Convertitori multilivello: cosa sono, topologie e campi d’impiego

Nella maggior parte delle applicazioni elettroniche dedicate alla gestione della potenza si ha la necessità di avere tensioni, e di conseguenza correnti, ad ampiezza o frequenza variabili. In altri casi occorre una sorgente alternata avendo a disposizione solo una alimentazione in continua (batterie, pannelli fotovoltaici, ecc.).

La soluzione, come noto, è data dai convertitori statici DC-AC detti anche inverter. Il funzionamento “classico” e maggiormente utilizzato è basato su una struttura formata da coppie di interruttori che sono accesi o spenti in modo complementare.

Di conseguenza il punto centrale fra i due interruttori è alternativamente collegato al morsetto a potenziale maggiore o a quello a potenziale minore dell’alimentazione in DC. Utilizzando due o tre coppie (dette  “rami” o “gambe”) si ottiene un inverter monofase o trifase.

Per applicazioni a bassa potenza questa topologia non mostra particolari controindicazioni ma quali problematiche possono verificarsi all’aumentare della tensione (ovvero oltre i 2 kV)? La prima cosa  evidente è che l’interruttore “aperto” deve sopportare tutta la tensione della sorgente DC.

Se poi aumenta anche la corrente o la frequenza di commutazione si devono mettere in conto anche le elevate tensioni indotte dagli inevitabili carichi induttivi (oltre alle necessarie induttanze di filtro ci potrebbe essere anche il contributo dei cavi di collegamento al carico se si commutano centinaia di Ampere in meno di un millisecondo!).

La soluzione più immediata e verso cui la ricerca tecnologica è indirizzata è lo sviluppo di interruttori in grado di sopportare tensioni sempre maggiori ed in grado di commutare correnti elevate a sempre maggior frequenza (dispositivi in SiC o GaN).

Tuttavia i risultati ottenuti non sono ancora sufficienti per applicazioni ad alta potenza e pertanto sono state pensate topologie basate su un concetto diverso: invece di commutare fra “solo” due livelli di tensione si può pensare di commutare fra più valori.

I convertitori che fanno uso di questo principio sono chiamati appunto convertitori “multilivello”.

Schema di principio

Per capire come ottenere una tensione che possa assumere tre o più valori a partire da una sorgente in DC si può far riferimento alla Figura 1. In un inverter tradizionale a due livelli il  terminale di uscita è collegato alternativamente al punto a potenziale maggiore o a quello a potenziale minore.

In un inverter a tre livelli invece il terminale viene connesso anche ad un punto intermedio.

Figura 1: Schema di principio dei convertitori 2 livelli (sinistra)  e 3 livelli (destra)

Come realizzare questa connessione è la vera sfida tecnologica che ha portato a diverse soluzioni topologiche, ognuna con i suoi pregi e suoi difetti. Teniamo presente che non sempre è possibile dividere fisicamente la sorgente DC in due (come nello schema di Figura 1) e quindi bisogna “inventarsi” qualcosa, come vedremo in seguito, per ricavare i valori di tensione necessari a sintetizzare l’uscita desiderata.

Una considerazione di sicurezza, visto che questi convertitori sono utilizzati per alte potenze, è legata alla scelta del potenziale di riferimento. Volutamente non è disegnata la massa in Figura 1 perché da un punto di vista elettrico l’ampiezza picco-picco dell’uscita è sempre pari a Vdc, però in un caso varia da 0 a Vdc (con un valor medio di Vdc/2) e nell’altro varia da -Vdc/2 a Vdc/2.

Chiaramente per ragioni di sicurezza è sempre preferibile limitare la massima tensione verso massa (ovvero verso terra) e quindi, ove possibile, si sceglierà sempre di collegare il punto medio a massa.

Per avere un’idea di come opera un convertitore a tre livelli si può far riferimento alla Figura 2 in cui è mostrata la sinusoide di riferimento e la tensione ottenibile con una modulazione PWM.

Figura 2: Riferimento e tensione di uscita di un ramo di convertitore a tre livelli

Per la semionda positiva l’uscita oscilla fra 0 e Vdc/2 mentre per la negativa fra 0 e -Vdc/2. All’aumentare dei livelli (per tensioni dell’ordine della decina di kV esistono convertitori anche a 7 o più livelli) si può immaginare che la sinusoide venga “ricostruita” realizzando modulazioni sempre più piccole intorno ai vari livelli, con ovvi vantaggi nella scelta dei dispositivi da impiegare.

Neutral Point Clamped Multilever Converter

La prima topologia che vediamo e che è stata impiegata è basata sull’uso di diodi, che possono essere visti come interruttori controllati dalla stessa tensione loro applicata, e sulla possibilità di collegarsi fisicamente al punto medio della sorgente DC, per questa detta Neutral Point Clamped (NPC).

In Figura 3 è riportato, per semplicità, un convertitore a tre livelli in cui i condensatori rappresentano lo stadio di uscita di un alimentatore a monte (che può essere tanto una sorgente in continua quanto l’uscita di un raddrizzatore), ma il principio di funzionamento può essere replicato per arrivare ad un numero più elevato di livelli (tipicamente 5 o 7).

Figura 3: Convertitore NPC  trifase a tre livelli

Vediamo il funzionamento di un ramo: quando i due interruttori in alto sono chiusi (e gli altri due necessariamente aperti),  l’uscita è collegata al bus in alto, i diodi risultano contropolarizzati, e la tensione è al valore massimo. Nel caso opposto abbiamo il valore minimo.

Per ottenere il valore intermedio  si aprono l’interruttore posto in alto e quello in basso e si chiudono i due intermedi: in questo modo l’uscita risulta connessa al punto medio dei due condensatori tramite i due diodi in antiparallelo.

Flying Capacitor Multilever Converter

Un’altra topologia sviluppata con lo scopo di evitare l’uso di diodi, che sono in effetti interruttori con le relative ulteriori commutazioni (che influenzano il contributo armonico e quindi la distorsione della corrente nel carico) o da utilizzare dove non è accessibile il punto medio della sorgente DC è basata sull’uso di condensatori di appoggio che sono opportunamente “caricati” alle tensioni intermedie.

Lo schema è mostrato in Figura 4 e prendono il nome di Flying Capacitor (FC) Converter perché i condensatori sono collegati di volta in volta a punti diversi per determinare la tensione di uscita.

 Figura 4: Convertitore FC  trifase a tre livelli

Se il condensatore interno è caricato a Vdc/2 si possono ottenere i tre livelli desiderati. In pratica c’è un ulteriore circuito che serve a caricare il condensatore prima di avviare il convertitore. Tramite una opportuna scelta delle configurazioni si collega un morsetto del condensatore interno all’uscita e l’altro al potenziale inferiore ottenere la tensione al valore intermedio.

Le potenzialità di questo convertitore sono limitate però proprio dalla presenza dei condensatori intermedi. Se fossero dei generatori ideali di tensione si avrebbe la garanzia di avere valori stabili pari ai livelli desiderati invece i condensatori si scaricano o caricano a seconda del verso della corrente che li attraversa. Di conseguenza occorrono circuiti esterni  per la compensazione della carica dei condensatori, unite a precise strategie di controllo per la gestione dei tempi di accensione e spegnimento degli interruttori, in modo da limitare le variazioni di carica dei condensatori.

Modular Multilever Converter

Le caratteristiche interessanti dei convertitori NPC e FC sono quindi limitate dalla complessità circuitale, con un numero di diodi o condensatori che cresce in modo esponenziale con il numero dei livelli, dalla conseguente complessità del controllo e dalla necessità di gestire la carica e la scarica dei condensatori.

Varie topologie sono state studiate e circa una decina di anni fa si è arrivati ad una configurazione che riesce a risolvere la maggior parte delle problematiche  precedenti, basata su una struttura modulare. Uno schema base per un convertitore a trifase a tre livelli è mostrato in Figura 5.

Figura 5: Modular Multilever Converter trifase a tre livelli

Come si vede è realizzato mediante piccole “celle” formate da condensatori che possono essere inseriti o esclusi dal circuito mediante due interruttori. La tensione in uscita è allora ottenuta come somma delle tensioni delle celle elementari. I due induttori centrali servono a realizzare la connessione fra i due generatori di tensione formati dal ramo superiore e quello inferiore.

Risulta evidente che per aumentare il numero dei livelli è sufficiente aggiungere celle elementari come dei moduli che si ripetono, da cui il nome. Il numero di condensatori e coppie di interruttori cresce linearmente con il numero dei livelli e si può raggiungere un numero elevato di livelli senza incorrere nelle limitazioni delle topologie precedenti. Anche la compensazione delle tensioni dei condensatori si può ottenere con opportune strategie di controllo.

Conclusioni

Con i dispositivi elettronici attuali non è possibile gestire elevate tensioni e potenze mediante i tradizionali inverter ma sono necessarie soluzioni circuitali in grado di suddividere la tensione fra i vari dispositivi impiegati realizzando una conversione a più livelli.

Le varie famiglie di convertitori hanno comunque delle limitazioni dovute alla complessità crescente con il numero dei livelli e pertanto i convertitori multilivello non trovano (ancora) utile impiego in applicazioni a bassa potenza come la trazione dei veicoli elettrici ma sono invece sfruttati in alta tensione, ad esempio per realizzare compensatori statici (STATCOM) nelle reti di distribuzione o per realizzare collegamenti a lunga distanza in corrente continua (HVDC).

Tra le varie topologie quella più promettente è la Modulare

Gianluca Angelone
Ingegnere elettronico con la passione per l’elettronica fai da te, Gianluca ha approfondito la sua passione con un Dottorato in Automatica ed un assegno di ricerca post-doc su tecnologie innovative per veicoli a trazione elettrica. Ha iniziato la sua attività professionale in una nota multinazionale nel settore dei semiconduttori, dedicandosi alla prototipazione rapida di algoritmi di controllo per motori diesel common rail. Ha collaborato a vario titolo con aziende come ABB, AnsaldoBreda e STmicroelectronics su progetti relativi a modellistica, simulazione e controllo di circuiti elettronici. Attualmente freelance, si occupa di progetti hardware e firmware per applicazioni IoT, oltre a fornire consulenza come innovation manager.