Estudio de la operación del convertidor Active-NPC para la gestión de pérdidas en los dispositivos de potencia

Abstract

En los últimos años, la calidad de vida de las personas está mejorando y esto supone un aumento de la demanda eléctrica, por lo que el número de dispositivos y sistemas accionados, al menos en una de sus etapas, por energía eléctrica, está aumentando también. Estos dispositivos, denominados Sistemas de Potencia, tienen como componente base, al menos, un convertidor. En la industria, surge la necesidad de obtener mayor potencia y tensión en los convertidores, lo que dio lugar a repartir la potencia y tensión entre dispositivos, ya que, el límite de operación de estos limita la aplicación en la que se utilizarán. Aparecen lo que se denominan convertidores multinivel, que tienen una tensión a su salida, de valor elevado, fruto de sumar varios niveles de tensión de la entrada de valor más pequeño. Todo ello, gracias a la aplicación de una secuencia concreta que hace conmutar los transistores de forma adecuada, llamada modulación. Hay multitud de topologías de convertidores multinivel, la más conocida es la NPC (Figura 2), aunque tiene la desventaja de que los transistores no envejecen todos a la misma vez. Además, la tensión de los condensadores se desbalancea por el neutro del convertidor. Así, para prolongar la vida de los transistores, se sustituyen los diodos clamping por transistores, naciendo el convertidor ANPC (Figura 4). Con ellos se consigue repartir de manera eficiente el trabajo entre los demás transistores y que tengan un envejecimiento lo más similar posible. En este trabajo se pretende hacer un estudio del estado del arte del convertidor ANPC, analizar el comportamiento de los dispositivos que lo constituyen y las pérdidas que se producen al aplicar diferentes algoritmos de modulación.

In the last few years, people's quality of life has improved producing an increase of the electric demand, so the number of devices and systems that are powered by electricity, in at least one of his phases, is increasing too. These devices, called Power Systems, have a converter as a basis component. In the industry, there is a need to obtain more power and voltage at the converters, resulting in a distribution of voltage and power among other devices because their operation limit will restrict the aplication in which they will be used. That is how the multilevel converters appeared. Those have a high value voltage on their out, which is the result of the different levels of low value voltage of their input. All of this is due to the application of a specific sequency called modulation which makes transistors switch properly. There are many multilevel converters topologies. The most popular is NPC (Figure 2), even though it has some disadvantages: the transistors do not get older at the same time and the capacitors are unbalanced by converter neutral. In consequence, clamping diodes are replaced by other transistors to extend the life of those transistors, resulting in the ANPC converter (Figure 4). With them it is possible to distribute the work efficiently among the rest of transistors and make them age almost at the same time. This paper seeks to do a research about the state of art of ANPC converters, to analyze the behaviour of the devices which are part of them and their power losses when they are applied diferent modulation algorithms.