه خنثی (نول) را ایجاد و ولتاژ لینک DC (V_DC) را به دو قسمت تقسیم کنند. با توجه به این تقسیم، هر المان قدرت تنها باید نیمی از ولتاژ مبدل را تحمل کند و بدین ترتیب با همان نیمه‌هادی‌های مورد استفاده در VSIهای متداول، می‌توان به توان نامی دو برابر در مبدل دست یافت. با در نظرگرفتن نقطه خنثی به عنوان سطح ولتاژ صفر، مدار شکل ‏2‑28، می‌تواند سه سطح ولتاژ را ایجاد کند.

اگرچه NPC از نظر تئوری، قابلیت توسعه به هر تعداد سطح ولتاژ خروجی را داراست؛ اما در کارهای ارائه شده از قبیل [29] و [30] سطوح ولتاژ خروجی به پنج سطح محدود شده است. در تعداد سطوح بیشتر، مشکل عدم تعادل ولتاژ خازن‌ها بروز می‌کند. مشکل دیگری که وجود دارد این است که با وجود محدود بودن ولتاژ روی سوئیچ‌ها به ولتاژ بهره­برداری، دیودهای کلمپ باید چند برابر ولتاژ را تحمل نمایند. این مسئله نیاز به سری کردن چند دیود را ایجاد می‌کند که تلفات هدایت را افزایش می‌دهد. همچنین، دیودهای سری جریان‌های بازیابی معکوس ایجاد می‌کنند که باعث افزایش تلفات کلیدزنی می‌شود.

مهم‌ترین مزایای NPC عبارتند از [31] و [32]:

·         همه فازها از یک باس DC استفاده می‌کنند که نیاز به خازن را کاهش می‌دهد.

·         خازن‌ها را می‌توان به صورت گروهی، پیش­شارژ نمود.

·         وقتی کلیدها در فرکانس پایه[15] کار می‌کنند، راندمان بالاست.

·         شارش توان راکتیو قابل کنترل است.

·         روش کنترل، برای مبدل‌های پشت به پشت، ساده است.

همچنین مهم‌ترین معایب NPC عبارتند از:

·         کنترل پخش توان اکتیو در مبدل مشکل است زیرا سطوح میانی ولتاژ DC، می‌تواند باعث شارژ اضافه یا تخلیه خازن‌ها بدون امکان پایش و کنترل دقیق گردد.

·         تعداد دیودهای کلمپ، با مجذور تعداد سطوح ولتاژ افزایش می‌یابد که در سیستم‌های دارای تعداد زیاد سطح ولتاژ، چندان عملی نیست.

·         جریان عبوری از سوئیچ‌ها متفاوت است زیرا برخی سوئیچ‌ها مدت زمانی بیشتر نسبت به سایرین هدایت می‌کنند. در صورت در نظر نگرفتن این مسئله در مرحله طراحی، ممکن است سوئیچ‌ها با ظرفیت زیادتر یا کمتر از مقدار مورد نیاز انتخاب شوند.

·         جریان نابرابر باعث تلفات ناهموار می‌شود که می‌تواند منجر به توزیع نامتقارن دما گردد. این مسئله طراحی سیستم خنک­کننده را تحت تأثیر قرار می‌دهد و حداکثر توان سوئیچ‌ها، جریان خروجی و فرکانس کلیدزنی مبدل را محدود می‌کند [27].

یک نمونه مبدل NPC ماژولار که دارای سیستم سرمایش با آب است در شکل ‏2‑29 نشان داده شده است.

شکل ‏2‑28 مدار قدرت مبدل NPC سه سطحی

 

شکل ‏2‑29 یک ماژول NPC به همراه مدارهای گیت و حفاظت [8].

1-5-1-2      مبدل‌های با خازن آزاد یا FC^[16]

مبدل FC بسیار شبیه NPC است با این تفاوت که دیودهای کلمپ با خازن‌های آزاد جایگزین شده‌اند. در ساختار FC، امکان اتصال مستقیم بار به نقطه خنثی وجود ندارد. برای دسترسی به سطح ولتاژ صفر، بار از طریق خازن آزاد با پلاریته مخالف با لینک DC به باس مثبت یا منفی متصل می­شود. تفاوت مهم دیگر این است که FC ساختاری ماژولار دارد و به سادگی می‌تواند برای دستیابی به تعداد سطوح ولتاژ و توان‌های بالاتر توسعه داده شود.

مهم‌ترین مزایای FC عبارتند از [31][32]:

·         تعداد زیاد خازن‌ها به مبدل امکان عبور از قطعی‌های کوتاه مدت و افت ولتاژهای زیاد ورودی را می‌دهد.

·         توان‌های اکتیو و راکتیو قابل کنترل هستند.

·         انعطاف پذیری در امکان استفاده از ترکیب کلید‌ها برای ایجاد تعادل در سطوح ولتاژ مختلف.

شکل ‏2‑30 مدار قدرت مبدل FC سه سطحی

همچنین مهم‌ترین معایب FC عبارتند از:

·         مبدل‌های با سطوح ولتاژ بالا نیازمند تعداد زیادی خازن ذخیره ساز هستند. سیستم‌های شامل این مبدل‌ها بزرگ و گران‌قیمت هستند و بسته بندی آن‌ها مشکل است.

·         برای برقراری تعادل در خازن‌ها، فرکانس‌های کلیدزنی بالا مورد نیاز است؛ خواه از روش خود متعادل سازی[17] استفاده شود و خواه از یک روش مدولاسیون پیچیده کنترلی. این فرکانس‌های بالا در کاربردهای توان بالا قابل استفاده نیستند.

·         تأمین شارژ اولیه خازن‌ها در زمان راه­اندازی در مقدار ولتاژ تعیین شده خروجی، فرآیندی پیچیده است.

·         میزان استفاده از سوئیچ‌ها[18] و راندمان در انتقال توان حقیقی، کم است.

1-5-1-3      مبدل‌های پل H آبشاری^[19]

مبدل CHB شامل یک اتصال آبشاری از چند اینورتر پل  Hتکفاز است. هر پل H به یک منبع DC ایزوله متصل است و می‌تواند سه سطح ولتاژ متفاوت را تولید کند. برای بدست آوردن سطح ولتاژ صفر، فازهای خروجی را می‌توان به نقاط مثبت یا منفی اینورتر متصل نمود. ولتاژهای خروجی دو یا چند پل متصل شده آبشاری را می‌توان برای ایجاد سطوح ولتاژ متفاوت ترکیب نمود. بدین ترتیب کل سطوح ولتاژ و توان نامی مبدل افزایش می‌یابد.

ولتاژ DC ایزوله مورد استفاده در این ساختار می‌تواند از طریق آرایه های فتوولتائیک تأمین گردد. همچنین می‌توان از خروجی یکسوشده یک ترانسفورماتور با چند سیم پیچ ثانویه استفاده نمود.

مهم‌ترین مزایای CHB عبارتند از [31][32]:

·         CHB می‌تواند تعداد بیشتری سطح ولتاژ خروجی نسبت به NPC و FC تولید کند. بدین ترتیب، CHB برای تولید ولتاژهای یکسان در مقایسه با دو ساختار یاد شده دیگر، فرکانس کلیدزنی پایین‌تری خواهد داشت. فرکانس‌های کلیدزنی پایین‌تر امکان خنک سازی با هوا و فرکانس‌های پایه بالاتر در خروجی را بدون افت توان نامی و بدون استفاده از فیلتر خروجی فراهم می‌کند [27].

·         این ساختار امکان لایه بندی ماژولار و بسته بندی ساده را فراهم می‌سازد، زیرا سطوح ولتاژ ساختاری مشابه دارند و از دیودهای کلمپ اضافه یا خازن‌های متعادل کننده ولتاژ نیز استفاده نشده است.

·         با توجه به امکانات کلیدزنی نرم در این مدار، نیازی به استفاده از اسنابرهای بزرگ و پرتلفات وجود ندارد.

·         از آنجایی که شارژ متوسط هر خازن DC در هر سیکل خط صفر است، بالانس ولتاژ خازن‌ها به صورت خودکار انجام می‌گیرد.

·         استفاده از ترانسفورماتور با جابجایی مناسب در سیم­پیچ‌ها، می‌تواند باعث کاهش هارمونیک‌های جریان ورودی گردد [25].

مهم‌ترین معایب CHB عبارتند از:

·         هر پل نیازمند یک منبع DC ایزوله است.

·         حداکثر ولتاژ لینک DC در هر پل به ولتاژ نامی المان‌ها محدود می‌شود. بدین ترتیب، CHB نمی‌تواند ولتاژ زیادی در لینک DC ایجاد کند.

ساختار دیگری از CHB با منابع ولتاژ نامتقارن نیز پیشنهاد شده است. ایده اصلی این ساختار استفاده از مزیت متفاوت بودن توان‌ها در سلول‌های مختلف یک مبدل است. سلول‌های با توان بالا، می‌توانند با فرکانس کلیدزنی پایین کار کنند تا تلفات کلیدزنی کاهش یابد و امکان تأمین توان‌های بالا برای مبدل فراهم گردد. عیب این ساختار، این است که استفاده از سطوح مختلف توان، قابلیت CHB در حذف هارمونیک‌های مرتبه پایین را از بین می‌برد. همچنین نیاز به نیمه هادی‌های قدرت متفاوت و طراحی‌های حرارتی متفاوت در این ساختار امکان ماژولار بودن آن را نیز فراهم نخواهد کرد. عیب دیگر این است که در برخی نسبت ولتاژها یا شاخص‌های مدولاسیون نامتقارن، جریان گردشی داخل سلول‌های قدرت ممکن است باعث گردش جریان سلول‌های توان پایین در خلاف جهت شود. این پدیده نیازمند اندازه­گیری‌های پیچیده برای حفظ ولتاژ مطلوب خازن‌ها در شرایط یاد شده می‌باشد. با وجود مزایای این ساختار، معایب ذکر شده فوق مانع از پیاده سازی تجاری آن شده است [33].

شکل ‏2‑31مبدل CHB پنج سطحی

1-5-1-4      ماژولار بودن

تاکید زیادی بر ماژولار بودن ساختار‌های مختلف شده است. یک سیستم ماژولار، سیستمی شامل بلوک‌های ساختمانی مشابه است. از­آنجایی­که این بلوک‌ها مشابه هستند، هزینه‌های ساخت به میزان قابل­توجهی کاهش می‌یابد و سرویس و تعمیرات و نیز مقیاس­بندی سیستم به­سادگی انجام می‌شود. همچنین می­توان درجه افزونگی[20] را با پیاده­سازی یک سیستم کنترلی جهت خارج کردن ماژول‌های خراب از مدار افزایش داد [42]. یک CHB ماژولار در شکل ‏2‑32 نشان داده­شده است.

شکل ‏2‑32 ساختار ماژولار CHB

 

 

1-5-1-5      بحث

به منظور انتخاب میان ساختارهای مختلف، مقایسه بین آن‌ها در جدول ‏2‑6 ارائه شده است.

جدول ‏2‑6 مقایسه میان ساختار‌های چند سطحی [45]

 

داده‌های ارائه شده در جدول ‏2‑6 نشان می‌دهد که CHB دارای ساختاری ماژولار، کنترل تعادل ولتاژ ساده و کنترل ساده‌ می­باشد. این حقیقت که CHB توانایی دستیابی به ولتاژهای بالای لینک DC را ندارد برای این کاربرد محدودیتی محسوب نمی‌شود چرا که در اینجا هدف تنها تمرکز بر اتصال میان دو ولتاژ AC است. بنابراین، با توجه به مزایای CHB این ساختار مناسب‌ترین ساختار برای طبقه تبدیل AC-DC در SST می‌باشد.