Convertidor híbrido de doble salida basado en el convertidor modular universal CC-CA/CC

Energía para hogares y comunidades

A medida que más viviendas, edificios y vecindarios instalan paneles solares, baterías y vehículos eléctricos, necesitan hardware inteligente que pueda mover la electricidad de forma eficiente. Muchas microrredes futuras tendrán tanto cableado de corriente alterna (ac) tradicional como líneas de corriente continua (cc) más nuevas conviviendo. Este estudio presenta un nuevo tipo de convertidor de potencia que puede alimentar ambos circuitos, ac y cc, desde una caja compacta, ayudando a que los sistemas energéticos locales sean más sencillos, seguros y asequibles.

Por qué importan tanto AC como DC

La mayoría de los electrodomésticos actuales y la red pública usan ac, pero muchas fuentes renovables y dispositivos electrónicos funcionan de forma natural con cc. En una casa o microrred comunitaria, esto suele implicar usar varios convertidores separados en cadena para adaptar tensiones y convertir entre ac y cc. Cada etapa extra añade coste, pérdidas energéticas y complejidad. Al mismo tiempo, Europa y otras regiones están impulsando con fuerza la reducción de emisiones de carbono y fomentando las “comunidades energéticas” locales, donde la gente comparte energía limpia. Estas tendencias aumentan el interés en redes híbridas que transporten tanto ac como cc, y en electrónica modular que pueda reutilizarse y escalarse a medida que crecen las necesidades.

Una sola caja en lugar de dos

Tradicionalmente, alimentar ambos, ac y cc, desde un arreglo solar o una batería requiere dos bloques: un convertidor para elevar o bajar la tensión de cc, y otro para transformar cc en ac. Los autores parten de una idea previa de convertidor “universal” y la rediseñan para que una etapa de potencia pueda realizar ambos trabajos a la vez. Su dispositivo está compuesto por cuatro bloques idénticos llamados celdas buck-boost. Tres celdas generan las tres fases ac que usaría un edificio o una pequeña red, mientras que la cuarta celda mantiene la salida cc en un nivel fijo. De forma ingeniosa, el neutro del sistema ac está conectado directamente al polo positivo de la salida cc, de modo que ac y cc comparten la misma referencia eléctrica sin necesitar un transformador de aislamiento voluminoso.

Cómo se comporta el nuevo convertidor

Dentro de cada celda, conmutadores electrónicos rápidos y pequeñas bobinas y condensadores moldean la corriente, bien elevando o reduciendo la tensión según se requiera. Las tres celdas “ac” generan formas de onda sinusoidales suaves que se superponen a un desplazamiento de cc, mientras que la cuarta celda mantiene constante el nivel de cc. Debido al punto neutro compartido, las cargas ac solo ven la parte alterna de la onda, mientras que las cargas cc ven el valor estable. Los investigadores simulan el convertidor en condiciones realistas y luego construyen un prototipo de laboratorio. En las pruebas, una única fuente de cc alimenta 1 kilovatio de potencia trifásica ac y 800 vatios de potencia cc al mismo tiempo. Las tensiones ac permanecen equilibradas y casi sinusoidales, y la salida cc se mantiene cerca de su valor objetivo incluso cuando cargas ac o cc se conectan o desconectan súbitamente.

Seguridad, puesta a tierra y fiabilidad

Las elecciones de puesta a tierra son cruciales para la seguridad en sistemas mixtos ac y cc. Con los convertidores duales convencionales no aislados, conectar el neutro ac y un polo cc a tierra puede crear inadvertidamente un lazo que permite circular grandes corrientes de falla, por lo que los diseñadores suelen añadir aislamiento galvánico. En el nuevo diseño, el neutro ac y el polo positivo cc son físicamente el mismo punto, por lo que solo hay un nodo interno conectado a tierra y no existe un lazo oculto. Esto elimina la necesidad de hardware de aislamiento adicional y también puede reducir problemas de corrosión a largo plazo vinculados a corrientes de cc parásitas. La termografía del prototipo muestra que las partes más calientes son los interruptores de potencia, como era de esperar, pero sus temperaturas se mantienen dentro de límites seguros y podrían reducirse más con una mejor refrigeración.

Qué supone para las redes futuras

El estudio muestra que un convertidor modular de una sola etapa puede alimentar con fiabilidad redes ac y cc desde una única fuente de cc manteniendo las formas de onda limpias y las tensiones bien controladas. Para un público no especialista, el mensaje clave es que el mismo pequeño conjunto de “ladrillos” electrónicos puede repetirse y reutilizarse para alimentar distintos tipos de cargas en una microrred o comunidad energética. Esto reduce el hardware, simplifica la puesta a tierra y la protección, y puede mejorar la eficiencia global al evitar pasos de conversión adicionales. Con la inclusión de control en lazo cerrado y sincronización con la red, dichos convertidores podrían convertirse en bloques de construcción centrales en futuros sistemas energéticos locales de baja emisión de carbono.

Cita: Gutiérrez-Escalona, J., González-Antúnez, J.J., Roncero-Clemente, C. et al. Dual-output hybrid converter based on the modular universal dc-ac/dc converter. Sci Rep 16, 15203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45619-6

Palabras clave: microrred híbrida, convertidor de potencia, distribución AC DC, electrónica modular, sistemas de energía renovable