Convertitore ibrido a doppia uscita basato sul convertitore modulare universale dc-ac/dc

Energia per case e comunità

Man mano che più abitazioni, edifici e quartieri installano pannelli solari, batterie e veicoli elettrici, cresce la necessità di apparecchiature intelligenti in grado di spostare l’elettricità in modo efficiente. Molte microreti future avranno cablaggi in corrente alternata (AC) tradizionale affiancati a linee in corrente continua (DC). Questo studio presenta un nuovo tipo di convertitore di potenza in grado di alimentare sia circuiti AC sia DC da un unico contenitore compatto, contribuendo a rendere i sistemi energetici locali più semplici, sicuri ed economici.

Perché AC e DC sono entrambi importanti

La maggior parte degli elettrodomestici attuali e la rete pubblica usano AC, ma molte sorgenti rinnovabili e dispositivi elettronici funzionano naturalmente in DC. In una casa o in una microrete comunitaria ciò spesso richiede una catena di convertitori separati per adattare le tensioni e passare da AC a DC o viceversa. Ogni stadio aggiuntivo comporta costi, perdite energetiche e maggiore complessità. Allo stesso tempo, l’Europa e altre regioni spingono per ridurre le emissioni di carbonio e favorire le “comunità energetiche” locali, dove le persone condividono energia pulita. Queste tendenze stanno stimolando l’interesse per reti ibride che trasportano sia AC sia DC e per l’elettronica modulare riutilizzabile e scalabile con la crescita della domanda.

Una sola scatola invece di due

Tradizionalmente, alimentare sia AC sia DC da un campo solare o da una batteria richiede due blocchi: un convertitore per innalzare o abbassare la tensione DC e un altro per trasformare DC in AC. Gli autori partono da un’idea precedente di convertitore “universale” e la ripensano in modo che un unico stadio di potenza svolga entrambi i compiti contemporaneamente. Il dispositivo è composto da quattro blocchi identici chiamati celle buck-boost. Tre celle generano le tre fasi AC che un edificio o una piccola rete potrebbe utilizzare, mentre la quarta cella mantiene stabile l’uscita DC. Intelligentemente, il conduttore neutro del sistema AC è collegato direttamente al polo positivo dell’uscita DC, così AC e DC condividono lo stesso riferimento elettrico senza necessitare di un ingombrante trasformatore di isolamento.

Comportamento del nuovo convertitore

All’interno di ciascuna cella, interruttori elettronici veloci e piccoli induttori e condensatori modellano la corrente, innalzando o abbassando la tensione secondo necessità. Le tre celle “AC” generano forme d’onda sinusoidali levigate che poggiano su uno sbilanciamento DC, mentre la quarta cella mantiene stabile il livello DC. Grazie al punto neutro condiviso, i carichi AC vedono solo la parte variabile dell’onda, mentre i carichi DC vedono il valore costante. I ricercatori simulano il convertitore in condizioni realistiche e poi costruiscono un prototipo di laboratorio. Nei test, una singola sorgente DC alimenta contemporaneamente 1 kilowatt di potenza AC trifase e 800 watt di potenza DC. Le tensioni AC restano bilanciate e quasi sinusoidali, e l’uscita DC rimane vicina al valore target anche quando i carichi AC o DC vengono commutati improvvisamente.

Sicurezza, messa a terra e affidabilità

Le scelte di messa a terra sono cruciali per la sicurezza nei sistemi misti AC e DC. Con i convertitori doppi convenzionali non isolati, collegare il neutro AC e un polo DC a terra può creare inavvertitamente un circuito chiuso che permette il circolo di correnti di guasto elevate, perciò i progettisti solitamente aggiungono isolamento galvanico. Nel nuovo progetto, il neutro AC e il polo positivo DC sono fisicamente lo stesso punto, quindi esiste un unico nodo interno collegato a terra e non c’è un circuito nascosto. Ciò elimina la necessità di hardware di isolamento aggiuntivo e può anche ridurre problemi di corrosione a lungo termine legati a correnti DC parassite. Immagini termiche del prototipo mostrano che le parti più calde sono gli interruttori di potenza, come previsto, ma le loro temperature restano entro limiti sicuri e potrebbero essere ulteriormente ridotte con un raffreddamento migliorato.

Cosa significa per le reti future

Lo studio dimostra che un convertitore modulare a singolo stadio può alimentare in modo affidabile sia reti AC sia DC da un’unica sorgente DC mantenendo pulite le forme d’onda e ben controllate le tensioni. Per un non specialista, il messaggio chiave è che lo stesso piccolo insieme di “mattoni” elettronici può essere replicato e riutilizzato per alimentare tipi diversi di carichi in una microrete o in una comunità energetica. Questo riduce l’hardware necessario, semplifica la messa a terra e la protezione e può migliorare l’efficienza complessiva evitando stadi di conversione extra. Con l’aggiunta di controllo in anello chiuso e sincronizzazione di rete, tali convertitori potrebbero diventare elementi costitutivi centrali nei futuri sistemi energetici locali a basse emissioni di carbonio.

Citazione: 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

Parole chiave: microrete ibrida, convertitore di potenza, distribuzione AC DC, elettronica modulare, sistemi di energia rinnovabile