Inversores multinivel: conversión CC-CA de alta potencia y baja distorsión

Un Inversor Multinivel (MLI) sintetiza un voltaje de salida CA quasi-sinusoidal a partir de una fuente de CC avanzando a través de múltiples niveles de tensión discretos, en lugar de los dos niveles (+V_dc, −V_dc o 0, +V_dc) de un inversor convencional de 2 niveles. Esto reduce drásticamente la distorsión armónica y el estrés de dv/dt.

Concepto central: Niveles de tensión (m)

Escalones de voltaje de salida: −(m−1)/2 ... −1, 0, +1 ... +(m−1)/2 (en unidades de V_dc/k).

• 3 niveles: −V_dc/2, 0, +V_dc/2.
• 5 niveles: −V_dc, −V_dc/2, 0, +V_dc/2, +V_dc.
• Niveles superiores (7, 9, 11...): Forma de onda → seno puro. THD → 0.

Las tres topologías comerciales principales

1. Clampado en punto neutro (NPC) / Clampado por diodo

• Estructura: Condensadores en serie dividen el bus de CC. Los diodos de clampado limitan el voltaje del dispositivo a V_dc/(m−1).
• Ventajas: Maduro, reparto de voltaje inherente entre dispositivos, bus de CC común.
• Desventajas: El conteo de diodos ↑↑ con los niveles (m). El balanceo de voltaje de condensadores es complejo (control de corriente en punto neutro). Carga desigual de dispositivos (interruptores internos vs externos).
• Uso: NPC de 3 niveles dominante en Variadores de 3–10 MW (ABB, Siemens, Danfoss, Yaskawa).

2. Condensador volador (FC)

• Estructura: Condensadores (voladores) reemplazan los diodos de clampado. Cada condensador mantiene un escalón de voltaje.
• Ventajas: Sin diodos de clampado. Balanceo de voltaje natural mediante redundancia de conmutación (múltiples estados de conmutación para el mismo nivel de salida). Pata de fase modular.
• Desventajas: Muchos condensadores (volumen, costo, pre-carga). Control de balanceo complejo. Pérdidas de conmutación más altas (carga de condensadores).
• Uso: Variadores de media tensión, STATCOMs, donde se valora la flexibilidad de redundancia y balanceo.

3. Puente H en cascada (CHB) / Convertidor multinivel modular (MMC)

• Estructura: Celdas de puente H idénticas en serie (cada una con su propio condensador de CC / batería / cadena fotovoltaica). MMC = CHB + Inductores de brazo + topología de submódulo (Medio Puente / Puente Completo).
• Ventajas: Modular y escalable. Agrega celdas para mayor voltaje. No se necesitan transformadores (conexión MV directa). Tolerante a fallas (bypasseo de celda). Mejor desempeño armónico. Celda estándar = volumen de fabricación.
• Desventajas: Muchas fuentes de CC aisladas (los condensadores necesitan balanceo). Control complejo (algoritmos de ordenamiento, supresión de corriente circulante en MMC). Alto conteo de componentes.
• Uso: MMC: HVDC (±320 kV, ±525 kV), STATCOM, Variadores grandes (>10 MW). CHB: Variadores MV (2.3–13.8 kV), Inversores solares, Almacenamiento en baterías.

Resumen de ventajas clave

Beneficio	Mecanismo
Baja THD / Salida quasi-senoidal	Múltiples escalones aproximan el seno. Elimina la necesidad de filtro L/C de salida voluminoso. Cumple fácilmente con IEEE 519 / Códigos de red.
Bajo dv/dt	Escalones de voltaje pequeños → Reduce el estrés de aislamiento en bobinados de motor / cables. Sin problemas de onda reflejada (comunes en VFD de 2 niveles).
Posible frecuencia de conmutación menor	Conmutación fundamental / de baja frecuencia (p. ej., 540 Hz para NPC de 3 niveles) → Menores pérdidas de conmutación → Mayor eficiencia.
Conexión directa a media tensión	CHB/MMC se conectan directamente a redes de 2.3 kV–13.8 kV (incluso 33 kV+). Sin transformador elevador.
Escalabilidad (CHB/MMC)	Agregar celdas para voltaje. Diseño de celda estándar.

Control: Estrategias PWM

• Basado en portadora (desplazado de nivel / desplazado de fase): Múltiples portadoras triangulares. Balanceo natural (PS-PWM).
• Modulación por vector espacial (SVPWM): Utilización óptima del bus de CC, baja THD. Complejo para m>3.
• Eliminación selectiva de armónicos (SHE): Ángulos pre-calculados para armónicos específicos. Baja frecuencia de conmutación.
• Control predictivo basado en modelo (MPC): Transitorio rápido, maneja restricciones (balanceo de condensadores). Intensivo en cómputo.

Emergente: SiC / GaN en MLI

Los dispositivos de ancho de banda amplio permiten frecuencias de conmutación más altas (incluso en MLI), voltajes de bloqueo más altos (se necesitan menos niveles) y operación a mayor temperatura. NPC de 3 niveles con MOSFETs de SiC impulsando 1.2 kV/1.7 kV hacia densidades de potencia de 10–20 kW/kg.

Los Inversores Multinivel son la tecnología habilitante para Conversión de Potencia de Media/Alta Tensión — Renovables conectadas a red, HVDC, Buques/Aeronaves Todo Eléctricos, Variadores de Alta Potencia. Intercambian conteo de componentes por calidad de forma de onda y escalabilidad de voltaje.