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I convertitori multilivello: topologie, principi, vantaggi e applicazioni

6 Marzo 2020

Di Cristina Paveri

Intervista al prof. Carlo Cecati

E’ stato il prof. Carlo Cecati, IEEE Fellow, Professore Ordinario di Convertitori, Macchine ed Azionamenti Elettrici presso l’Università dell’Aquila e Chief Technical Officer della società DigiPower srl di L’Aquila a introdurre la sessione plenaria del Fortronic Power che si è tenuta lo scorso 20 giugno 2019 a Modena Fiere.

Nel forum sono state analizzate applicazioni, contenuti e soluzioni di elettronica basate su diverse tecnologie power, embedded, wireless e IoT.

Uno dei temi fondamentali del forum è stato l’efficienza energetica e a tal proposito abbiamo chiesto al prof. Cecati un approfondimento sulla presentazione di apertura della plenaria “I convertitori multilivello” nell’intervista che segue.

Quali sono le caratteristiche dei convertitori multilivello in termini di architettura, topologia, principio di funzionamento, caratteristiche elettriche e vantaggi?

I convertitori multilivello sono una particolare classe di convertitori elettronici di potenza “controllati” caratterizzati da sezioni di ingresso e/o uscita realizzate collegando in serie più dispositivi a semiconduttore (IGBT, IGCT, SCR, MOSFET, diodi …).

Le topologie più note sono quelle: “Neutral Point Clamped”, “Flying Capacitor” e “Cascaded H-Bridge”, ma ne esistono numerose altre, gran parte delle quali attualmente in fase di studio, che puntano ad ottenere gli stessi risultati delle topologie sopra richiamate utilizzando un ridotto numero di componenti.

Caratteristiche e benefici dei convertitori multilivello

I convertitori multilivello consentono di superare i limiti sulle tensioni massime applicabili al sistema di conversione, altrimenti imposti dai valori massimi applicabili ai singoli dispositivi di potenza utilizzati. Pertanto, permettono la realizzazione di apparati che possono essere collegati alle reti di distribuzione in media tensione senza l’interposizione di trasformatori, oppure alimentare grandi macchine elettriche rotanti di decine e centinaia di kW, quali i motori dei locomotori o di grandi impianti industriali, i generatori eolici ecc. Essi sono indispensabili per la realizzazione di sistemi HVDC.

Se da un lato i convertitori multilivello superano i vincoli sulle tensioni massime ai morsetti macchina, dall’altro, essi danno luogo ad una considerevole riduzione sia del contenuto armonico nelle grandezze elettriche in uscita e in ingresso, sia della frequenza di commutazione dei dispositivi a semiconduttore impiegati.

Maggiore efficienza, minore ingombro

Ciò consente di ottenere significativi incrementi di efficienza e una riduzione delle dimensioni o la totale eliminazione dei filtri in uscita e/o in ingresso. Infatti, le tensioni presenti ai morsetti di uscita nella modalità di funzionamento inverter presentano forme d’onda “scalettate” come quelle in Figura 2, che, approssimando sinusoidi, hanno un basso contenuto di armoniche di tensione e corrente; parimenti, nel funzionamento da raddrizzatore, rendono possibile l’applicazione in ingresso di tensioni sinusoidali con ampiezze corrispondenti alla somma delle tensioni applicabili ai singoli transistor di potenza utilizzati.

Tali tensioni vengono raddrizzate con un basso impatto (distorsioni) sulla rete a cui sono connessi e, al tempo stesso, consentono di controllare con precisione sia l’ampiezza della tensione CC in uscita, sia il fattore di potenza delle grandezze in ingresso.

In entrambe le modalità di funzionamento (raddrizzatore e inverter), si hanno ampie possibilità di controllare le grandezze in ingresso e in uscita.

La possibilità di utilizzare dispositivi di potenza a bassa tensione (relativamente alle tensioni ai morsetti) incrementa ulteriormente i vantaggi in quanto essi hanno bassissime resistenze di conduzione e, operando a frequenze molto basse, sono affetti da perdite per commutazione trascurabili o minime.

Ulteriori vantaggi

Da tutto ciò, derivano ulteriori vantaggi: per esempio, i dissipatori termici e i filtri in ingresso e/o in uscita sono notevolmente più piccoli, quindi, i convertitori sono più compatti e leggeri, i materiali isolanti sono soggetti a tensioni e frequenze più basse, quindi a stress inferiori, a tutto vantaggio dell’affidabilità e della durata all’intero sistema.

Ovviamente, il prezzo da pagare è una maggiore complessità dei circuiti, ma c’è da star tranquilli che l’industria dei semiconduttori renderà disponibili componenti specifici con elevato livello di integrazione, che consentiranno di ridurre il numero di componenti e la complessità di progettazione.

Quali sono le applicazioni di elettronica di potenza già realizzate?

Le topologie multilivello sono state introdotte dapprima nella trazione ferroviaria, contribuendo allo sviluppo dei treni ad alta velocità, successivamente hanno trovato applicazione nella generazione distribuita, per esempio nei generatori eolici e più recentemente nei sistemi fotovoltaici di grande potenza, nelle smart grid, per esempio negli smart transformer, negli STATCOM, nei Power Factor Controller e negli azionamenti elettrici di grande potenza.

A mio parere, presto il loro livello di potenza scenderà sino a raggiungere valori medio-bassi e si diffonderanno in numerosi campi, per esempio negli impianti fotovoltaici, nei quali i Cascaded H-bridge permettono di realizzare impianti molto performanti sia in termini di efficienza e potenza di picco, sia di immunità a fenomeni quali lo shadowing, il deterioramento o la scarsa pulizia dei pannelli fotovoltaici.

Le applicazioni nella mobilità elettrica e negli azionamenti industriali

Altre possibili applicazioni sono gli azionamenti industriali e la mobilità elettrica, sia i powertrain che le stazioni di ricarica: configurando opportunamente le celle degli accumulatori è possibile creare “n” distinte sorgenti da accoppiare con altrettanti “ponti ad H” bidirezionali; un’idonea stazione di ricarica può facilmente complementare i powertrain, offrendo l’ulteriore vantaggio di ridurre drasticamente i tempi di ricarica, dato che i singoli banchi vengono ricaricati contemporaneamente.

I drive traggono grandi benefici dagli inverter multilivello: un motore alimentato con tensioni multilivello, quindi molto simili a sinusoidi, ha un comportamento elettromagnetico, di moto e termico migliore che con una tensione PWM; anche gli stress negli avvolgimenti diminuiscono, aumentando l’affidabilità e le prestazioni del sistema. In ogni caso, per massimizzare i risultati, è opportuno dar luogo ad una progettazione che tenga conto di tutti gli elementi in gioco, compreso il numero di livelli, in maniera sinergica, cosa resa possibile dagli attuali mezzi di progettazione CAD.

Un nuovo progetto di azionamenti mulitlivello per robot coworker

DigiPower, oltre ad avere realizzato un dimostratore di convertitore multilivello modulare general purpose con sino a 48 celle dove ciascuna cella può arrivare a 600 V e 35 A, recentemente ha presentato un progetto PON MISE insieme all’Istituto Italiano di Tecnologia e a Global Automation, nel quale prevede di sviluppare azionamenti multilivello per robot co-worker per l’Industria 4.0; proprio in questi giorni il MIUR, nell’ambito dei PRIN (Progetti di ricerca di rilevanza nazionale), ha finanziato con un milione di euro un progetto sui powertrain per aeromobili con convertitori multilivello, che ho presentato insieme ai colleghi delle Università di Catania, Cagliari, Napoli, Palermo e del Politecnico di Bari.

Come ultimo esempio di applicazione, abbiamo provato ad utilizzare il nostro dimostratore come amplificatore audio: la qualità del suono è molto incoraggiante e ci sta spingendo verso la progettazione di un amplificatore ad-hoc con dispositivi GaN.

Applicazioni pressoché infinite

In sostanza, le applicazioni sono pressoché infinite e tutte offrono vantaggi rispetto a soluzioni più convenzionali.

Ovviamente la progettazione è più complessa che nei convertitori convenzionali a 2 livelli come pure i costi di progettazione e di produzione sono più elevati, ma non tanto da impedirne una massiccia diffusione, soprattutto nelle applicazioni a potenza medio-alta.

Mi aspetto che, così come gli azionamenti a controllo vettoriale hanno soppiantato quelli scalari, i convertitori multilivello sostituiranno quelli tradizionali in molteplici campi applicativi in quanto, pur non avendo effettuato analisi approfondite, ritengo che in molte applicazioni, il maggior costo di produzione possa essere rapidamente recuperato grazie alla maggiore efficienza ed alle migliori prestazioni.

Quali sono gli sviluppi futuri previsti?

Come ogni tecnologia in fase di sviluppo le direzioni possibili sono molteplici e tutte molto importanti e interessanti. Basta sfogliare le riviste scientifiche più prestigiose, quali IEEE Transactions on Industrial Electronics, IEEE Transactions on Power Electronics, IEEE Transactions on Industry Applications e IEEE Journal on Selected and Emerging Topics in Power Electronics per farsi un’idea abbastanza precisa, ma certamente non esaustiva.

Si può anche constatare che ormai rappresentano l’argomento più “in voga”.

Uno degli interessi scientifici attualmente più diffusi riguarda le già citate topologie a ridotto numero di componenti, che permettono di ottenere un elevato numero di livelli, pur con un limitato numero di switch: l’importanza tecnica, scientifica e industriale sono enormi.

Progressi significativi nelle topologie a ridotto numero di componenti

In tale direzione sono già stati fatti significativi progressi, sebbene tali topologie siano spesso più rigide e talvolta richiedano sorgenti con tensioni differenti; pertanto, c’è da aspettarsi fra non molto, la diffusione di prodotti commerciali. Altri sviluppi riguardano componenti e soluzioni integrate; altri toccano gli algoritmi di controllo e di modulazione: questi ultimi, hanno la funzione di trasformare le leggi di controllo in segnali ON-OFF da applicare ai singoli transistor e quindi influiscono significativamente sull’efficienza energetica, oltre che sulle performance generali.

Per quel che riguarda gli algoritmi di controllo, ritengo che i convertitori multilivello possano meglio giustificare gli sforzi progettuali e implementativi richiesti da nuove e più efficaci leggi di controllo, cosa che invece non può dirsi per i convertitori convenzionali, nei quali ciò che realmente conta sono il costo e la semplicità di progettazione, realizzazione e gestione. Pertanto, mi aspetto che i convertitori multilivello possano diventare presto estremamente performanti non solo per le loro caratteristiche instrinseche, cioè circuitali, ma anche per la bontà degli algoritmi di controllo e di modulazione utilizzati.

Uno sviluppo continuo anche nei componenti

Anche i componenti, sia quelli di potenza sia quelli di controllo digitale, sono oggetto di continuo sviluppo: i componenti wide-band-gap (WBG), a larga banda, al carburo di Silicio (SiC) sono stati già sperimentati con successo nel campo dei convertitori multilivello, mentre quelli al nitruro di Gallio (GaN) non hanno ancora raggiunto livelli di potenza tali da offrire soluzioni concrete nel breve termine; la situazione è però in rapida evoluzione e già dai prossimi mesi si disporrà di MOSFET a tecnologia GaN con tensioni industriali (600-650 V) e correnti di alcune decine di ampere, per cui si può senz’altro ipotizzarne l’uso in convertitori multilivello.

Anche i tradizionali componenti al silicio migliorano costantemente le proprie prestazioni, consentendo di ottenere crescenti livelli di tensione, corrente e quindi di potenza, oltre che migliori prestazioni generali. Usando MOSFET a bassa tensione (100-200 V) ed alta corrente (anche più di 200 A), caratterizzati da bassissime resistenze di conduzione (pochissimi milliOhm) è possibile costruire sistemi multilivello a tensione industriale con decine di kW ed altissime efficienze.

Abbiamo stimato che utilizzando componenti industriali standard, cioè gli IGBT usati nei comuni inverter e realizzando strutture ad elevato numero di livelli si possono agevolmente realizzare convertitori a media tensione sino ad alcuni MW, ottenendo riduzioni dei costi anche di 4-5 volte rispetto a soluzioni attuali con IGBT ad alta tensione.

Il cuore dei convertitori multilivello

Il cuore dei convertitori multilivello è il suo sistema di elaborazione digitale: i moderni system-on-chip FPGA e i C-PLD consentono di realizzare facilmente e a basso costo sistemi di controllo capaci di controllare un elevato numero di livelli: il nostro dimostratore, progettato intorno ad un FPGA Intel Cyclone V, quindi di medio costo, un CPLD Intel Max 10 e un DSP Texas Instrument da pochi euro, consente di ottenere 33 livelli trifase o, alternativamente, 97 livelli monofase.

Dei campi di applicazione ho già detto sopra; posso aggiungere che la diffusione dei convertitori multilivello in applicazioni in media ed alta tensione farà da catalizzatore per una loro diffusione anche in applicazioni “low-cost” a tensione industriale, che potranno avvalersi di quanto già sviluppato a livello di sistema di controllo.

I punti di approfondimento della sua presentazione?

Avendo a disposizione un tempo alquanto limitato, è stato introdotto brevemente l’argomento mostrando e commentando le principali topologie ed alcune recenti evoluzioni, successivamente mi sono concentrato su alcuni aspetti implementativi quali le strutture di controllo, gli algoritmi di modulazione e le problematiche realizzative.

Ho poi concluso presentando il dimostratore che abbiamo realizzato in DigiPower, nell’ambito di un progetto PON MISE H2020 denominato COMODES (Convertitori Modulari per la Generazione Distribuita e la Mobilità Elettrica Sostenibile), al quale hanno partecipato anche Getra Engineering and Consulting ed ENEA, e discutendo su alcune altre possibili implementazioni.