N´umero de Niveles, Fuentes y Semiconductores

El aumentar la cantidad de conversores tiene ventajas y desventajas. El conectar con- versores en serie permite aumentar potencia de salida del conversor y producir un voltaje mayor y m´as limpio, a su vez aumentando los costos y disminuyendo la eficiencia del conversor dado el aumento del n´umero de fuentes independientes y semiconductores de potencia necesitados.

Sin embargo, en la mayor parte de las aplicaciones de mediana y alta tensi´on se ve superada la capacidad de bloquear voltaje de cada semiconductor, lo cual obliga a colocar dispositivos en serie de forma de poder operar a los voltajes requeridos. Esto supone una serie de desventajas, como una mayor p´erdida por conducci´on del semiconductor efectivo y una distribuci´on desigual del voltaje bloqueado en cada semiconductor en serie, la cual depende de las caracter´ısticas de producci´on de cada elemento (Bin Wu, 2006). Estas desventajas suponen para los conversores convencionales costos adicionales en disipaci´on t´ermica y en m´etodos de ecualizaci´on del voltaje de bloqueo de cada semiconductor. Lo anterior, sumado al mejor rendimiento en t´erminos de voltajes de modo com´un, distorsi´on y ruido electromagn´etico hacen de los conversores multinivel una opci´on competitiva contra los convencionales en las aplicaciones de medio-alto voltaje y alta potencia (Rodr´ıguez, 2009).

• N ´umero de Niveles:

Como el voltaje de salida de un conversor CM depende de la combinaci´on de los voltajes de cada una de sus celdas, entonces el aumentar el n´umero de cel- das (aumentando a su vez el tama˜no del conversor CM) conlleva un aumento del n´umero de niveles del conversor. La composici´on del n´umero de niveles de- pende de las asimetr´ıas de voltaje, siendo estas estudiadas exhaustivamente en la siguiente secci´on y en el cap´ıtulo 3.

Por ejemplo, el conversor de la figura 2.4 est´a formado por tres celdas (puentes- H) por fase. De la misma forma que en el cap´ıtulo anterior, se pueden generar

todas las combinaciones posibles de estados de cada celda. Si se asume que el conversor es sim´etrico (todas las celdas son de id´entico voltaje), estos estados ser´ıan los presentados en la tabla 2.1. El n´umero de niveles por fase aumenta comparado con un conversor de dos celdas, como el presentado en el cap´ıtulo anterior (7 contra 5), igual que el n´umero de redundancias (20 contra 4) y estados (27 contra 9).

TABLA2.1. Estados posibles para una fase de un CHB de tres celdas por fase

Estado Voltaje H-1 Voltaje H-2 Voltaje H-3 Compuesto

1 −VDC −VDC −VDC −3VDC 2 −VDC −VDC 0 −2VDC 3 −VDC −VDC VDC −VDC 4 −VDC 0 −VDC −2VDC 5 −VDC 0 0 −VDC 6 −VDC 0 VDC 0 7 −VDC VDC −VDC −VDC 8 −VDC VDC 0 0 9 −VDC VDC VDC VDC 10 0 −VDC −VDC −2VDC 11 0 −VDC 0 −VDC 12 0 −VDC VDC 0 13 0 0 −VDC −VDC 14 0 0 0 0 15 0 0 VDC VDC 16 0 VDC −VDC 0 17 0 VDC 0 VDC 18 0 VDC VDC 2VDC 19 VDC −VDC −VDC −VDC 20 VDC −VDC 0 0 21 VDC −VDC VDC VDC 22 VDC 0 −VDC 0 23 VDC 0 0 VDC 24 VDC 0 VDC 2VDC 25 VDC VDC −VDC VDC 26 VDC VDC 0 2VDC 27 VDC VDC VDC 3VDC

Al igual que los estados individuales, el espacio vectorialde un conversor CM se compone a partir de la combinaci´on de los espacios vectoriales de cada una

de sus etapas (conversores o arreglos de celdas polif´asicos conectados en serie), mediante la sobreposici´on de los estados de estas. La figura 2.6 muestra el es- pacio vectorial de un CHB trif´asico de dos etapas, como el de la figura 2.5. El hex´agono rojo representa el espacio vectorial de una de las dos etapas, mientras que el hex´agono azul representa el de la otra, superpuesto sobre el vector mar- cado por un c´ırculo. El espacio vectorial de una etapa se superpone sobre cada vector posible de la otra como si este fuera el origen (0,0).

a b c

N

VDC VDC VDC

VDC VDC VDC

FIGURA2.5. Conversor CHB sim´etrico de 5 niveles

• N ´umero de Fuentes DC:

Cada celda monof´asica o trif´asica, como las presentadas en la figuras 2.1 y 2.2, necesitan una fuente DC independiente. Esto representa un problema para el costo del conversor puesto que para aislar cada fuente se necesitan pesados trans- formadores especiales, puentes rectificadores unidireccionales o bidireccionales y filtros sintonizados. Estos son de gran tama˜no, disminuyen la eficiencia e in- troducen arm´onicos de corriente en la red, lo cual obliga a utilizar esquemas de rectificaci´on multipulso para aplicaciones de alta potencia (Kouro et al, 2010).

FIGURA2.6. Espacio vectorial compuesto para CHB de 5 niveles

En topolog´ıas MMC (modular multilevel converter), las fuentes independientes son reemplazadas por capacitores cuyo nivel de voltaje es balanceado por el con- trol del conversor. Estas topolog´ıas pueden operar desde una ´unica fuente DC y no requieren necesariamente de un transformador. (P´erez et al, 2015)

• N ´umero de Semiconductores:

El mayor n´umero de rectificadores y celdas implica un aumento en el n´umero de semiconductores en uso. Entre los problemas asociados a ello est´an la menor confiabilidad del conversor (mayor tasa de fallo de componentes), aumento de p´erdidas por conducci´on (los elementos semiconductores tienen una ca´ıda de tensi´on por efectos de sus junturas y por ende incurren en p´erdidas al conducir corriente) y una mayor complejidad de la estructura y del control del conversor. La tabla 2.2 muestra el n´umero de semiconductores m´ınimo para ciertas topolog´ıas comunes de rectificadores e inversores. En aplicaciones a voltajes que superan los valores nominales de cada semiconductor se requiere conexiones de semi- conductores adicionales en serie, lo que supone variaciones de los valores de la

tabla, la cual es representativa s´olamente bajo el supuesto que cada semiconduc- tor maneja voltajes menores a sus l´ımites.

TABLA2.2. N´umero de semiconductores por topolog´ıa de conversor

Tipo de Niveles Diodos Dispositivos Total Requerimientos

Conversor Controlados SC Adicionales

Rectificadores de Diodos Monof´asicos

Media Onda - 1 0 1 -

Onda Completa - 2 0 2 Punto Medio

Onda Completa - 4 0 4 -

Rectificadores de Diodos Trif´asicos

Media Onda - 3 0 3 -

Onda Completa - 6 0 6 -

Conversores Monof´asicos

Half-Bridge 2 2 2 4 Punto Medio Virtual

Full-Bridge 3 4 4 8 -

NPC H-Bridge 5 12 8 20 Punto Medio Virtual

FC H-Bridge 5 8 8 16 Capacitores Adicionales

Conversores Trif´asicos

Half-Bridge 2 6 6 12 -

NPC 3-Level 3 18 12 30 Punto Medio Virtual

FC 3-Level 3 12 12 24 Capacitores Adicionales