Convertidor multinivel DC/DC de alto voltaje en topología escalera

High voltage DC/DC multilevel converter in ladder topology

En este artículo se analiza y se diseña un convertidor multinivel en topología escalera para una aplicación de alto voltaje (3.000 V). Este convertidor se compara con otra estructura conocida llamada flying capacitors y muestra su sencillez en la implementación y en el control. Adicionalmente, se analizan las caídas de voltaje de la topología escalera en función del número de celdas y de la corriente de carga. Por otro lado, se implementa el convertidor, que alcanza satisfactoriamente 3000 V, 100 mA y con los resultados obtenidos se validan los análisis teóricos. El convertidor se prueba con dos tipos diferentes de condensadores y, así, se determina cuál de ellos tiene el mejor desempeño.

INTRODUCCIÓN

​Actualmente, los convertidores estáticos de energía se encuentran en gran variedad de aplicaciones en que se requiera la manipulación de la energía eléctrica. Esto es resultado del desarrollo que han tenido los dispositivos semiconductores de conmutación, que los hace más eficientes y económicos (Mohan et ál., 1995). El objetivo de un convertidor estático de energía es obtener una forma de onda de voltaje o corriente controlable a la salida usando como entrada otro voltaje o corriente. 

Con el aumento del voltaje en los convertidores, los dispositivos de conmutación y almacenamiento se ven obligados también a aumentar sus voltajes permitidos de operación. Por esto, a comienzos de los años noventa surgieron nuevas topologías de convertidores, llamadas convertidores multinivel (Lai et ál., 1996; Rodríguez et ál., 2002; Meynard et ál., 1992), y desde entonces se han usado ampliamente en aplicaciones de alta potencia (Peng, 2000; Marchesoni et ál., 2004; Lee et ál., 2004). Incluso en algunos casos han alcanzado una eficiencia del 98% a 1 kW (Zhang et ál., 2004). 

​Estos convertidores utilizan dispositivos de conmutación de menor voltaje que las topologías habituales, lo que les permite manejar voltajes de varios kilovoltios usando componentes de apenas unos cientos de voltios.