ES2228769T3 - Convertidor conmutado de potencia universal. - Google Patents
Convertidor conmutado de potencia universal.Info
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Abstract
Convertidor conmutado de potencia universal incluye un transformador que comprende un primer devanando (11-3) dividido en al menos dos partes, tal que tiene al menos una toma intermedia (11-3-1), un segundo devanado (11-9) conectado en cascada a un medio rectificador (12) y a un medio de filtrado (13); de manera que fluye una primera corriente a través de la parte de dicho primer devanado (11-3) comprendido entre el extremo de dicho primer devanado (11-3) conectado a un primer terminal de entrada (11-1) y dicha toma intermedia (11-3-1), y de un segundo elemento de conmutación (11-6) conectado a dicha toma intermedia (11-3-1) y a un segundo terminal de entrada (11-2); cuando la tensión de entrada aplicada entre dichos terminales de entrada (11-1 y 11- 2), está próxima a un primer predeterminado valor de tensión y dicho segundo elemento de conmutación (11-6) está en un periodo de conducción, y una segunda corriente fluye a través de la parte de dicho primer devanado (11- 3) comprendido entreel extremo de dicho devanado primario (11-3) conectado a dicho primer terminal de entrada (11-1) y dicha toma intermedia (11-3-1), y de una combinación serie de un tercer elemento de conmutación (11-8) y un primer condensador (11-7), conectada en paralelo a dicha parte de dicho primer devanado (11-3) comprendido entre el extremo de dicho devanado primario (11-3) conectado a dicho primer terminal de entrada (11- 1) y dicha toma intermedia (11-3-1); cuando dicho segundo elemento de conmutación (11-6) está en un periodo de no- conducción.
Description
Convertidor conmutado de potencia universal.
La presente invención se refiere a un convertidor
conmutado de potencia universal que es capaz de recibir un amplio
rango de niveles de tensión, tanto de alta tensión de continua
proveniente de una tensión alterna rectificada, como baja tensión
de continua proveniente de una batería que suministra energía de
reserva; y transforma la tensión recibida a otro nivel de tensión
regulada y adecuada para suministrarla a al menos una carga.
Así, el convertidor conmutado de potencia
universal es muy versátil, tiene un rendimiento global alto y tanto
su funcionamiento como su control son sencillos.
Un convertidor de potencia conmutado para ser
conectado indistintamente a una línea de energía de corriente
alterna (AC) o a una fuente de tensión continua (DC), y convertir
la tensión recibida a una tensión adecuada para una carga, es
conocido a partir de la patente estadounidense número 5,414,610,
estando incluida en la presente solicitud de patente al ser
referenciada.
Según el convertidor de potencia propuesto en
este documento, comprende un primer par de terminales de entrada
para recibir una tensión desde una línea de energía AC, y un
segundo par de terminales de entrada para recibir una tensión desde
una fuente de tensión DC; convirtiendo la tensión recibida en un
nivel de tensión adecuada para una carga.
Cada uno de los anteriores pares de terminales de
entrada está respectivamente conectados a un circuito de primario
incluyendo un dispositivo de conmutación, unos medios de control
controlan la conmutación de los dos dispositivos de conmutación
para almacenar energía en al menos un devanado primario de un
transformador durante el periodo de conducción de ambos dispositivos
de conmutación, son conmutados simultáneamente, es decir, sus
periodos de conducción y no-conducción coinciden. Y
liberada dicha energía a un devanado secundario del transformador
para suministrar el nivel de tensión a la carga, durante el periodo
de no-conducción de dichos dispositivos de
conmutación.
El convertidor de potencia propuesto por la US
5,414,610 hace un uso ineficaz del transformador debido al modo de
funcionamiento de los dispositivos de conmutación.
Se conoce un convertidor de potencia conmutado
universal del resumen de la patente japonesa JP11356043 que muestra
un transformador que comprende un devanado primario con una toma
intermedia un devanado secundario conectado en cascada a un medio
de rectificación y a un medio de filtrado. Nótese que el
convertidor de potencia conmutado es conectable a una fuente de
tensión de diferente nivel de tensión.
Como resultado, el rendimiento global del
convertidor de potencia es reducido, y representa una desventaja
para aplicaciones donde son necesarios dispositivos de reducido
tamaño y alto rendimiento.
Por tanto se hace necesario el desarrollar un
convertidor conmutado de potencia incluyendo un reducido número de
elementos de conmutación y con un rendimiento global alto.
El convertidor conmutado de potencia universal de
la presente invención realiza la conversión de un amplio rango de
tensiones de entrada, desde una fuente de tensión, a una tensión de
salida deseada por una/s cargas. Realizando dicha conversión con un
rendimiento global alto ya que presenta una topología forward o
directa.
El convertidor conmutado de potencia universal
tiene un transformador que comprende un primer devanando dividido
en dos partes, por tanto, tiene una toma intermedia y un segundo
devanado, el cual esta conectado en cascada a un medio rectificador
y a un medio de filtrado.
En función del nivel de tensión recibido desde la
fuente de alimentación, la tensión es aplicada a través de una
parte del primer devanado o a todo el primer devanado. Así, cuando
la tensión de entrada está próxima a un primer predeterminado valor
de tensión y un segundo elemento de conmutación está en un periodo
de conducción, fluye una primera corriente a través de la parte del
primer devanado comprendido entre el extremo del primer devanado
conectado a un primer terminal de entrada y la toma intermedia, y
del segundo elemento de conmutación conectado a la toma intermedia y
a un segundo terminal de entrada.
Y cuando la tensión de entrada aplicada entre los
terminales de entrada está próxima a un segundo predeterminado
valor de tensión, y el primer elemento de conmutación está en un
periodo de conducción; una tercera corriente fluye a través de las
dos partes del primer devanado comprendidas entre el extremo del
devanado primario conectado al primer terminal de entrada y el
extremo del primer devanado conectado a un primer elemento
conmutable conectado, a su vez, en serie a un primer elemento de
conmutación (11-5) conectado al segundo terminal de
entrada.
Cabe señalar que el segundo predeterminado valor
de tensión es mayor que el primer predeterminado valor de tensión.
Resumiendo, en función del nivel de tensión recibido desde la
fuente de alimentación, la tensión es aplicada a una parte común del
primer devanado o a todo el primer devanado.
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 esquemático una
realización de un convertidor conmutado de potencia universal de
acuerdo con la invención.
La figura 1 es un esquema eléctrico detallado de
un circuito correspondiente a una primera realización del
convertidor conmutado de potencia universal.
Dicho convertidor conmutado lleva a cabo la
transformación de una tensión recibida desde una fuente de tensión
por medio de un primer terminal de entrada 11-1 y un
segundo terminal de entrada 11-2 a una tensión de
salida adecuada para ser suministrada a una/s carga/s conectadas a
unos terminales de salida 14-1 y
14-2.
La fuente de tensión puede ser una fuente de
corriente alterna o una fuente de corriente continua que suministra
tensión. En caso de que la fuente de alimentación sea de corriente
alterna, el convertidor de potencia recibe una tensión sinusoidal
rectificada desde un puente rectificador que está conectado a la
fuente de corriente alterna. El segundo terminal de entrada
11-2 representa el nivel de referencia común de
tensión del convertidor conmutado de potencia universal.
El convertidor conmutado de potencia universal
tiene un transformador que proporciona aislamiento entre la entrada
y la salida del convertidor conmutado.
El transformador tiene un primer devanado
11-3 dividido en dos partes, por tanto, tiene una
derivación o toma intermedia 11-3-1.
El número de arrollamientos incluidos en cada parte no tiene por
que ser idénticos, es decir, una parte del primer devanado
11-3 puede tener un número mayor de arrollamientos
que la otra parte del mismo.
El primer terminal de entrada
11-1 está conectado a un extremo del primer
devanado 11-3, y el otro extremo está conectado a un
primer terminal de un primer elemento conmutable
11-4.
Un segundo terminal del primer elemento
conmutable 11-4 está conectado a un primer terminal
de un primer elemento de conmutación 11-5, asimismo,
un segundo terminal del mismo conmutador 11-5 está
conectado al segundo terminal de entrada 11-2.
La toma intermedia
11-3-1 del primer devanado
11-3 está conectada a un primer terminal de un
segundo elemento de conmutación 11-6, igualmente, un
segundo terminal del mismo conmutador 11-6 está
conectado al segundo terminal de entrada 11-2.
Un primer terminal de un tercer elemento de
conmutación 11-8 está conectado a la toma
intermedia 11-3-1, un segundo
terminal del tercer elemento de conmutación 11-8
está conectado a un extremo de un primer condensador
11-7 y su otro extremo está conectado al primer
terminal de entrada 11-1 del convertidor
conmutado.
En otra realización del convertidor conmutado de
potencia, la toma intermedia 11-3-1
puede estar conectada a un extremo del primer condensador
11-7 y su otro extremo está conectado al primer
terminal del tercer conmutador 11-8, su segundo
terminal está conectado al terminal de entrada 11-1
del convertidor conmutado
Volviendo ahora a la primera realización, ver
figura 1, el lado secundario del convertidor conmutado está formado
por la conexión en cascada de un segundo devanado
11-9 del transformador, un medio rectificador 12 y
un medio de filtrado 13.
Por ejemplo, el rectificador 12 es un
rectificador síncrono autoexcitado 11-6 formado por
dos ramas rectificadoras, una primera es la de rectificación
propiamente dicha y una segunda que es la rama de libre circulación.
Y el medio de filtrado 13 es un filtro LC que tiene un primer
inductor y un segundo condensador.
Los ciclos de trabajo del primer conmutador
11-5 del segundo conmutador 11-6 y
del tercer conmutador 11-8 son controlados, por
ejemplo, mediante una etapa de control que tiene un modulador de
anchura de pulso PWM. La etapa de control recibe una señal
representativa del nivel de tensión aplicada entre los terminales
de entrada 11-1, 11-2 y, asimismo,
recibe una señal representativa del nivel de tensión aplicada entre
los terminales de salida 14-1, 14-2.
Y genera en una primera salida una primera señal de control S1, que
es aplicada a un terminal de control del primer conmutador
11-5.
También, genera en una segunda salida una segunda
señal de control S2, que es aplicada a un terminal de control del
segundo conmutador 11-6, y genera en una tercera
salida una tercera señal de control S3, que es aplicada a un
terminal de control del tercer conmutador 11-8.
El primer conmutador 11-5, el
segundo conmutador 11-6 y el tercer conmutador
11-8 pueden ser respectivamente un MOSFET,
transistor de efecto campo.
A continuación será explicado el funcionamiento
del convertidor conmutado de potencia universal. Por ejemplo,
cuando la tensión de entrada está próxima a un segundo
predeterminado nivel de tensión; la tensión de entrada es aplicada a
través de todas las partes del devanado primario
11-3 comprendidas entre ambos extremos del mismo,
induciéndose una tensión en el segundo devanando
11-9.
El segundo predeterminado nivel de tensión es
mayor que un primer predeterminado nivel de tensión suministrados
desde la fuente de alimentación. Resumiendo, el primer nivel de
tensión representa el valor mínimo que la tensión de entrada puede
adoptar. Y el segundo nivel de tensión representa el valor máximo
que la tensión de entrada puede adoptar.
Luego, el primer conmutador 11-5
es conmutado mediante la primera señal de control S1, es decir,
pasa de forma sucesiva por un periodo de conducción y un periodo de
no-conducción. El segundo conmutador
11-6 no es conmutado, es decir, está de forma
permanente en no-conducción o abierto.
Durante cada periodo de conducción del primer
conmutador 11-5, la energía fluye hacia el
rectificador 12 y a su salida se genera una tensión que es filtrada
por el filtro 13, obteniéndose la tensión de salida regulada entre
los terminales de salida 14-1 y
14-2, la cual corresponde a la salida del
convertidor conmutado de potencia universal. Consecuentemente, el
convertidor conmutado de potencia universal presenta una topología
directa o forward, cuando es conmutado el primer conmutador
11-5.
A su vez, durante este periodo de conducción del
primer conmutador 11-5, una cierta energía se
almacena en la inductancia propia del transformador en modo de
corriente.
A un periodo de conducción del primer conmutador
11-5 le sigue un periodo de
no-conducción, en el cual la tensión en el devanado
secundario 11-9 se invertirá bloqueando la rama de
rectificación propiamente dicha del rectificador 12. La corriente
sigue fluyendo hacia la carga lo cual fuerza a conducción a la rama
de libre circulación del rectificador 12.
La tensión en el primer inductor del filtro 13 es
ahora inversa de forma que la corriente en el primer inductor
decrecerá, lo cual implica la descarga de la corriente del primer
inductor, siguiendo entregando corriente a la carga.
En este periodo de no-conducción
la energía magnetizante almacenada en el núcleo del transformador
será liberada por medio del tercer conmutador 11-8 y
del primer condensador 11-7; cuando el tercer
conmutador 11-8 está en un periodo de conducción se
proporciona un camino de descarga por el cual fluye una cuarta
corriente que desmagnetiza el transformador. Dicha corriente fluye a
través de los arrollamientos comprendidos entre el extremo del
primer devanado 11-3 conectado al primer terminal
de entrada 11-1 y la toma intermedia
11-3-1 del mismo.
Esta energía es evacuada del transformador, ya
que en caso contrario se almacenaría en el transformador una
cantidad cada vez mayor de energía y se llegaría inevitablemente a
la destrucción del mismo.
El proceso de desmagnetización, es decir de
devolver el núcleo del transformador al estado inicial, se
desarrolla durante cada periodo de no-conducción del
primer conmutador 11-5.
Cuando los valores de la tensión de entrada,
están próximos a un primer predeterminado nivel de tensión, el
primer conmutador 11-5 permanece abierto o en
no-conducción. Y el segundo conmutador
11-6 es conmutado mediante la segunda señal de
control S2, de forma que pasa sucesivamente por un periodo de
conducción y un periodo de no-conducción.
De forma análoga, durante un periodo de
conducción del segundo conmutador 11-6, la tensión
de entrada existente entre los terminales de entrada
11-1 y 11-2 es aplicada a los
arrollamientos comprendidos entre el extremo del primer devanado
11-3 conectado al primer terminal de salida
11-1 y la toma intermedia
11-3-1 del mismo; induciendo una
tensión en el segundo devanando 11-9.
De esta forma la energía fluye hacia el
rectificador 12, a su salida se genera tensión que es filtrada por
el filtro 13, obteniéndose la tensión de salida entre los terminales
de salida14-1 y 14-2.
Consecuentemente, cuando el segundo conmutador 11-6
es conmutado, el convertidor conmutado de potencia universal también
presenta una topología directa o forward.
Asimismo, durante este periodo de conducción del
segundo conmutador 11-6, una cierta energía se
almacena en la inductancia propia del transformador en modo de
corriente.
El primer elemento conmutable
11-5 evita la conducción del primer conmutador
11-5 cuando es conmutado el segundo
conmutador11-6.
A un periodo de conducción del segundo conmutador
11-6 le sigue un periodo de
no-conducción, en el cual la tensión en el devanado
secundario 11-9 se invertirá bloqueando la rama de
rectificación propiamente dicha del rectificador 12. La corriente
sigue fluyendo hacia la carga lo cual fuerza a conducción a la rama
de libre circulación del rectificador 12.
La tensión en el primer inductor del filtro 13 es
ahora inversa de forma que la corriente en el primer inductor
decrecerá, lo cual implica la descarga de la corriente del primer
inductor, siguiendo entregando corriente a la carga.
En este periodo de no-conducción
la energía magnetizante almacenada en el núcleo del transformador
es liberada, igualmente, por medio del tercer conmutador
11-8 y del primer condensador 11-7;
cuando el tercer conmutador 11-8 está en un periodo
de conducción se proporciona un camino de descarga por el cual fluye
una segunda corriente que desmagnetiza el transformador.
El proceso de desmagnetización se desarrolla
durante cada periodo de no-conducción del segundo
conmutador 11-6.
Cabe señalar que tanto la segunda corriente como
la cuarta corriente de desmagnetización fluyen ambas a través de
los arrollamientos del primer devanado 11-3 del
transformador comprendidos entre el extremo del primer devanado
11-3 conectado al primer terminal de salida
11-1 y la toma intermedia
11-3-1 del mismo.
Un lazo de tensión de salida por medio de la
etapa de control adapta el ciclo de trabajo del primer conmutador
11-5 y del segundo conmutador 11-6,
respectivamente, para regular el nivel de tensión entre los
terminales de salida 14-1, 14-2.
Asimismo, controla el ciclo de trabajo del tercer conmutador
11-8 para desmagnetizar el transformador durante el
periodo de no-conducción del conmutador conectado al
terminal de entrada 11-1, evitando la saturación de
su núcleo.
Como resultado, el primer conmutador
11-5 no es conmutado cuando está siendo conmutado
el segundo conmutador 11-6, y viceversa. Cabe
señalar que el tercer conmutador 11-8 es conmutado
en ambos casos.
Luego el convertidor conmutado de potencia
universal presenta un rendimiento global alto, alta densidad de
integración (reducido tamaño), y su coste es reducido en
comparación con convencionales convertidores de dos etapas, debido
al hecho de que el convertidor conmutado de potencia universal
siempre presenta una topología forward, independientemente del
nivel de tensión que recibe desde la fuente de alimentación. Todo
lo anterior, mejora en gran medida el rendimiento del convertidor y
le aporta una gran versatilidad de funcionamiento por poder
funcionar con un amplio rango de niveles de tensión de entrada.
Claims (6)
1. Convertidor conmutado de potencia universal
incluye un transformador que comprende un primer devanando
(11-3) dividido en al menos dos partes, tal que
tiene al menos una toma intermedia
(11-3-1), un segundo devanado
(11-9) conectado en cascada a un medio rectificador
(12) y a un medio de filtrado (13); de manera que fluye una primera
corriente a través de la parte de dicho primer devanado
(11-3) comprendido entre el extremo de dicho primer
devanado (11-3) conectado a un primer terminal de
entrada (11-1) y dicha toma intermedia
(11-3-1), y de un segundo elemento
de conmutación (11-6) conectado a dicha toma
intermedia (11-3-1) y a un segundo
terminal de entrada (11-2); cuando la tensión de
entrada aplicada entre dichos terminales de entrada
(11-1 y 11-2), está próxima a un
primer predeterminado valor de tensión y dicho segundo elemento de
conmutación (11-6) está en un periodo de conducción,
y una segunda corriente fluye a través de la parte de dicho primer
devanado (11-3) comprendido entre el extremo de
dicho devanado primario (11-3) conectado a dicho
primer terminal de entrada (11-1) y dicha toma
intermedia (11-3-1), y de una
combinación serie de un tercer elemento de conmutación
(11-8) y un primer condensador
(11-7), conectada en paralelo a dicha parte de
dicho primer devanado (11-3) comprendido entre el
extremo de dicho devanado primario (11-3) conectado
a dicho primer terminal de entrada (11-1) y dicha
toma intermedia (11-3-1); cuando
dicho segundo elemento de conmutación (11-6) está
en un periodo de no-conducción.
2. Convertidor conmutado de acuerdo a la
reivindicación 1; caracterizado porque dicho convertidor
conmutado está adaptado para que fluya una tercera corriente a
través de al menos dos partes de dicho primer devanado
(11-3) comprendidas entre el extremo de dicho
devanado primario (11-3) conectado a dicho primer
terminal de entrada (11-1) y el extremo de dicho
primer devanado (11-3) conectado a un primer
elemento conmutable (11-4) conectado, a su vez, en
serie a un primer elemento de conmutación (11-5)
conectado a dicho segundo terminal de entrada
(11-2); cuando la tensión de entrada aplicada entre
dichos terminales de entrada (11-1 y
11-2), está próxima a un segundo predeterminado
valor de tensión, mayor que dicho primer predeterminado valor de
tensión, y dicho primer elemento de conmutación
(11-5) está en un periodo de conducción.
3. Convertidor conmutado de acuerdo con la
reivindicación 2; caracterizado porque dicho convertidor
conmutado está adaptado para que fluya una cuarta corriente a
través de la parte de dicho primer devanado (11-3)
comprendido entre el extremo de dicho devanado primario
(11-3) conectado a dicho primer terminal de entrada
(11-1) y dicha toma intermedia
(11-3-1), y de dicha combinación
serie de dicho tercer elemento de conmutación
(11-8) y dicho primer condensador
(11-7), conectada en paralelo a dicha parte de dicho
primer devanado (11-3) comprendido entre el extremo
de dicho devanado primario (11-3) conectado a dicho
primer terminal de entrada (11-1) y dicha toma
intermedia (11-3-1); cuando dicho
primer elemento de conmutación (11-5) está en un
periodo de no-conducción.
4. Convertidor conmutado de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3; caracterizado
porque dicho convertidor conmutado incluye una etapa de control
adaptada para gobernar los ciclos de trabajo de dicho primer
elemento de conmutación (11-5) y de dicho segundo
elemento de conmutación (11-6), a fin de que cuando
dicho primer elemento de conmutación (11-5) está
siendo conmutado, dicho segundo elemento de conmutación
(11-6) permanezca abierto y viceversa.
5. Convertidor conmutado de acuerdo con la
reivindicación 4; caracterizado porque dicha etapa de
control esta adaptada para gobernar los ciclos de trabajo de dicho
tercer elemento de conmutación (11-8), a fin de que
cuando cualquiera de dichos primer elemento de conmutación
(11-5) y dicho segundo elemento de conmutación
(11-6) esté en un periodo de
no-conducción, dicho tercer elemento de conmutación
(11-8) este en un periodo de conducción.
6. Convertidor conmutado de acuerdo con la
reivindicación 5; caracterizado porque dicha etapa de
control incluye un modulador de anchura de pulso (PWM).
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200001760 | 2000-07-14 | ||
| ES200001760 | 2000-07-14 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2228769T3 true ES2228769T3 (es) | 2005-04-16 |
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ID=8494278
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES01401496T Expired - Lifetime ES2228769T3 (es) | 2000-07-14 | 2001-06-11 | Convertidor conmutado de potencia universal. |
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