Convertidor CC-CC de alto escalado basado en TWCI con diseño modificado, elementos reducidos y baja ondulación de corriente de entrada para aplicaciones renovables

Convertir la luz solar en energía utilizable

Los paneles solares y las pilas de combustible generan electricidad limpia, pero suelen entregar tensiones bajas que no son directamente utilizables por microredes domésticas, vehículos eléctricos o sistemas industriales. Para salvar esta brecha, los ingenieros recurren a circuitos electrónicos «elevadores» que aumentan tensiones bajas hasta los niveles necesarios en un bus de potencia. Este artículo presenta un nuevo tipo de convertidor elevador que puede incrementar la tensión desde, por ejemplo, 24 voltios hasta alrededor de 400 voltios con alta eficiencia, usando menos componentes y tratando la fuente de energía de forma más suave que muchos diseños existentes.

Por qué importan los elevadores de tensión para la energía limpia

Dentro de una microred de corriente continua (CC) moderna, muchos dispositivos comparten una red principal de alta tensión, a menudo del orden de unos pocos cientos de voltios. Sin embargo, los paneles solares, las baterías y las pilas de combustible normalmente operan a unas decenas de voltios. Los convertidores entre estos mundos deben hacer más que simplemente aumentar la tensión: deberían desperdiciar la menor energía posible, mantener la corriente suave para evitar someter a paneles y baterías a esfuerzos, y ser asequibles y compactos. Muchos diseños existentes de alta ganancia cumplen algunos de estos objetivos pero fracasan en otros, sufriendo grandes ondulaciones de corriente, estructuras complejas de múltiples etapas o elevadas tensiones eléctricas en componentes clave.

Una nueva forma de exprimir más tensión con menos hardware

Los autores proponen un convertidor CC–CC no aislado construido alrededor de un componente magnético especial de tres enrollamientos. Esta pieza, un inductor acoplado con tres bobinas en un único núcleo, actúa como un concentrador de energía compacto. Mediante la disposición cuidadosa de dos interruptores electrónicos, algunos diodos y un par de condensadores alrededor de este concentrador, el circuito multiplica la tensión por etapas al tiempo que distribuye el esfuerzo entre los componentes. El diseño alcanza tensiones de salida muy altas con tiempos de conmutación moderados (ciclos de trabajo), por lo que no tiene que forzar los interruptores a tiempos de encendido extremos que normalmente aumentan las pérdidas y reducen la fiabilidad.

Corriente más suave y trato más amable a la fuente

Muchos convertidores de alta ganancia anteriores extraen corriente de la fuente en pulsos intensos. Para paneles solares y pilas de combustible, estos pulsos pueden reducir la eficiencia y complicar el seguimiento del punto de máxima potencia, el proceso que mantiene su operación en el punto óptimo. En contraste, el nuevo circuito guía la corriente de entrada a través de un inductor de forma que se mantiene casi continua, con baja ondulación. Un análisis detallado de los distintos pasos de operación muestra cómo se intercambia energía entre el núcleo magnético y los condensadores para que la fuente siempre perciba una demanda relativamente estable. Al mismo tiempo, la interacción entre las tres bobinas y los condensadores mantiene la tensión vista por los interruptores y diodos muy por debajo del nivel de salida final, permitiendo el uso de componentes de menor tensión nominal, más baratos y más eficientes.

Diseño cuidadoso, pruebas y comparación justa

Los investigadores van más allá de la idea básica para determinar qué tamaño deben tener los inductores y condensadores para mantener corrientes y tensiones dentro de límites seguros, y cómo elegir un núcleo magnético adecuado para que no se sobrecaliente ni se sature. Luego examinan dónde se pierde energía en hardware real, incluidas las pequeñas resistencias en los devanados, interruptores, diodos y condensadores. Usando estos modelos, estiman la eficiencia y también prueban cómo de sensible es el rendimiento a componentes no ideales. Una comparación lado a lado con muchos otros convertidores publicados recientemente muestra que su enfoque ofrece mayor ganancia de tensión para un nivel dado de complejidad, menor estrés en los interruptores y ondulaciones significativamente menores en la corriente de entrada.

De la teoría a un prototipo funcional

Para demostrar que el concepto funciona fuera de las simulaciones, el equipo construyó un prototipo de 250 vatios. Con una entrada de 24 voltios y una frecuencia de conmutación de 50 kilohertz, el hardware produjo alrededor de 400 voltios en la salida. Las mediciones de tensiones y corrientes en cada dispositivo coincidieron estrechamente con las predicciones analíticas, incluyendo la reducción del esfuerzo en la mayoría de los interruptores y diodos. En un amplio rango de niveles de potencia, de 80 a 400 vatios, el convertidor mantuvo su eficiencia por encima del 90 por ciento, alcanzando un pico de alrededor del 95 por ciento. Las pruebas también confirmaron la baja ondulación en la corriente de entrada y la posibilidad de usar componentes estándar y fácilmente disponibles.

Qué significa esto para los futuros sistemas renovables

Para quienes estén interesados en el despliegue práctico de la energía limpia, este trabajo demuestra una manera de transferir más potencia desde fuentes de baja tensión a redes de alta tensión sin penalizaciones en tamaño, coste o fiabilidad. Al combinar un esquema de devanados magnéticos ingenioso con un conjunto simplificado de interruptores y condensadores, el convertidor propuesto ofrece una fuerte elevación de tensión, comportamiento de corriente suave y alta eficiencia en un paquete compacto. Tales circuitos pueden facilitar la integración de paneles solares, pilas de combustible y bancos de baterías en microredes CC y otros sistemas de energía emergentes, ayudando a que las fuentes de energía limpia se conecten de forma más fluida a la infraestructura del futuro.

Cita: Tehranidoost Tabrizi, M.H., Sabahi, M., Bannae Sharifian, M. et al. Modified design TWCI-based high step-up DC-DC converter with reduced elements and low input current ripple for renewable applications. Sci Rep 16, 8037 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37346-9

Palabras clave: convertidor CC-CC, inductor acoplado, energía renovable, microred CC, alta ganancia de tensión