ES2253130B1 - "dispositivo conmutador y modulador del ancho de pulso, procedimiento de limitacion de corriente en el mismo y convertidor que comprende dicho dispositivo". - Google Patents
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Abstract
Dispositivo conmutador y modulador del ancho de pulso, procedimiento de limitación de corriente en el mismo y convertidor que comprende dicho dispositivo. El dispositivo de la invención está caracterizado porque el drenador o surtidor del citado transistor opuesto al surtidor o drenador conectado a la referencia de tensión se encuentra conectado a la citada entrada de sensado del citado controlador de modulación del ancho de pulso a través de un elemento multiplexor que recibe una señal de comando coordinada con la señal de activación del transistor, de manera tal que el elemento multiplexor transfiere la salida del drenador hacia la citada entrada de sensado de corriente cuando el citado transistor se encuentra en estado de saturación, no transmitiéndola cuando el transistor está en estado bloqueado.
Description
Dispositivo conmutador y modulador del ancho de
pulso, procedimiento de limitación de corriente en el mismo y
convertidor que comprende dicho dispositivo.
La presente invención hace referencia a un
dispositivo conmutador y modulador del ancho de pulso, a un
procedimiento de limitación de corriente en el mismo y a un
convertidor que comprende dicho dispositivo.
En particular, la presente invención hace
referencia convertidores de energía de tecnología electrónica.
Actualmente, dentro de los sistemas de
conversión de la energía eléctrica, ha adquirido una gran
relevancia la consecución de convertidores CC/CC (corriente
continua/corriente continua) y CC/CA (corriente continua/corriente
alterna) de alta eficiencia energética y de dimensiones, peso y
coste reducidos. Para ello se utilizan técnicas electrónicas de
conmutación en alta frecuencia y modulación del ancho de pulso.
En el diseño y fabricación de dichos
convertidores, es importante aprovechar al máximo las
características de los semiconductores de los dispositivos. Para
obtener un aprovechamiento máximo sin riesgo de avería, resulta
necesario incorporar sistemas de limitación de la potencia del
circuito, también denominados limitadores de corriente. Según las
técnicas actualmente conocidas, esto se consigue a través de la
medida o sensado de la corriente utilizando "shunts óhmicos",
transformadores de corriente, sensores de efecto Hall u otros
elementos similares, de tipo conocido. Con la señal de corriente
obtenida a través de estos elementos, es posible limitar de forma
efectiva la corriente que atraviesa el circuito, quedando éste
protegido.
Sin embargo, los elementos antes citados son
componentes de medida externos, lo que supone la aparición de
pérdidas de potencia, aumento del volumen e incremento del costo de
los dispositivos. Estos inconvenientes ven su importancia
incrementada cuando los convertidores son de baja tensión y/o de
corriente de entrada al convertidor muy elevada.
Para dar una solución a los inconvenientes antes
citados, la presente invención da a conocer un sistema de medida
de corriente que hace innecesaria la adición de elementos externos
a los limitadores, con el consiguiente ahorro de pérdidas
energéticas y obtener convertidores de mayor peso, volumen y coste,
permitiendo, a la vez, aprovechar al máximo las características de
los componentes electrónicos del limitador. Además, de manera
sorprendente, la presente invención permite la realización de
convertidores con elevadas potencias de pico en frío manteniendo
simultáneamente una buena protección de los semiconductores cuando
los equipos se encuentran en caliente.
En particular, la presente invención utiliza la
características de los transistores de efecto campo,
particularmente aplicable a los transistores MOSFET de canal N del
dispositivo de conmutación de un convertidor de energía. Dichos
transistores de efecto de campo, en estado de saturación, y con una
tensión de control en la puerta del transistor estable, se cierran
y la tensión que aparece en el drenador respecto al surtidor es
proporcional a la corriente que atraviesa el componente.
Aprovechando esta característica, la presente invención determina
que si, por ejemplo, el surtidor está unido a la referencia del
circuito de
control y potencia, el drenador nos da la medida deseada.
control y potencia, el drenador nos da la medida deseada.
De esta manera se utiliza un elemento propio del
dispositivo de conmutación como elemento de medida, utilizando sus
características pseudo-resistivas en determinados
estados de funcionamiento, con el consiguiente ahorro de
materiales.
Adicionalmente a esta característica, la
presente invención también aprovecha el hecho de que la resistencia
de canal en un transistor MOSFET de canal N (MOSFET N) presenta una
variación positiva. Los transistores MOSFET N comercialmente
disponibles presentan un coeficiente de variación de entre 1,25%/ºC
y 1,35%/ºC. Esto supone que la resistencia de canal de un
transistor MOSFET N se duplica cuando la unión semiconductora del
transistor varía su temperatura entre 25ºC y 100ºC.
Por otro lado, según la presente invención,
cuando el transistor permanece en estado bloqueado no resulta
necesario tener en cuenta la tensión que aparece en el drenador a
efectos de obtener una limitación de corriente.
En definitiva, la presente invención consiste en
un dispositivo conmutador y modulador del ancho de pulso para
convertidores de energía eléctrica, del tipo que comprende un
elemento conmutador que comprende al menos un transistor de efecto
de campo cuyo surtidor o drenador está conectado a la referencia de
tensión del dispositivo y un elemento controlador de modulación del
ancho de pulso con al menos una entrada de sensado de la corriente
que pasa por el elemento conmutador, proporcionando dicho elemento
controlador señales de activación en la puerta del citado
transistor, caracterizado porque el drenador o surtidor del citado
transistor opuesto al surtidor o drenador conectado a la referencia
de tensión se encuentra conectado a la citada entrada de sensado
del citado controlador de modulación del ancho de pulso a través de
un elemento multiplexor que recibe una señal de comando coordinada
con la señal de activación del transistor, de manera tal que el
elemento multiplexor transfiere la salida del drenador hacia la
citada entrada de sensado de corriente cuando el citado transistor
se encuentra en estado de saturación, no transmitiéndola cuando el
transistor está en estado bloqueado. Preferentemente, el transistor
(o transistores) de efecto de campo será uno de tipo MOSFET, más
preferentemente de canal N, con el surtidor conectado a la
referencia de potencial.
En una realización preferente, se dispondrá de
un limitador de tensión entre el transistor y el elemento
multiplexor, que más preferentemente consistirá en una resistencia
en serie y un diodo zener conectado a la referencia de
potencial.
También de manera preferente, se dispondrá un
elemento retardador de la señal de comando del multiplexor. De esta
manera se consigue un retardo en el cierre que elimina de la salida
el multiplexor los instantes iniciales en los que aparecen los
denominados ruidos de conmutación. Más preferentemente dicho
elemento retardador dispondrá de un elemento de drenaje rápido del
elemento capacitivo del retardador, con el fin de evitar la
aparición en la salida del elemento multiplexor, debido a la acción
del retardador, de parte de la señal del drenador con el transistor
pasando a bloqueo.
Realizaciones preferentes dispondrán de un
elemento amplificador y de filtrado entre el citado elemento
multiplexor y la citada entrada de sensado, con objeto de adecuar la
señal obtenida a los requerimientos de entrada de sensado de un
circuito de control, que podrá ser de esta manera un circuito de
control de tipo conocido.
La invención es aplicable a conmutadores con
topología de puente parcial, que presentarán un único transistor
conectado a la referencia de tensión. Es igualmente aplicable a
transistores que presenten una pluralidad de elementos de
conmutación conectados a la referencia de tensión, tales como
dispositivos conmutadores con topología de contrafase o puente
completo. En este caso existen dos transistores conectados a la
referencia de tensión, pudiéndose conectar ambos a la entrada de
sensado del modulador a través de sendos elementos
multiplexores.
La presente invención también consiste en un
convertidor de energía eléctrica que comprende el
dispositivo-conmutador y modulador del ancho de
pulso de la presente invención, que preferentemente estará
integrado en éste.
Igualmente, la presente invención consiste en un
procedimiento de limitación de corriente para un dispositivo
conmutador y modulador del ancho de pulso para convertidores de
energía eléctrica, que dispone de un controlador del ancho de pulso
con una entrada de sensado y un elemento conmutador electrónico,
caracterizado porque comprende las fases de:
- disponer conectado a la referencia de tensión
del dispositivo por uno de sus terminales al menos un elemento
conmutador de comportamiento pseudo-resistivo que
se comporta como una resistencia al menos durante una fase de
conmutación, siendo preferentemente dicho elemento conmutador un
transistor de efecto campo;
- conectar eléctricamente el otro terminal de
dicho elemento de comportamiento pseudo-resistivo
con la entrada de sensado del elemento conmutador;
- disponer un elemento multiplexor entre la
salida de dicho elemento y la entrada de sensado;
- comandar dicho multiplexor de manera
coordinada con el control del elemento conmutador, de tal manera
que el elemento multiplexor conecte eléctricamente la salida del
elemento de comportamiento pseudo-resistivo cuando
éste se comporta de manera similar a una resistencia, y cero cuando
no se comporta como tal.
De manera análoga a lo expuesto anteriormente
para el dispositivo, modos preferentes del procedimiento incluyen
que el elemento pseudo-resistivo sea un transistor
de efecto de campo, preferentemente MOSFET de canal N, conectado de
tal manera que en un estado de funcionamiento proporciona una
tensión en uno de sus terminales aproximadamente proporcional a la
intensidad que lo atraviesa. Otros modos preferentes incluyen la
limitación de tensión entre el elemento
pseudo-resistivo y el elemento multiplexor, el
retardo del comando del elemento multiplexor y la amplificación y
filtrado de la señal de salida del elemento multiplexor que se
proporciona a la entrada de sensado.
Para una mejor compresión de la invención, se
adjunta a título de ejemplo explicativo pero no limitativo, un
esquema de una realización de la presente invención.
La figura 1 muestra de manera esquemática un
circuito de limitación de corriente según la presente
invención.
La figura 1 muestra, de manera esquemática, un
circuito de limitación de corriente en un convertidor elevador
aislado galvánicamente de alta eficiencia, especialmente adecuado
para aplicaciones de conversión de energía fotovoltaica, con
topología de puente completo de entrada y salida.
El puente completo del ejemplo mostrado está
compuesto por cuatro transistores de conmutación MOSFET de canal N
(1), (1'), (1''), (1''') dispuestos en dos ramas. Cada rama
presenta al menos un transistor (1''), (1''') con surtidor
conectado a la referencia de tensión (5') del equipo. Los
transistores (1), (1'), (1''), (1''') transfieren mediante
conmutaciones la energía de la entrada (5) hacia la salida (6), por
ejemplo, a través del aislamiento galvánico que proporciona el
transformador (8), el puente de diodos rectificador (9) y el
condensador electrolítico (10) que opera como almacenamiento.
El sistema de sensado del ejemplo mostrado mide
de manera alternativa la tensión en cada uno los transistores (1'')
y (1''') conectados a la referencia de tensión (5'), con intermedio
de un sistema de limitación de tensión compuesto, para cada
transistor (1''), (1'''), por una resistencia (61), (61') colocada
en serie en la línea de sensado y un diodo zener (62), (62'), de
forma que la tensión de entrada en los multiplexores (2), (2')
variará en funcionamiento entre la tensión en conducción del
transistor -que es proporcional a la corriente que lo atraviesa- y
la tensión de zener de los diodos zener (62), (62'), en función del
funcionamiento de los diodos transistores (1'') y (1'''), que viene
determinado por las señales de control (43'') y (43''') procedentes
del controlador (4). Dicha señales de control comandan a su vez
los elementos multiplexores (2), (2') a través de circuitos
retardadores compuestos por un elemento capacitivo (73), (73'), un
diodo (72), (72') y un elemento resistivo (71), (71').
La salida de los elementos multiplexores (2),
(2') es tratada en el ejemplo mostrado por un elemento amplificador
operacional ICA (3) que filtra y amplifica la señal y la introduce
en un circuito de modulación de ancho de pulso (4) del convertidor,
el cual puede ser de tipo conocido y realiza el denominado
"push-pull", controlando las señales de
control (43), (43'), (43''), (43''') el estado de funcionamiento de
los transistores (1), (1'), (1''), (1''').
En funcionamiento, el multiplexor (2') conecta
la tensión situada en el drenador del transistor (1') con la entrada
de sensado (41). Este valor resulta proporcional a la corriente que
atraviesa los transistores (1') y (1''') de la rama
correspondiente, dado que el transistor se encuentra en estado de
saturación y con una tensión en la puerta estable y controlada por
el controlador (4). Por lo tanto, en la entrada de sensado (41)
aparece una medida proporcional al valor que se desea medir, que es
la intensidad que atraviesa el equipo.
Cuando el control (4) modifica las señales de
control de los transistores, el transistor (1''') pasa a estado
bloqueado y el transistor (1''), que antes estaba en estado
bloqueado, pasa a estado saturado. Sin embargo, el cambio en las
señales de control de los transistores también modifica la
situación de los multiplexores, y entonces el multiplexor (2') deja
de conectar la salida del drenador del transistor (1') con la
entrada de sensado (41), mientras que el multiplexor (2) cambia su
estado y pasa a conectar la salida del drenador del transistor (1)
con la entrada de sensado (41) al control de ancho de pulso (4). En
el ejemplo mostrado, la señal enviada a la entrada de sensado (41)
es tratada por el circuito de amplificación y filtrado (3) para
adecuar la señal a los requerimientos del modulador de anchura de
pulso (4) utilizado.
En consecuencia, la entrada de sensado (41)
recibe constantemente una señal proporcional a la corriente que
atraviesa el equipo, pudiendo protegerse efectivamente el mismo, y
sin necesidad de elementos externos.
El circuito se completa en el ejemplo con una
realimentación (42) que conecta la salida (6) con el controlador de
ancho de pulso (4) a través de un amplificador (12) y un
aislamiento óptico (11).
Para una aplicación fotovoltaica, los valores de
los equipos principales pueden ser, por ejemplo, los
siguientes
- -
- tensión de entrada al convertidor: 24 Vcc
- -
- corriente de entrada máxima: 300 A
- -
- tensión de salida del circuito 350 Vcc
- -
- potencia pico en salida: 6000 W
- -
- transistores MOSFET de canal N de 40 V y 2 mohms cada uno
- -
- multiplexores 2 : 1 de resistencia en cerrado inferior a 4 ohms y ancho de banda de 200 MHz y tiempo de respuesta inferior a 12 ns
- -
- amplificador operacional "rail to rail" de 150 MHz de ancho de banda
- -
- modulador de anchura de pulso modo tensión para "push-pull" a 40 KHz, con limitador de corriente suplementaria para comparado rápido.
En general, todo aquello que no afecte, altere,
cambie o modifique la esencia del dispositivo, el procedimiento y
el convertidor descritos, será variable a los efectos de la
presente invención.
Claims (22)
1. Dispositivo conmutador y modulador del ancho
de pulso para convertidores de energía eléctrica, del tipo que
comprende un elemento conmutador que comprende al menos un
transistor de efecto de campo cuyo surtidor o drenador está
conectado a la referencia de tensión del dispositivo y un elemento
controlador de modulación del ancho de pulso con al menos una
entrada de sensado de la corriente que pasa por el elemento
conmutador, proporcionando dicho elemento controlador señales de
activación en la puerta del citado transistor, caracterizado
porque el drenador o surtidor del citado transistor opuesto al
surtidor o drenador conectado a la referencia de tensión se
encuentra conectado a la citada entrada de sensado del citado
controlador de modulación del ancho de pulso a través de un
elemento multiplexor que recibe una señal de comando coordinada con
la señal de activación del transistor, de manera tal que el
elemento multiplexor transfiere la salida del drenador hacia la
citada entrada de sensado de corriente cuando el citado transistor
se encuentra en estado de saturación, no transmitiéndola cuando el
transistor está en estado bloqueado.
2. Dispositivo, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el transistor conectado a la referencia
de tensión a la entrada del dispositivo es un transistor de tipo
MOSFET.
3. Dispositivo, según la reivindicación 2,
caracterizado porque el transistor de tipo MOSFET son de
tipo "canal N", estando su surtidor conectado a la referencia
de tensión.
4. Dispositivo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dispone de un
limitador de tensión situado entre el transistor y el elemento
multiplexor.
5. Dispositivo, según la reivindicación 4,
caracterizado porque el citado limitador de tensión
comprende una resistencia en serie entre el citado transistor y el
citado elemento multiplexor y un diodo zener conectado a la
referencia de potencial.
6. Dispositivo, según la cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la señal de
comando del elemento multiplexor proviene de la señal de activación
del transistor.
7. Dispositivo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la señal de
comando del elemento o elementos multiplexores es tratada por un
dispositivo retardador destinado a retardar la señal de comando del
elemento multiplexor con respecto a la señal de activación del
transistor, con el fin de impedir el paso a través del elemento
multiplexor de ruidos de conmutación del dispositivo de
conmutación.
8. Dispositivo, según la reivindicación 7,
caracterizado porque dicho elemento retardador comprende un
diodo, un elemento capacitivo y un elemento resistivo situados a la
entrada del elemento multiplexor.
9. Dispositivo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la señal
procedente del elemento multiplexor pasa a través de un circuito de
amplificación y filtrado situado entre dicho elemento o elementos
multiplexores y la entrada de sensado.
10. Dispositivo, según la reivindicación 9,
caracterizado porque el circuito de amplificación y filtrado
comprende un amplificador operacional de tipo "rail to
rail".
11. Dispositivo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por presentar una
topología de conmutación de tipo puente parcial, de un único
transistor de efecto campo conectado a la referencia de tensión del
dispositivo.
12. Dispositivo, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por presenta una
pluralidad de transistores de efecto campo conectados a la
referencia de tensión en la entrada del dispositivo, y una
pluralidad elemento multiplexores correspondientes cada uno a uno
de los citados transistores.
13. Dispositivo, según la reivindicación 12,
caracterizado porque cada uno de los multiplexores está
conectado a un elemento amplificador común que está conectado a su
vez con la entrada de sensado.
14. Convertidor de energía eléctrica,
caracterizado porque comprende un dispositivo según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.
15. Convertidor, según la reivindicación 14,
caracterizado porque se encuentra integrado en el propio
convertidor.
16. Procedimiento de limitación de corriente
para un dispositivo conmutador y modulador del ancho de pulso para
convertidores de energía eléctrica, que dispone de un controlador
del ancho de pulso con una entrada de sensado y un elemento
conmutador electrónico, caracterizado porque comprende las
fases
de:
de:
- disponer conectado a la referencia de tensión
del dispositivo por uno de sus terminales al menos un elemento
conmutador de comportamiento pseudo-resistivo que
se comporta como una resistencia al menos durante una fase de
conmutación;
- conectar eléctricamente el otro terminal de
dicho elemento de comportamiento pseudo-resistivo
con la entrada de sensado del elemento conmutador;
- disponer un elemento multiplexor entre la
salida de dicho elemento y la entrada de sensado;
- comandar dicho multiplexor de manera
coordinada con el control del elemento conmutador, de tal manera
que el elemento multiplexor conecte eléctricamente la salida del
elemento de comportamiento pseudo-resistivo cuando
éste se comporta de manera similar a una resistencia, y cero cuando
no se comporta como tal.
17. Procedimiento, según la reivindicación 16,
caracterizado porque dicho elemento
pseudo-resistivo consiste en un transistor de
efecto de campo conectado de tal manera que en un estado de
funcionamiento proporciona una tensión en uno de sus terminales
aproximadamente proporcional a la intensidad que lo atraviesa.
18. Procedimiento, según la reivindicación 17,
caracterizado porque dicho elemento
pseudo-resistivo es un transistor de tipo
MOSFET.
19. Procedimiento, según la reivindicación 18,
caracterizado porque dicho transistor es un transistor
MOSFET de canal N cuyo surtidor está conectado a la referencia de
tensión y cuyo drenador está conectado eléctricamente con la
entrada de sensado.
20. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 16 a 19, caracterizado por proceder a la
limitación de la tensión entre el elemento
pseudo-resistivo y el elemento multiplexor.
21. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 16 a 20, caracterizado por proceder al
retardo del comando del elemento multiplexor con respecto al
comando del elemento de conmutación, con el fin de evitar la
transmisión de ruidos de conmutación a través del elemento
multiplexor.
22. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 16 a 21, caracterizado por proceder a la
amplificación y filtrado de la señal de salida del elemento
multiplexor que se proporciona a la entrada de sensado.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20060516 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2253130B1 Country of ref document: ES |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20180924 |