BR102013030827A2 - sistema de conversão de potência e método para operar um sistema de conversão de potência - Google Patents

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Abstract

sistema de conversão de potência e método para operar um sistema de conversão de potência. trata-se de um sistema de conversão de potência que inclui pelo menos uma unidade de comutação. a unidade de comutação inclui um dispositivo de comutação que inclui um canal e um diodo de corpo integrado ao canal. o dispositivo de comutação inclui um primeiro terminal, um segundo terminal e um terceiro terminal. o canal fornece uma trajetória de fluxo de corrente de direção positiva para permitir que uma corrente de direção positiva flua através do mesmo em resposta a um primeiro sinal de controle de comutação de inicialização suprido para o primeiro terminal. o diodo de corpo fornece uma primeira trajetória de fluxo de corrente de direção negativa para permitir que uma corrente de direção negativa flua através do mesmo em resposta a um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento, o canal fornece uma segunda trajetória de fluxo de corrente de direção negativa para permitir que a corrente de direção negativa flua através do mesmo em resposta a um segundo sinal de controle de comutação de inicialização. um método para operar o sistema de conversão de potência é também fornecido.

Description

“SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA E MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA ” Antecedentes As realizações da revelação referem-se, geralmente, a sistemas e métodos para melhorar a eficácia de conversão de potência no abastecimento de potência, útil em uma variedade de aplicações tais como um retificador usado em um sistema de veículo elétrico (EV).
Com o desenvolvimento da tecnologia de eletrônica de potência, um sistema de conversão de potência tem sido amplamente usado como uma ponte para converter uma forma de potência de entrada em outra forma de potência de saída, conforme requerido por uma carga. Usualmente, o sistema de conversão de potência é configurado com pelo menos um dispositivo de comutação semicondutor. Fornecendo-se sinais de controle de comutação ao dispositivo de comutação, a potência de saída pode ser controlada de uma maneira mais flexível. No entanto, como melhorar uma eficácia do sistema de conversão de potência ainda é um grande problema para operar um sistema de conversão de potência.
Recentemente, embora várias estratégias de controle tal como uma estratégia de comutação por tensão zero (ZVS), uma estratégia de comutação por corrente zero, e uma estratégia de modulação por largura de pulso (PWM) otimizada, assim como as topologias tais como uma tipologia de três níveis, etc., foi proposta para melhorar a eficácia do dispositivo de conversão de potência, ainda há espaço para o melhoramento da eficácia.
Portanto, é desejável fornecer sistemas e métodos novos ou melhorados para melhorar a eficácia de conversão de potência.
Breve Descrição Em conformidade com uma realização revelada no presente documento, um sistema de conversão de potência é fornecido. O sistema de conversão de potência inclui um módulo de controle e um dispositivo de conversão de potência. O módulo de controle é configurado para fornecer sinais de controle de comutação ao dispositivo de conversão de potência. O dispositivo de conversão de potência inclui uma primeira porta, uma segunda porta e pelo menos uma unidade de comutação acoplada eletricamente entre a primeira porta e a segunda porta. A unidade de comutação inclui um dispositivo de comutação. O dispositivo de comutação inclui um canal e um diodo de corpo integrado ao canal. O dispositivo de comutação inclui um primeiro terminal configurado para receber os sinais de controle de comutação fornecidos a partir do módulo de controle, um segundo terminal e um terceiro terminal configurado para fornecer trajetórias de fluxo de corrente. O canal é configurado para fornecer uma trajetória de fluxo de corrente de direção positiva para permitir que uma corrente de direção positiva flua a partir do segundo terminal ao terceiro terminal em resposta a um primeiro sinal de controle de comutação de inicialização abastecido ao primeiro terminal. O diodo de corpo do dispositivo de comutação é configurado para fornecer uma primeira trajetória de fluxo de corrente de direção negativa para permitir que uma corrente de direção negativa flua a partir do terceiro terminal ao segundo terminal em resposta um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento abastecido ao primeiro terminal. O canal do dispositivo de comutação é configurado para fornecer uma segunda trajetória de fluxo de corrente de direção negativa para permitir que a corrente de direção negativa flua a partir do terceiro terminal ao segundo terminal em resposta a um segundo sinal de controle de comutação de inicialização abastecido ao primeiro terminal.
Em conformidade com outra realização revelada no presente documento, um método para operar um sistema de conversão de potência é fornecido. O método inclui fornecer um primeiro sinal de controle de comutação de inicialização a um primeiro terminal de um dispositivo de comutação do sistema de conversão de potência para permitir que uma corrente de direção positiva flua a partir de um segundo terminal a um terceiro terminal do dispositivo de comutação através de uma trajetória de fluxo de corrente de direção positiva fornecida através de um canal do dispositivo de comutação. O método inclui fornecer um segundo sinal de controle de comutação de inicialização ao primeiro terminal do dispositivo de comutação do sistema de conversão de potência para permitir que uma corrente de direção negativa flua a partir do terceiro terminal ao segundo terminal através de uma trajetória de fluxo de direção negativa fornecida através do canal do dispositivo de comutação.
Desenhos Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente revelação se tornarão mais bem entendidos quando a descrição detalhada a seguir for lida em referência aos desenhos anexos no quais tais caracteres representam tais partes por todos os desenhos, em que: A Figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema de conversão de potência, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação; A Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema de conversão de potência, em conformidade com outra realização exemplificativa da presente revelação; A Figura 3 é um gráfico que mostra várias formas de onda de uma unidade de comutação mostrada na Figura 1 ou 2 em resposta à implantação de uma estratégia de modulação, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação; A Figura 4 é um gráfico que mostra várias formas de onda de uma unidade de comutação mostrada na Figura 1 ou 2 em resposta à implantação de outra estratégia de modulação, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação; A Figura 5 é um gráfico que mostra várias formas de onda de uma unidade de comutação mostrada na Figura 1 ou 2 em resposta à implantação de ainda outra estratégia de modulação, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação; A Figura 6 é um diagrama esquemático de um retificador usado em um sistema de veículo elétrico (EV), em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação; A Figura 7 é um gráfico que mostra várias formas de onda do retificador mostrado na Figura 6 em resposta à implantação de uma estratégia de modulação por largura de pulso de vetor espacial (SVPWM), em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação; A Figura 8 é um gráfico que mostra várias formas de onda do retificador mostrado na Figura 6 em resposta à implantação de uma combinação da estratégia de SVPWM e uma estratégia de condução por canal reverso, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação; A Figura 9 é um diagrama esquemático da trajetória de fluxo de corrente do retificador mostrado na Figura 6 com uma estratégia de SVPWM, em particular, o modo 1 mostrado na Figura 7, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação; e A Figura 10 é um diagrama esquemático da trajetória de fluxo de corrente do retificador mostrado na Figura 6 com uma combinação da estratégia de SVPWM e uma estratégia de condução por canal reverso, em particular, o modo 1 mostrado na Figura 8, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação.
Descrição detalhada Em uma tentativa de fornecer uma descrição concisa dessas realizações, nem todos os recursos de uma implantação real são descritos em uma ou mais realizações específicas. Deve-se verificar que no desenvolvimento de qualquer implantação real, conforme em qualquer projeto de modelo ou engenharia, inúmeras decisões específicas de implantação precisam ser feitas para alcançar as metas específicas do inventor, tal como complacência com as restrições relacionadas a sistemas e negócios, que podem variar de uma implantação a outra. Ademais, deve-se verificar que tal tentativa de desenvolvimento pode ser complexa e demorada, porém pode, contudo, ser uma tarefa de rotina de modelo, fabricação e produção para aqueles de habilidade comum que têm o benefício dessa revelação. A menos que seja definido de outro modo, os termos técnicos e científicos usados no presente documento têm o mesmo significado, conforme é comumente entendido por uma pessoa de habilidade comum na técnica a que essa revelação pertence. Os termos “primeiro(a),” “segundo(a),” “terceiro(a)” e semelhantes, conforme usados no presente documento não denotam qualquer ordem, quantidade ou importância, porém, em vez disso, são usados para distinguir um elemento de outro. Também, os termos “um” e “uma” não denotam uma limitação de quantidade, porém, em vez disso, denotam a presença de pelo menos um dentre os itens referenciados. O termo “ou” tem o propósito de ser inclusivo e significar qualquer, diversos ou todos dos itens listados. O uso de “que inclui”, “que compreende”, ou “que tem” e variações dos mesmos no presente documento tem o propósito de abranger os itens listados mais abaixo e os equivalentes dos mesmos assim como os itens adicionais.
Conforme usado no presente documento, os termos “pode”, “podem", “pode ser” e “podem ser" indicam uma possiblidade de uma ocorrência dentro de uma série de circunstâncias; uma posse de uma propriedade especificada, uma característica ou uma função; e/ou qualificar outro verbo expressando-se uma ou mais dentre uma habilidade, capacidade ou possibilidade associada ao verbo qualificado. Em conformidade, o uso de “pode”, “podem”, “pode ser” e “podem ser” indica que um termo modificado é aparentemente apropriado, capaz ou adequado para uma capacidade, função ou uso indicados, enquanto se leva em conta que em algumas circunstâncias, o termo modificado pode, algumas vezes, não ser apropriado, ter a capacidade ou ser adequado. Por exemplo, em algumas circunstâncias, um evento ou uma capacidade pode ser esperado, embora em outras circunstâncias, o evento ou a capacidade possa não ocorrer. Essa distinção é capturada através dos termos “pode”, “podem”, “pode ser” e “podem ser”. A Figura 1 ilustra um diagrama esquemático de um sistema de conversão de potência 10, em conformidade com uma realização exemplifícativa da presente revelação. Conforme mostrado na Figura 1, o sistema de conversão de potência 10 inclui um dispositivo de conversão de potência 13 e um módulo de controle 17. Em algumas realizações, o dispositivo de conversão de potência 13 inclui uma primeira porta 19 acoplada a um primeiro dispositivo de potência 11 e uma segunda porta 21 acoplada a um segundo dispositivo de potência 15. O módulo de controle 17 é disposto de modo a estar em comunicação elétrica com o dispositivo de conversão de potência 13 para fornecer os sinais de controle de comutação 18 ao dispositivo de conversão de potência 13, de modo que o dispositivo de conversão de potência 13 possa efetuar a conversão de potência de uma maneira não direcional ou de uma maneira bidirecional, de acordo com os sinais de controle de comutação 18. O sistema de conversão de potência 10 pode ser configurado para efetuar funções de conversão de potência diferentes dependendo das várias formas do primeiro dispositivo de potência 11 e do segundo dispositivo de potência 15. Em algumas realizações, um dispositivo de potência de CA/CC que tem a capacidade de fornecer ou receber a potência de CA/CC pode ser usado como o primeiro dispositivo de potência 11 e o segundo dispositivo de potência 15.
Por exemplo, em algumas realizações, um dispositivo de potência de CA que tem a capacidade de fornecer a potência de CA, tal como uma rede de potência de CA e um dispositivo de geração de potência (por exemplo, um gerador de turbina eólica), pode ser usado como o primeiro dispositivo de potência 11. Em algumas realizações, um dispositivo de potência de CC que tem a capacidade de ser operado em uma potência de CC, tal como um motor de CC, uma bateria e um ultracapacitor, pode ser usado como o segundo dispositivo de potência 15. O sistema de conversão de potência 10 pode atuar como um retificador para retificar uma potência de CA de entrada fornecida a partir do dispositivo de potência de CA 11 e fornecer uma potência de CC de saída ao dispositivo de potência de CC 15.
Em algumas realizações, um dispositivo de potência de CC que tem a capacidade de fornecer potência de CC, tal como um painel solar, uma bateria e um ultracapacitor, pode ser usado como o primeiro dispositivo de potência 11. Em algumas realizações, um dispositivo de potência de CA que tem a capacidade de ser operado na potência de CA, tal como um motor de CA e uma rede de potência de CA, pode ser usado como o segundo dispositivo de potência 15. O sistema de conversão de potência 10 pode atuar como um inversor para converter uma potência de CC de entrada fornecida a partir do dispositivo de potência de CC 11 em uma potência de CA de saída para acionar um motor de CA 15 ou para rede de transmissão e distribuição.
Em algumas realizações, um dispositivo de potência de CC que tem a capacidade de fornecer potência de CC, tal como um painel solar, uma bateria e um ultracapacitor, pode ser usado como o primeiro dispositivo de potência 11. Em algumas realizações, um dispositivo de potência de CC que tem a capacidade de ser operado na potência de CC, tal como um motor de CC, pode ser usado como o segundo dispositivo de potência 15. O sistema de conversão de potência 10 pode atuar como um conversor de CC/CC para converter uma potência de CC de entrada fornecida a partir do dispositivo de potência de CC 11 em uma potência de CC de saída para fornecer ao dispositivo de potência de CC 15.
Em algumas realizações, um dispositivo de potência de CA que tem a capacidade de fornecer potência de CA, tal como rede de potência de CA e um dispositivo de geração de potência (por exemplo, gerador de turbina eólica), pode ser usado como o primeiro dispositivo de potência 11. Em algumas realizações, um dispositivo de potência de CA que tem a capacidade de ser operado na potência de CA pode ser usado como o segundo dispositivo de potência 15. O sistema de conversão de potência 10 pode atuar como um conversor de CA/CA para converter uma potência de CA de entrada fornecida a partir da fonte de potência de CA 11 em uma potência de CA de saída para fornecer ao outro dispositivo de potência de CA 15. O dispositivo de conversão de potência 13 inclui pelo menos uma unidade de comutação 23. Em algumas realizações, a unidade de comutação 23 inclui um dispositivo de comutação 25. O dispositivo de comutação 25 inclui um canal 20 e um diodo de corpo 22 integrado ao canal 20. Em particular, o canal 20 do dispositivo de comutação 25 é projetado para ter uma característica de condução de canal de emissão e uma característica de condução de canal reverso. De forma mais específica, em algumas realizações, o dispositivo de comutação 25 pode permitir que uma corrente de emissão flua através de uma trajetória definida pelo canal 20. Em algumas realizações, o dispositivo de comutação 25 pode permitir que a corrente reversa flua através de pelo menos duas trajetórias definidas pelo diodo de corpo 22 e pelo canal 20. Um exemplo não limitante do dispositivo de comutação 25 que tem a capacidade de ser projetado para ter uma característica de condução de canal reverso pode incluir um transistor de intervalo de banda ampla tal como um transistor de SiC (por exemplo, MOSFET de SiC) e um transistor de GaN.
Na realização ilustrada, o dispositivo de comutação 25 inclui um primeiro terminal 24, um segundo terminal 26 e um terceiro terminal 28. Em algumas realizações, o primeiro terminal 24 pode ser um terminal de porta que é configurado para receber os sinais de controle de comutação 18 fornecidos a partir do módulo de controle 17. O segundo terminal 26 e o terceiro terminal 28 podem ser terminais de fonte e dreno, respectivamente, que são configurados para fornecer as trajetórias de fluxo de corrente em resposta aos sinais de controle de comutação 18 abastecidos ao primeiro terminal 24.
Em algumas realizações, as trajetórias de fluxo de corrente diferentes podem ser formadas na unidade de comutação 23 com direções de corrente diferentes em resposta a sinais de controle de comutação diferentes. A corrente pode incluir uma corrente de direção positiva e uma corrente de direção negativa, de acordo com a direção da corrente que flui entre o segundo terminal 26 e o terceiro terminal 28. A corrente de direção positiva pode fluir do segundo terminal 26 ao terceiro terminal 28 e a corrente de direção negativa pode fluir do terceiro terminal 28 ao segundo terminal 26.
Em algumas realizações, a corrente de direção positiva pode fluir através de uma trajetória de fluxo de direção positiva fornecida através do canal 20 do dispositivo de comutação 25 em resposta a um sinal de controle de comutação de ligamento abastecido ao primeiro terminal 24 do dispositivo de comutação 25. Em algumas realizações, a corrente de direção negativa pode fluir através de uma primeira trajetória de fluxo de corrente de direção negativa fornecida através do diodo de corpo 22 do dispositivo de comutação 25 em resposta a um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento abastecido ao primeiro terminal 24 do dispositivo de comutação 25. Em algumas realizações, a corrente de direção negativa pode fluir através de uma segunda trajetória de fluxo de corrente de direção negativa fornecida através do canal 20 do dispositivo de comutação 25 em resposta a outro sinal de controle de comutação de ligamento abastecido ao primeiro terminal 24 do dispositivo de comutação 25.
Em algumas realizações, o dispositivo de conversão de potência 13 inclui uma única unidade de comutação projetada com a característica de condução de canal reverso. Em algumas realizações, o dispositivo de conversão de potência 13 inclui mais do que uma unidade de comutação. Por exemplo, o dispositivo de conversão de potência 13 pode ter uma configuração de ponte H ou uma topologia de quatro unidades de comutação, e todas as quatro unidades de comutação, ou parte das mesmas, podem ser projetadas para ter a característica de condução de canal reverso. Em algumas realizações, o dispositivo de conversão de potência 13 pode ter uma configuração de ponte trifásica ou uma topologia de seis unidades de comutação, e todas as seis unidades de comutação, ou parte das mesmas, podem ser projetadas para ter a característica de condução de canal reverso. Em algumas realizações, o dispositivo de conversão de potência 13 pode incluir outras configurações com qualquer número de unidades de comutação. A fim de manter o sistema de conversão de potência 10 em operação de uma maneira segura, o dispositivo de conversão de potência 13 ou o sistema de conversão de potência 10 pode incluir outros circuitos, tais como um circuito de dispositivo de segurança (não mostrado) para manter o dispositivo de comutação 23 em trabalho de uma maneira segura. A Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema de conversão de potência 100, em conformidade com outra realização exemplificativa da presente revelação. O sistema de conversão de potência 100 é substancialmente igual ao que foi descrito na Figura 1. De forma semelhante, o sistema de conversão de potência 100 inclui um dispositivo de conversão de potência 103 e um módulo de controle 17. Também, o dispositivo de conversão de potência 103 inclui pelo menos uma unidade de comutação 123.
Em algumas realizações, a unidade de comutação 123 mostrada na Figura 2 inclui, adicionalmente, um diodo antiparalelo 101 eletricamente acoplado ao dispositivo de comutação 25, em antiparalelo. De forma mais específica, o ano do do diodo antiparalelo 101 é eletricamente acoplado ao terceiro terminal 28 e o catodo do diodo antiparalelo 101 é eletricamente acoplado ao segundo terminal 26. Em algumas realizações, a unidade de comutação 123 pode incluir outros dispositivos (por exemplo, um capacitor) eletricamente acoplados em série, ou em paralelo, ao dispositivo de comutação 25.
Conforme é descrito anteriormente em referência à Figura 1, o diodo de corpo 22 e o canal 20 podem ser configurados para fornecer uma primeira e uma segunda trajetórias de fluxo de corrente de direção negativa, respectivamente, para a corrente de direção negativa fluir. Na realização ilustrada da Figura 2, em resposta ao primeiro sinal de controle de comutação de desligamento abastecido ao primeiro terminal 24 do dispositivo de comutação 25, a corrente de direção negativa pode fluir através de uma terceira trajetória de fluxo de corrente de direção negativa fornecida através do diodo antiparalelo 101 de modo que a sobrecarga de corrente no diodo de corpo 22 do dispositivo de comutação 25 possa ser reduzida.
Em algumas realizações, o diodo antiparalelo 101 pode incluir um diodo de Si ou um diodo de intervalo de banda ampla tal como um diodo de SiC e um diodo de GaN. O benefício ou a vantagem de usar tal diodo de intervalo de banda ampla, tal como um diodo de SiC e um diodo de GaN, é que o consumo de potência geral do dispositivo de conversão de potência 13 pode ser reduzido.
Em geral, após receber uma potência de entrada na primeira porta 19 do dispositivo de conversão de potência 103, uma estratégia de modulação é implantada no dispositivo de conversão de potência 103 para converter a potência de entrada em uma potência de saída. Para facilitar a explicação, uma estratégia de modulação convencional e uma estratégia de controle de comutação combinada através da estratégia de modulação convencional com uma estratégia de condução por canal reverso, em conformidade com a presente revelação, serão descritas abaixo. Em algumas realizações, a estratégia de controle de comutação combinada através da estratégia de modulação com a estratégia de condução por canal reverso é implantada para controlar a operação de pelo menos uma unidade de comutação (por exemplo, a unidade de comutação 23 mostrada na Figura 1 ou a unidade de comutação 123 mostrada na Figura 2). A Figura 3 mostra um gráfico de várias formas de onda em uma unidade de comutação (mostrado na Figura 1 ou 2) em resposta à implantação de uma estratégia de modulação convencional, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação. Em algumas realizações, um primeiro sinal de controle de comutação de inicialização 201 e um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento 203 são gerados através da estratégia de modulação convencional, tal como uma estratégia de modulação por largura de pulso (PWM) (por exemplo, estratégia de modulação por largura de pulso de vetor espacial (SVPWM), estratégia de modulação por largura de pulso senoidal (SPWM)).
Em algumas realizações, em resposta ao primeiro sinal de controle de ligamento 201 abastecido ao primeiro terminal 24 do dispositivo de comutação 25, uma corrente de direção positiva pode fluir através da trajetória de fluxo de corrente de direção positiva fornecido pelo canal 20 do dispositivo de comutação 25. No entanto, não há fluxo de corrente através do diodo (por exemplo, do diodo de corpo 22 mostrado na Figura 1 e do diodo antiparalelo 101 mostrado na Figura 2) assim como no canal 20 do dispositivo de comutação 25.
Em algumas realizações, em resposta ao primeiro sinal de controle de comutação de desligamento 203 abastecido ao primeiro terminal 24 do dispositivo de comutação 25, uma corrente de direção negativa 205 pode fluir através da primeira trajetória de fluxo de corrente de direção negativa fornecida através do diodo de corpo 22 (mostrado na Figura 1) do dispositivo de comutação 25. Em algumas realizações, a corrente de direção negativa 205 pode fluir através da terceira trajetória de fluxo de corrente de direção negativa fornecida através do diodo antiparalelo 101 (mostrado na Figura 2). Em algumas realizações, a corrente de direção negativa pode fluir tanto através da primeira quanto da terceira trajetórias de fluxo de corrente de direção negativa.
Conforme é mostrado na Figura 3, durante o período de tempo em que o primeiro sinal de controle de comutação de desligamento 203 é abastecido ao primeiro terminal 24 do dispositivo de comutação 25, não há corrente que flui através do canal 20 (mostrado na Figura 1 e 2) do dispositivo de comutação 25. Portanto, o diodo de corpo 22 e/ou o diodo antiparalelo 101 contribui para a perda de condução durante a implantação da estratégia de modulação convencional. A Figura 4 mostra um gráfico de várias formas de onda em uma unidade de comutação (mostrado na Figura 1 ou 2) em resposta à implantação de uma estratégia de controle de comutação combinada através da estratégia de modulação convencional com uma estratégia de condução por canal reverso, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação. Em algumas realizações, o primeiro sinal de controle de comutação de inicialização 201 é gerado através da estratégia de modulação convencional. Um segundo sinal de controle de comutação de inicialização 303 é gerado através da estratégia de condução por canal reverso de modo que tome todo proveito da característica de condução de canal reverso.
Conforme é mostrado na Figura 4, em algumas realizações, o primeiro sinal de controle de comutação de inicialização 201 é seguido pelo segundo sinal de controle de comutação de inicialização 303. Em algumas realizações, em resposta ao segundo sinal de controle de comutação de inicialização 303 abastecido ao primeiro terminal 24 do dispositivo de comutação 25, o canal 20 do dispositivo de comutação 25 é ligado para conduzir a corrente ou, de forma mais específica, uma corrente de direção negativa flui do terceiro terminal 28 ao segundo terminal 26 por meio do canal 20 do dispositivo de comutação 25. O canal de condução 20 do dispositivo de comutação 25 tem uma resistência menor do que o diodo de corpo 22 do dispositivo de comutação 25 ou do que o diodo antiparalelo 101. Portanto, a perda de condução pode ser reduzida mantendo-se o fluxo de corrente de direção negativa através do canal 20 do dispositivo de comutação 25 que pode melhorar a eficácia dos sistemas de conversão de potência 10, 100. A Figura 5 mostra outro gráfico de várias formas de onda de uma unidade de comutação (mostrado na Figura 1 ou 2) em resposta à implantação da estratégia de controle de comutação mostrado na Figura 4 combinada com uma estratégia de controle de comutação por tempo morto, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação. De forma mais específica, uma parte de um sinal de controle de comutação (por exemplo, o segundo sinal de controle de comutação de inicialização) é substituída por um período de tempo morto de desligamento de sinal de controle de comutação. Então um sinal de controle de comutação final é abastecido ao primeiro terminal 24 do dispositivo de comutação 25. O propósito da implantação de tal estratégia de controle de comutação por tempo morto é que uma falha de curto circuito, que pode ocorrer quando duas unidades de comutação configuradas em série em um único ramal de ponte estão conduzindo as corrente simultaneamente, possa ser evitada.
Conforme é mostrado na Figura 5, em algumas realizações, o primeiro sinal de controle de comutação de inicialização 201 é seguido por um segundo sinal de controle de comutação de inicialização 403. O segundo sinal de controle de comutação de inicialização 403 é gerado com pelo menos um segundo sinal de controle de comutação de desligamento (por exemplo, um sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto 402 e um sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto 404). Em comparação ao segundo sinal de controle de comutação de inicialização 303 (mostrado na Figura 4), os sinais de controle de comutação de desligamento por tempo morto 402, 404 trazem um atraso de tempo morto em uma borda em elevação e um avanço de tempo morto em uma borda em declínio do segundo sinal de controle de comutação de inicialização 403.
Além disso, quando o dispositivo de comutação 25 é comutado de um estado desligado no qual o primeiro sinal de controle de comutação por tempo morto 402 é abastecido a um estado ligado no qual o segundo sinal de controle de comutação de inicialização 403 é abastecido, uma comutação por tensão zero pode ser alcançada. De forma mais específica, em resposta ao primeiro sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto 402, a corrente de direção negativa 406 flui através do diodo (por exemplo, do diodo de corpo 22 do dispositivo de comutação 25 mostrado na Figura 1 ou do diodo antiparalelo 101 mostrado na Figura 2). A tensão entre o segundo terminal 26 e o terceiro terminal 28 é igual à tensão de condução do diodo que é substancialmente próximo a zero. Em resposta ao segundo sinal de controle de comutação de inicialização 403, a corrente de direção negativa 405 muda a trajetória de fluxo a partir do diodo ao canal 20 do dispositivo de comutação 25. Ou seja, quando o primeiro sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto 402 transita para o segundo sinal de controle de comutação de inicialização 403, o dispositivo de comutação 25 é ligado com uma tensão zero. Como resultado, a perda de comutação pode ser reduzida. Em resposta ao segundo sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto 404, a corrente de direção negativa 408 flui através do diodo. A Figura 6 mostra um diagrama esquemático de um retificador 500 usado em um sistema de veículo elétrico (EV) (mão mostrado) para carregar um dispositivo de armazenamento de energia, tal como uma batería instalada no sistema de EV. O sistema de EV pode incluir um sistema de veículo elétrico puro, um sistema de veículo elétrico híbrido (HEV) e um sistema de veículo elétrico de célula combustível. O retificador 500 inclui um dispositivo de conversão de potência trifásico 503 e um módulo de controle 507. Para o propósito de descrição, embora seja mostrado que o retificador 500 tem uma configuração trifásica nessa realização, em outras realizações, o retificador 500 pode ser configurado em configurações de fase única e de múltiplas fases. Na realização ilustrada, o dispositivo de conversão de potência trifásico 503 tem seis unidades de comutação 521 a 526 que são substancialmente as mesmas que a unidade de comutação 123 descrita na Figura 2, cada unidade de comutação (por exemplo, 521 a 526) pode incluir um MOSFET de SiC, um diodo antiparalelo e um capacitor. A primeira e a segunda unidades de comutação 521, 522 acopladas em série formam um primeiro ramal de fase, a terceira e quarta unidades de comutação 523, 524 acopladas em série formam um segundo ramal de fase e a quinta e sexta unidades de comutação 525, 526 acopladas em série formam um terceiro ramal de fase. Os três ramais de fase são configurados para receber entradas trifásicas respectivas de um dispositivo de entrada de potência de CA 501 e para fornecer uma potência de CC de saída para uma carga 505 por meio de dois terminais de saída 508, 510.
De forma mais específica, um terceiro terminal de um primeiro dispositivo de comutação Si e um segundo terminal de um segundo dispositivo de comutação S2 são acoplados, comumente, a um primeiro terminal de entrada 502 para receber uma primeira potência de fase do dispositivo de entrada de potência de CA 501. Um terceiro terminal de um terceiro dispositivo de comutação S3 e um segundo terminal de um quarto dispositivo de comutação S4 são acoplados, comumente, a um segundo terminal de entrada 504 para receber uma segunda potência de fase do dispositivo de entrada de potência de CA 501. Um terceiro terminal de um quinto dispositivo de comutação S5 e um segundo terminal de um sexto dispositivo de comutação S6 são acoplados, comumente, a um terceiro terminal de entrada 506 para receber uma terceira potência de fase do dispositivo de entrada de potência de CA 501. Os segundos terminais de cada dispositivo de comutação Si, S3, S5 são acoplados, comumente, a um terminal positivo 508 da carga 505 (por exemplo, uma bateria) e os terceiros terminais de cada dispositivo de comutação S2, S4, S6 são acoplados, comumente, a um terminal negativo 510 da carga 505. O módulo de controle 507 está em comunicação elétrica com pelo menos o dispositivo de conversão de potência trifásico 503 para fornecer os sinais de controle de comutação aos primeiros terminais de cada dispositivo de comutação S1 a S6 no retificador trifásico 503. Em algumas realizações, o módulo de controle 507 pode incluir quaisquer circuitos programáveis adequados ou dispositivos, tais como um processador de sinal digital (DSP), uma matriz de porta programável em campo (FPGA), um controlador de lógica programável (PLC) e um circuito integrado específico de aplicação (ASIC). Em algumas realizações, o módulo de controle 507 pode ser implantado na forma de hardware, software ou em uma combinação de hardware e software. Os detalhes específicos de como os sinais de controle de comutação são gerados através do módulo de controle 507 são descritos abaixo. A Figura 7 mostra um gráfico de várias formas de onda do retificador 500 mostrado na Figura 6 que implanta uma estratégia de modulação por largura de pulso de vetor espacial (SVPWM), em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação. Em algumas realizações, o estado de comutação de cada ramal de fase pode incluir “0” e “1”. Por exemplo, “0” representa que o dispositivo de comutação superior (por exemplo, S-ι) em cada ramal de fase é desligado e o dispositivo de comutação inferior (por exemplo, S2) em cada ramal de fase é ligado. O “1” representa que o dispositivo de comutação superior (por exemplo, Si) em cada ramal de fase é ligado e que o dispositivo de comutação inferior (por exemplo, S2) em cada ramal de fase é desligado. Os estados de comutação dos três ramais de fase podem ser agrupados com oito vetores de comutação ^°(000) Fi(001) ^ F2(010) F3(011) F4(100) Fs(lOl) K6(110) ~ F7(lll) Na realização ilustrada, a estratégia de modulação é baseada em uma SVPWM de sete segmentos. Conforme é mostrado na Figura 7, o gráfico mostra várias formas de onda das seis unidades de comutação, mostradas na Figura 6, com sete segmentos. Cada segmento é correspondente a um vetor de comutação e a um modo de operação do dispositivo de conversão de potência 503. Na realização ilustrada, a conversão dentre os quatro vetores de comutação ^(000) f F4(100)j F6(110) e F7(lll) resu|ta em uma mudança de modo de um processo de conversão de potência. Por exemplo, quando o vetor de comutação Fo(OOO) § convertido em ^^(100) Q processo qe conversão de potência muda do modo 1 para o modo 2 e quando o vetor de comutação F4(100) ^ convertido em ^(110)^ Q processo de conversão de potência muda do modo 2 para o modo 3.
Quando a corrente de direção negativa sai na primeira unidade de comutação 521, uma corrente de direção negativa 603 (mostrada no modo 2 ao modo 6) pode fluir através de um primeiro diodo antiparalelo D-ι em resposta a um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento 601 (mostrado no modo 1 ao modo 7) recebido através de um primeiro dispositivo de comutação Si. Quando uma corrente de direção positiva sai na terceira unidade de comutação 523, a corrente de direção positiva pode fluir através de um terceiro dispositivo de comutação S3 em resposta a um primeiro sinal de controle de comutação de inicialização 605 (mostrada em modo 3 ao modo 5) recebido através do terceiro dispositivo de comutação S3. Conforme é mostrado na Figura 7, as outras unidades de comutação são operadas, substancialmente, da mesma maneira que a primeira e terceira unidades de comutação 521, 523, assim, as descrições detalhadas das outras unidades de comutação são omitidas no presente documento. A Figura 8 mostra um gráfico de várias formas de onda do retificador 500 mostrado na Figura 6 que implanta uma combinação da estratégia de SVPWM e de uma estratégia de condução por canal reverso, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação. Em comparação com a estratégia de SVPWM mostrada na Figura 7, uma ação semelhante é tomada quando se recebe um primeiro sinal de controle de comutação de inicialização (por exemplo, 605), embora algumas ações diferentes possam ser tomadas quando se recebe um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento (por exemplo, 601 mostrado na Figura 7) com a corrente de direção negativa que flui em cada unidade de comutação, conforme é descrito na Figura 6.
Conforme é mostrado na Figura 8, em resposta a um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto 702 (mostrado no modo 1) e a um segundo sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto 704 (mostrado no modo 6) abastecido ao primeiro terminal do primeiro dispositivo de comutação as correntes de direção negativa 703, 705 (mostradas no modo 2 e no modo 6, respectivamente) são mantidas em fluxo através do primeiro d iodo antiparalelo Di. Em resposta a um segundo sinal de controle de comutação de inicialização 701 (mostrado no modo 2 ao modo 6) abastecido ao primeiro terminal do dispositivo de comutação S-ι, a trajetória de fluxo de corrente da corrente de direção negativa é mudada a partir do primeiro diodo antiparalelo Di a um canal do primeiro dispositivo de comutação S-ι, em comparação com a corrente de direção negativa 603 mostrada na Figura 7. A Figura 9 mostra um gráfico de trajetória de fluxo de corrente do retificador 500 mostrado na Figura 6 através da implantação de uma estratégia de SVPWM, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação. De forma mais específica, as trajetórias de fluxo de corrente são formadas através da operação do retificador 500 no modo 1, conforme é mostrado na Figura 7. No modo 1, um primeiro sinal de controle de comutação de inicialização 607 é abastecido a um segundo dispositivo de comutação S2, um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento 609 é abastecido a um quarto dispositivo de comutação S4 e um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento 611 é abastecido a um sexto dispositivo de comutação S6. Conforme é mostrado na Figura 9, uma corrente flui para fora do dispositivo de entrada de potência de CA 501 na forma de ia no primeiro terminal de entrada 502 e flui de volta ao dispositivo de entrada de potência de CA 501 na forma de ib e ic no segundo terminal de entrada 504 e no terceiro terminal de entrada 506, respectivamente.
Em algumas realizações, ia pode ser denominado corrente de direção positiva que flui através de um canal do segundo dispositivo de comutação S2. Além disso, ib e ic podem ser denominados correntes de direção negativa que fluem através de um quarto diodo antiparalelo D4 e um sexto diodo antiparalelo ϋβ, respectivamente. A Figura 10 mostra um gráfico de uma trajetória de fluxo de corrente do retificador 500 mostrado na Figura 6 que implanta uma combinação da estratégia de SVPWM e uma estratégia de condução por canal reverso, em conformidade com uma realização exemplificativa da presente revelação. Conforme é mostrado no modo 1 na Figura 8, que é semelhante ao modo 1 mostrado na Figura 7, o primeiro sinal de controle de comutação de inicialização 607 ainda é fornecido ao segundo dispositivo de comutação S2. Adicionalmente, um segundo sinal de controle de comutação de inicialização 709 e um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto 708 são abastecidos ao quarto dispositivo de comutação S4. Um segundo sinal de controle de comutação de inicialização 711 e um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto 710 são abastecidos ao sexto dispositivo de comutação S6. Em realizações alternativas, os sinais de controle de comutação de desligamento 708, 711 podem ser gerados em um tempo morto.
Em comparação com a realização da Figura 9, a corrente de direção positiva ía ainda flui através do canal do segundo dispositivo de comutação S2. No entanto, a corrente de direção negativa ib flui através de um canal do quarto dispositivo de comutação S4 em vez do quarto diodo antiparalelo D4. A corrente de direção negativa ic flui através de um canal do sexto dispositivo de comutação S6 em vez do sexto diodo antiparalelo D6. Conforme é descrito anteriormente, conduzir um corrente de direção negativa no canal, em vez de conduzir no diodo de corpo ou no diodo antiparalelo, pode ajudar a reduzir a perda de condução em associação à operação do sistema de conversão de potência. Como resultado, a eficácia do sistema de conversão de potência pode ser melhorada.
Conforme será entendido por aqueles familiarizados com a técnica, a presente invenção pode ser incorporada em outras formas específicas sem depender do espírito ou de características essenciais do mesmo. Em conformidade, as revelações e descrições no presente documento se destinam a ser ilustrativas, porém sem limitação, do escopo da invenção que é apresentando nas reivindicações a seguir.

Claims (18)

1. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, que compreende: um módulo de controle configurado para fornecer sinais de controle de comutação e um dispositivo de conversão de potência que compreende: uma primeira porta; uma segunda porta; e pelo menos uma unidade de comutação eletricamente acoplada à primeira porta e à segunda porta, sendo que a unidade de comutação compreende um dispositivo de comutação, em que o dispositivo de comutação compreende um canal e um diodo de corpo integrado ao canal, sendo que o dispositivo de comutação compreende um primeiro terminal configurado para receber sinais de controle de comutação fornecidos a partir do módulo de controle, um segundo terminal e um terceiro terminal configurado para fornecer trajetórias de fluxo de corrente, em que o canal do dispositivo de comutação é configurado para fornecer uma trajetória de fluxo de corrente de direção positiva para permitir que uma corrente de direção positiva flua do segundo terminal para o terceiro terminal em resposta a um primeiro sinal de controle de comutação de inicialização suprido para o primeiro terminal; o diodo de corpo do dispositivo de comutação é configurado para fornecer uma primeira trajetória de fluxo de corrente de direção negativa para permitir que uma corrente de direção negativa flua do terceiro terminal para o segundo terminal em resposta a um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento suprido ao primeiro terminal; e o canal do dispositivo de comutação é configurado para fornecer uma segunda trajetória de fluxo de corrente de direção negativa para permitir que a corrente de direção negativa flua do terceiro terminal para o segundo terminal em resposta a um segundo sinal de controle de comutação de inicialização suprido para o primeiro terminal.
2. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, em que o dispositivo de comutação compreende pelo menos um dentre um transistor de carbeto de silício (SiC) e um transistor de nitreto de gálio (GaN).
3. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiro sinal de controle de comutação de inicialização e o primeiro sinal de controle de comutação de desligamento são gerados implantando-se uma estratégia de modulação.
4. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 3, em que a estratégia de modulação compreende pelo menos um dentre uma estratégia de modulação por largura de pulso de vetor espacial (SVPWM) e uma estratégia de modulação por largura de pulso senoidal (SPWM).
5. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 3, em que parte do primeiro sinal de controle de comutação de desligamento é substituído pelo segundo sinal de controle de comutação de inicialização.
6. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiro terminal do dispositivo de comutação recebe um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto com um atraso de tempo morto em uma borda em elevação do segundo sinal de controle de comutação de inicialização e um segundo sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto com um avanço de tempo morto em uma borda em declínio do segundo sinal de controle de comutação de inicialização.
7. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 6, em que quando o primeiro sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto transita para o segundo sinal de controle de comutação de inicialização, o dispositivo de comutação é iniciado substancialmente com uma tensão zero.
8. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 3, em que a unidade de comutação compreende um diodo antiparalelo eletricamente acoplado ao dispositivo de comutação em antiparalelo, em que o diodo antiparalelo é configurado para fornecer uma terceira trajetória de fluxo de corrente de direção negativa para permitir que a corrente de direção negativa flua do terceiro terminal para o segundo terminal em resposta ao primeiro sinal de controle de comutação de desligamento suprido para o primeiro terminal.
9. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 8, em que o diodo antiparalelo compreende pelo menos um dentre um diodo de SiC e um diodo de GaN.
10. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 8, em que parte do primeiro sinal de controle de comutação de desligamento é substituída pelo segundo sinal de controle de comutação de inicialização.
11. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, em que o sistema de conversão de potência compreende um retificador configurado para retificar uma potência de corrente alternada (AC) de entrada para uma potência de corrente contínua (CC) de saída em resposta a sinais de controle de comutação fornecidos do módulo de controle para carregar uma carga.
12. SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA, de acordo com a reivindicação 1, sendo que o sistema de conversão de potência compreende pelo menos um dentre: um inversor configurado para receber sinais de controle de comutação para inverter uma potência de CC de entrada em uma potência de CA de saída; um conversor de CC/CC configurado para receber sinais de controle de comutação para converter uma potência de CC de entrada em uma potência de CC de saída; e um conversor de CA/CA configurado para receber sinais de controle de comutação para converter uma potência de CA de entrada em uma potência de CA de saída.
13. MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA ,que compreende: fornecer um primeiro sinal de controle de comutação de inicialização para um primeiro terminal de um dispositivo de comutação do sistema de conversão de potência para permitir que uma corrente de direção positiva flua de um segundo terminal para um terceiro terminal através de uma trajetória de fluxo de corrente de direção positiva fornecida por um canal do dispositivo de comutação; e fornecer um segundo sinal de controle de comutação de inicialização para o primeiro terminal do dispositivo de comutação do sistema de conversão de potência para permitir que uma corrente de direção negativa flua do terceiro terminal para o segundo terminal através de uma trajetória de fluxo de direção negativa fornecida pelo canal do dispositivo de comutação.
14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, que compreende substituir parte do primeiro sinal de controle de comutação de desligamento pelo segundo sinal de controle de comutação de inicialização.
15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, que compreende gerar o primeiro sinal de controle de comutação de inicialização e o primeiro sinal de controle de comutação de desligamento através de uma estratégia de modulação.
16. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 15, em que a estratégia de modulação compreende pelo menos uma dentre uma estratégia de modulação por largura de pulso de vetor espacial (SVPWM) e uma estratégia de modulação por largura de pulso senoidal (SPWM).
17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, que compreende: fornecer um primeiro sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto com um atraso de tempo morto em uma borda em elevação do segundo sinal de controle de comutação de inicialização; e fornecer um segundo sinal de controle de comutação de desligamento por tempo morto com um avanço de tempo morto em uma borda em declínio do segundo sinal de controle de comutação de inicialização.
18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 17, que compreende inicializar o dispositivo de comutação substancialmente com uma estratégia de comutação por tensão zero (ZVS).
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