ES2220556T3 - Convertidor de alimentacion conmutado con un transformador piezoelectrico. - Google Patents
Convertidor de alimentacion conmutado con un transformador piezoelectrico.Info
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Abstract
Convertidor de alimentación conmutado con un transformador piezoeléctrico (PT) convierte una primera tensión en una segunda tensión diferente estabilizada mediante una conexión en cascada de un bloque convertidor DC/AC, seguido de un segundo rectificador (11-6) conectado a un segundo filtro (11-7), el bloque convertidor DC/AC comprende en una conexión en cascada, un bloque excitador (11-5) seguido por dicho transformador piezoeléctrico (PT), caracterizado porque el bloque excitador (11-5) está adaptado para excitar dicho transformador piezoeléctrico (PT), mediante un tren de pulsos (21) con una primera frecuencia (F1) que es menor que un predeterminado submúltiplo de dicha frecuencia de resonancia (FR) de dicho transformador piezoeléctrico.
Description
Convertidor de alimentación conmutado con un
transformador piezoeléctrico.
La presente invención se refiere a un convertidor
de alimentación conmutado que usa como transformador un
transformador piezoeléctrico, para llevar a cabo un proceso de
conversión de una tensión suministrada desde una fuente de
alimentación en una tensión diferente de salida, adecuada para ser
suministrada a una carga.
El aislamiento galvánico del convertidor de
alimentación conmutado es proporcionado por el transformador
piezoeléctrico, cuyo funcionamiento es gobernado mediante la
conmutación de al menos un elemento de conmutación.
El convertidor de alimentación conmutado es de
especial aplicación, pero no exclusivamente, en sistemas de
telecomunicaciones ya que presentar un alto rendimiento con reducido
tamaño y peso.
El transformador piezoeléctrico realiza la
transformación de una tensión aplicada entre unos terminales
primarios, a una tensión diferente generada entre unos terminales
secundarios mediante la vibración mecánica del transformador
piezoeléctrico, efecto piezoeléctrico.
Un convertidor de alimentación conmutado con
aislamiento galvánico está adaptado para realizar una conversión de
una tensión de entrada en una tensión de salida mediante la acción
de un transformador con devanados, esto es, es un elemento
magnético.
El convertidor de alimentación es posible
integrarlo dentro de una topología de conversión con aislamiento
galvánico, el cual es proporcionado mediante el transformador
electromagnético. Ejemplos de esta topología de conversión son un
convertidor directo (forward) con enclavamiento activo (active
clamp), un convertidor indirecto (flyback). Ambos convertidores
tienen como característica que presentan aislamiento galvánico,
ubicado en diferente posición.
El transformador proporciona aislamiento
galvánico entre la entrada y salida del convertidor de alimentación,
permite concebir el convertidor de alimentación con varias salidas,
así como el cumplimiento de la normativa de seguridad.
Sin embargo, para que el transformador de
potencia proporcione dichas características debe cumplir algunos
requerimientos de diseño que determinan sus dimensiones físicas y
peso. Consecuentemente, el transformador de potencia dentro del
convertidor de alimentación conmutado es uno de los dispositivos más
voluminosos y pesados, por lo tanto, se hace necesario reducir el
volumen del transformador de potencia para llevar a cabo un proceso
de miniaturización global del convertidor de alimentación
conmutado, así como alcanzar una reducción del peso del mismo.
La función de transformación de la tensión de
entrada en una tensión diferente de salida, es posible generarla
mediante una vibración mecánica de un transformador piezoeléctrico,
cuyo volumen es sensiblemente menor que el tamaño del transformador
magnético para una potencia equivalente.
No obstante, el uso del transformador
piezoeléctrico no está generalizado ya que presenta la desventaja de
que para que trabaje con un alto rendimiento los elementos de
conmutación que gobiernan su función deben trabajar a muy alta
frecuencia, de modo que las pérdidas de conmutación aumentan
sensiblemente.
Se hace necesario desarrollar un convertidor de
alimentación conmutado con aislamiento galvánico mediante un
transformador piezoeléctrico. El convertidor de alimentación tiene
elementos de conmutación para llevar a cabo el gobierno del
transformador piezoeléctrico en un modo sencillo, que garantice la
obtención de una tensión de salida constante y regulada con un alto
rendimiento global, un reducido tamaño y un reducido peso.
D1 EP0729219 describe un convertidor conmutado
que tiene un transformador piezoeléctrico de manera que sus
terminales de entrada están conectados en serie a una etapa de
conmutación que incluye MOSFETs, y sus terminales de salida también
están conectados a una etapa de rectificación que está a su vez
conectada a las cargas. La etapa de conmutación es conmutada por una
frecuencia que es ligeramente diferente de la frecuencia de
resonancia ya que si la frecuencia de conmutación es muy diferente
de la frecuencia de resonancia el rendimiento del convertidor se ve
afectado de manera que se reduce.
Para resolver los problemas anteriormente
descritos se propone un convertidor de alimentación conmutado que
tiene reducidas dimensiones y peso, a la vez que su rendimiento
global es alto, que lo hacen idóneo para ser montado junto a
equipos de telecomunicaciones.
Es por lo tanto un propósito de la presente
invención proporcionar un convertidor de alimentación que incluya
un transformador piezoeléctrico de modo que su excitación sea
guiada por un bloque excitador cuyos elementos de conmutación sean
conmutados a una frecuencia reducida tal que las pérdidas de
conmutación sean mínimas.
El convertidor de alimentación conmutado
convierte una primera tensión suministrada desde una fuente de
tensión, en una segunda tensión diferente estabilizada, mediante
una conexión en cascada de un bloque convertidor DC/AC, seguido de
un segundo rectificador conectado a un segundo filtro.
El bloque convertidor DC/AC comprende un bloque
excitador seguido por dicho transformador piezoeléctrico, conexión
en cascada. El bloque excitador excita al transformador
piezoeléctrico mediante un tren de pulsos con una primera
frecuencia que es menor que una frecuencia de resonancia del
transformador piezoeléctrico.
La primera frecuencia corresponde a la frecuencia
a la cual es conmutado al menos un elemento de conmutación que
incluye el bloque excitador. Luego la frecuencia de conmutación es
un subarmónico (submúltiplo) de la frecuencia de resonancia del
transformador piezoeléctrico.
Una explicación más detallada de la invención se
da en la siguiente descripción basada en las figuras adjuntas en
las que:
la figura 1 muestra en un diagrama de bloques una
realización preferida de un convertidor de alimentación conmutado
con un transformador piezoeléctrico de acuerdo con la invención,
la figura 2 muestra algunas formas de onda
relativas al control de unos elementos de conmutación y del
transformador piezoeléctrico de acuerdo con la invención, y
la figura 3 muestra una modificación del
convertidor de alimentación conmutado de acuerdo a la
invención.
La figura 1 representa una realización preferida
de un convertidor de alimentación conmutado que tiene un
transformador piezoeléctrico PT. El convertidor de alimentación
lleva a cabo la conversión de una primera tensión de entrada aplica
entre unos terminales de entrada 11-1 y
11-2, a una segunda tensión diferente que es
proporcionada entre unos terminales de salida 12-1 y
12-2. El terminal 11-1, por
ejemplo, está conectado al polo positivo y el terminal
11-2 a tierra, respectivamente.
Una fuente de tensión suministra la primera
tensión de entrada. La fuente de tensión puede ser una red de
distribución eléctrica de alterna AC, una fuente de tensión
continua DC, u otras.
El convertidor de alimentación conmutado
comprende, en una conexión en cascada, un bloque convertidor DC/AC
seguido de un segundo rectificador 11-6 y a
continuación un segundo filtro 11-7, cuyos
terminales de salida coinciden con los terminales de salida
12-1, 12-2 del convertidor de
alimentación.
El bloque convertidor DC/AC consiste en una
topología de conversión tal como una de tipo
semi-puente, por ejemplo, pudiendo ser utilizadas
otras topologías de conversión que presenten aislamiento
galvánico.
El bloque convertidor DC/AC tiene unos terminales
de entrada, los cuales coinciden con los terminales
11-1, 11-2; comprende un bloque
excitador 11-5 conectado al transformador
piezoeléctrico PT, conexión en cascada. El bloque excitador
11-5 comprende una combinación serie de un primer
elemento conmutador 11-5-1 y un
segundo elemento conmutador 11-5-2.
La combinación serie está conectada entre los terminales
11-1, 11-2.
Tanto el primer elemento conmutador
11-5-1 como el segundo elemento
conmutador 11-5-2 es posible que
sean transistores de efecto campo MOSFET, respectivamente.
Con relación ahora a la figura 2, el
funcionamiento de la topología tipo semi-puente es
conocido en el estado de la técnica y, por lo tanto, no es
explicado en detalle. Su funcionamiento se resume en que cuando, por
ejemplo, el primer MOSFET 11-5-1
está en conducción (ON) hay un primer nivel de tensión aplicado
entre unos terminales PT-1 y PT-2
del transformador piezoeléctrico PT; el segundo MOSFET
11-5-2 está al corte (OFF).
Después de un tiempo, ciclo de trabajo, fijado
por un dispositivo controlador
11-5-5 tal como un dispositivo de
modulación de anchura del pulso (PWM), un dispositivo de modulación
en frecuencia (PFM), u otros; el primer MOSFET
11-5-1 conmuta a corte (OFF).
Después de un tiempo, ciclo de trabajo, fijado por el controlador
11-5-5, el segundo MOSFET
11-5-2 pasará a conducción (ON) hay
un segundo nivel de tensión aplicado entre los terminales
PT-1 y PT-2 del transformador
piezoeléctrico PT.
Resumiendo, un tren de pulsos 21 es aplicado
entre los terminales PT-1 y PT-2. El
tren de pulsos tiene una frecuencia, a saber primera frecuencia F1,
que corresponde con la frecuencia de conmutación de ambos MOSFETs
11-5-1,
11-5-2.
Volviendo ahora a la figura 1, el bloque DC/AC
lleva a cabo la conversión de la primera tensión continua a otra
tensión alterna diferente que es rectificada en el segundo
rectificador 11-6. Antes de que esta tensión
rectificada llegue a la carga, es filtrada en el segundo filtro
11-7 para proporcionar la tensión de continua
estabilizada entre los terminales de salida 12-1,
12-2, que corresponde a la segunda tensión de salida
del convertidor de alimentación conmutado.
El segundo rectificador 11-6 es
posible que sea un rectificador síncrono autoexcitado, por ejemplo.
Y el segundo filtro 11-7 es posible que conste de un
inductor y una segunda capacidad de almacenamiento, por ejemplo.
Volviendo ahora a la figura 2, el bloque
excitador 11-5 genera entre sus terminales de
salida, que corresponde con los terminales PT-1,
PT-2 del transformador piezoeléctrico PT, el tren
de pulsos 21 cuya forma de onda es de tipo rectangular, esto es una
tensión alternativa. El transformador piezoeléctrico PT genera
entre unos primeros terminales de salida PT-3 y
PT-4 la tensión alternativa, mediante su vibración
en un modo grosor extensional, por ejemplo.
El diseño físico del transformador piezoeléctrico
PT está realizado de forma que satisfaga los requisitos de
potencia, nivel de tensión, nivel de corriente, u otros, que
demanda la carga al convertidor de alimentación conmutado.
Consecuentemente, el transformador piezoeléctrico
PT tiene unas dimensiones, un peso y un modo de vibración que son
función directa de los parámetros de diseño. Asimismo, el
aislamiento galvánico entre la entrada y la salida del convertidor
de alimentación es proporcionado por el transformador piezoeléctrico
PT.
Las características físicas del transformador
piezoeléctrico PT determinan una frecuencia de resonancia FR.
El bloque excitador 11-5 lleva a
cabo la guía y dirección de la transferencia de energía que realiza
el transformador piezoeléctrico PT entre los terminales de entrada
PT-1, PT-2, y los terminales de
salida PT-3, PT-4.
El bloque excitador 11-5 excita o
provoca el movimiento de vibración del transformador PT de modo que
éste vibra con su frecuencia de resonancia FR, o lo más próximo a
ella, ya que con dicha frecuencia de resonancia FR se alcanza un
elevado rendimiento durante el proceso de transferencia de energía
realizado por el transformador piezoeléctrico PT.
La primera frecuencia F1 del tren de pulsos 21 es
menor que la frecuencia de resonancia FR del transformador
piezoeléctrico PT, de modo que la primera frecuencia F1 es un
subarmónico (submúltiplo) de la frecuencia de resonancia FR, por
ejemplo si la primera frecuencia F1 es igual a un tercio de la
frecuencia de resonancia FR, se denomina tercera subarmónica; y así
sucesivamente.
Resumiendo, el transformador piezoeléctrico PT es
excitado mediante la primera frecuencia F1, frecuencia de
conmutación, que coincide aproximadamente con un predeterminado
submúltiplo de la frecuencia de resonancia FR, a saber frecuencia
fundamental.
Volviendo a la figura 1, el controlador
11-5-5 genera en su salida un
primera señal de control S1, esto es primer ciclo de trabajo, y una
segunda señal de control S2, esto es segundo ciclo de trabajo, en
función de una muestra de la tensión de salida del convertidor de
alimentación, con el fin de guiar la conmutación de ambos MOSFETs
11-5-1,
11-5-2. Consecuentemente, el tren de
pulsos 21 generado por el bloque excitador 11-5 es
función de la tensión de salida del convertidor de
alimentación.
La primera señal de control S1 es aplicada a un
primer terminal de control, puerta, del primer MOSFET
11-5-1 y la segunda señal de control
S2 es aplicada a un segundo terminal de control, puerta, del
segundo MOSFET 11-5-2,
respectivamente.
Dado que la frecuencia de conmutación F1 de ambos
MOSFETs 11-5-1,
11-5-2 es menor que la frecuencia
de resonancia FR del transformador PT, las pérdidas asociadas a la
conmutación de los MOSFETs 11-5-1,
11-5-2 son reducidas.
Consecuentemente, el rendimiento global del
convertidor de alimentación conmutado es elevado, su tamaño y peso
son reducidos, esto es se logra miniaturizar el convertidor de
alimentación.
La figura 3 representa otra realización preferida
del convertidor de alimentación conmutado, el cual está conectado a
una fuente de corriente alterna AC, mediante una conexión en cascada
de un primer rectificador 11-3 tal como un puente
rectificador de onda completa, seguido de un primer filtro que tiene
una primera capacidad de almacenamiento 11-4 que
está conectada entre los terminales de entrada
11-1, 11-2 del convertidor de
alimentación.
La primera capacidad de almacenamiento
11-4 de filtrado de la entrada, es necesaria para
proporcionar el rizado mínimo especificado en la primera tensión de
entrada al bloque convertidor DC/AC.
También, realiza un almacenamiento de energía que
suministra al bloque convertidor DC/AC, en caso de que haya alguna
condición de fallo en la red de distribución de alterna.
Claims (7)
1. Convertidor de alimentación conmutado con un
transformador piezoeléctrico (PT) convierte una primera tensión en
una segunda tensión diferente estabilizada mediante una conexión en
cascada de un bloque convertidor DC/AC, seguido de un segundo
rectificador (11-6) conectado a un segundo filtro
(11-7), el bloque convertidor DC/AC comprende en
una conexión en cascada, un bloque excitador (11-5)
seguido por dicho transformador piezoeléctrico (PT),
caracterizado porque el bloque excitador
(11-5) está adaptado para excitar dicho
transformador piezoeléctrico (PT), mediante un tren de pulsos (21)
con una primera frecuencia (F1) que es menor que un predeterminado
submúltiplo de dicha frecuencia de resonancia (FR) de dicho
transformador piezoeléctrico.
2. Convertidor de alimentación conmutado de
acuerdo a la reivindicación 1; caracterizado porque dicha
primera frecuencia (F1) es el tercer submúltiplo de la frecuencia
de resonancia (FR).
3. Convertidor de alimentación conmutado de
acuerdo a la reivindicación 1; caracterizado porque dicho
bloque excitador (11-5) comprende un dispositivo
controlador (11-5-5) que guía la
generación de dicho tren de pulsos (21) en función a una muestra de
dicha segunda tensión.
4. Convertidor de alimentación conmutado de
acuerdo a la reivindicación 3; caracterizado porque dicho
dispositivo controlador (11-5-5)
genera tantas señales de control de conmutación (S1, S2) como
elementos de conmutación (11-5-1,
11-5-2) comprenda dicho bloque
excitador (11-5).
5. Convertidor de alimentación conmutado de
acuerdo a la reivindicación 4; caracterizado porque dicho
dispositivo controlador (11-5-5) es
un dispositivo de modulación de anchura del pulso (PWM).
6. Convertidor de alimentación conmutado de
acuerdo a la reivindicación 4; caracterizado porque dicho
dispositivo controlador (11-5-5) es
un dispositivo de modulación en frecuencia (PFM).
7. Convertidor de alimentación conmutado de
acuerdo a la reivindicación 1; caracterizado porque dicho
bloque convertidor DC/AC está realizado de acuerdo a una topología
de conversión de tipo semi-puente.
Applications Claiming Priority (2)
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