ES2264871B1 - ADAPTATIVE SIGMA-DELTA MODULATOR FOR THE CONTROL OF THE POWER STAGE OF AN ALTERNATE CONTINUOUS CONVERTER. - Google Patents

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ES2264871B1 ES200402887A ES200402887A ES2264871B1 ES 2264871 B1 ES2264871 B1 ES 2264871B1 ES 200402887 A ES200402887 A ES 200402887A ES 200402887 A ES200402887 A ES 200402887A ES 2264871 B1 ES2264871 B1 ES 2264871B1
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Abstract

Modulador sigma-delta adaptativo para el control de la etapa de potencia de un convertidor de continua a alterna. La invención que se preconiza consiste en el desarrollo de un modulador sigma-delta adaptativo que permite, mediante la variación de su señal de realimentación en función de la amplitud de la señal de tensión a su entrada, la generación de señales de control para el disparo de los semiconductores de potencia integrantes de un puente inversor multinivel el cual actúa como circuito de demodulación junto con su filtro LC. Esta etapa de potencia multinivel, controlada por dicho modulador adaptativo, se puede adaptar a la tecnología de conmutación de un enlace resonante, perteneciente a un circuito de conexión a red, por ejemplo, de un sistema fotovoltaico. Implementado en una FPGA, los bloques del modulador adaptativo son: Divisor de Frecuencia (6), Generador de Señales (7), Modulación Sigma-Delta (8) y Conformador (9). La implementación es sencilla porque sólo necesita la temporización del reloj de muestreo del modulador y presenta mejor respuesta espectral frente a moduladores de otro tipo.Adaptive sigma-delta modulator for controlling the power stage of a DC to AC converter. The invention that is recommended consists in the development of an adaptive sigma-delta modulator that allows, by varying its feedback signal as a function of the amplitude of the voltage signal at its input, the generation of control signals for tripping of the power semiconductors that are part of a multilevel inverter bridge which acts as a demodulation circuit together with its LC filter. This multilevel power stage, controlled by said adaptive modulator, can be adapted to the switching technology of a resonant link, belonging to a network connection circuit, for example, of a photovoltaic system. Implemented in an FPGA, the adaptive modulator blocks are: Frequency Divider (6), Signal Generator (7), Sigma-Delta Modulation (8) and Conformer (9). The implementation is simple because it only needs the timing of the modulator sampling clock and has a better spectral response compared to other modulators.

Description

Modulador sigma-delta adaptativo para el control de la etapa de potencia de un convertidor de continua a alterna.Adaptive sigma-delta modulator for controlling the power stage of a converter Continue to alternate.

Objeto de la invenciónObject of the invention

La presente invención, encuadrada en el sector de la electrónica, adapta las técnicas de modulación sigma-delta al control de un inversor para la conexión a una red eléctrica y, en particular, a la red de un sistema foltovoltaico.The present invention, framed in the sector of electronics, adapts modulation techniques sigma-delta to the control of an investor for the connection to an electrical network and, in particular, to the network of a Foltovoltaic system

La invención que aquí se describe se refiere a un modulador sigma-delta adaptativo que permite controlar una etapa de potencia de un convertidor de corriente continua a alterna, a través de un puente inversor, en particular, multinivel y más particularmente, de cinco niveles de condensadores flotantes.The invention described herein refers to an adaptive sigma-delta modulator that allows control a power stage of a current converter continues to alternate, through an inverter bridge, in particular, multilevel and more particularly, five levels of capacitors floating.

Tiene su campo de aplicación dentro del ámbito de los sistemas de conversión electrónica de la energía eléctrica derivada de fuentes de energía renovables, concretamente, la energía solar fotovoltaica.It has its field of application within the scope of electronic power conversion systems derived from renewable energy sources, specifically the Photovoltaic Solar Energy.

El objeto de la invención es desarrollar las tecnologías de conmutación y modulación necesarias para aumentar al máximo la densidad de potencia de un convertidor de corriente continua a alterna (DC-AC) para ser aplicado en la conexión a una red eléctrica y, particularmente, de un sistema a partir de energía solar fotovoltaica.The object of the invention is to develop the switching and modulation technologies necessary to increase maximum power density of a current converter continuous to alternate (DC-AC) to be applied in the connection to an electrical network and, particularly, of a system to from photovoltaic solar energy.

Asimismo, es objeto de la invención disminuir de forma significativa el tamaño del convertidor DC-AC de una instalación solar fotovoltaica de conexión a red.It is also the object of the invention to decrease Significantly the size of the DC-AC converter of a photovoltaic solar network connection system.

Un último objeto de la invención es disponer de un inversor coro capacidad para manejar una potencia de 5 KW, a la vez que sus dimensiones externas permiten su instalación en cualquier estancia de una vivienda, sin que su impacto visual sea apreciable, dentro de un sistema para edificios foltovoltaicos de pequeño tamaño, en general.A final object of the invention is to have an inverter choir capacity to handle a power of 5 KW, to the once its external dimensions allow its installation in any room in a home, without its visual impact being appreciable, within a system for foltovoltaic buildings of Small size, in general.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

Con el fin de acercar la energía solar fotovoltaica a una situación de competitividad con las demás clases de fuentes de energía, existen actualmente múltiples iniciativas de regulación, programas e incentivos.In order to bring solar energy closer photovoltaic to a competitive situation with the other classes from energy sources, there are currently multiple initiatives to regulation, programs and incentives.

Hoy en día, la ley que regula el mercado energético pretende potenciar la instalación de sistemas de menos de 5 KW, principalmente empleados en viviendas, aportando la máxima subvención a la energía eléctrica producida por este tipo de instalaciones.Today, the law that regulates the market Energy aims to strengthen the installation of less systems of 5 KW, mainly used in homes, providing the maximum  electric power subsidy produced by this type of installations.

Dejando aparte los sistemas aislados (de telecomunicaciones, viviendas independientes, bombeo de agua, señalización, etc.), resultan de especial interés los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica, sobre todo los de pequeño tamaño.Leaving the isolated systems apart (from telecommunications, independent housing, water pumping, signaling, etc.), systems are of special interest photovoltaic connected to the power grid, especially those of little size.

En los edificios fotovoltaicos conectados a la red de distribución, cuando la potencia eléctrica generada supera a la consumida, la energía sobrante se inyecta a la red, vendiéndose a la compañía eléctrica.In photovoltaic buildings connected to the distribution network, when the generated electrical power exceeds the consumed, the excess energy is injected into the network, selling To the electric company.

A la vista de todo lo anterior, parece previsible que se extienda el uso de las instalaciones de pequeña potencia (< 5 KW), muchas de ellas en viviendas.In view of the above, it seems foreseeable to extend the use of small facilities power (<5 KW), many of them in homes.

En este tipo de sistemas para edificios fotovoltaicos es muy interesante reducir al máximo el tamaño de los convertidores de energía eléctrica.In this type of building systems Photovoltaic is very interesting to minimize the size of the electric power converters.

La reducción de tamaño del convertidor se puede conseguir logrando disminuir el tamaño de los componentes inductivos y capacitivos que conforman los filtros necesarios en la etapa de potencia.The converter size reduction can be achieve by reducing the size of the components inductive and capacitive that make up the necessary filters in the power stage

Para ello, con objeto de obtener una técnica de conmutación que permita una mayor densidad de potencia, haciendo más pequeño el convertidor para una misma potencia manejada, es necesario aumentar la frecuencia de conmutación del convertidor DC-AC.To do this, in order to obtain a technique of switching that allows higher power density, making smaller the converter for the same power handled, is it is necessary to increase the switching frequency of the converter DC-AC

Con la técnica que se viene empleando en la actualidad en este tipo de sistemas, con conmutaciones duras y Modulación de Ancho de Pulso (PWM), el aumento de frecuencia de conmutación implica un aumento de la potencia de pérdidas en el convertidor.With the technique that has been used in the actuality in this type of systems, with hard commutations and Pulse Width Modulation (PWM), increasing the frequency of switching implies an increase in the power of losses in the converter.

Este hecho supone dos problemas: el más importante, provoca una disminución del rendimiento global del convertidor; otro inconveniente asociado es que hace necesarios unos elementos disipadores de mayor tamaño, lo cual va en contra del objetivo inicial.This fact involves two problems: the most important, it causes a decrease in the overall performance of the converter; another associated drawback is that it makes necessary larger dissipative elements, which goes against of the initial objective.

En la literatura científica publicada hasta la fecha, se recomienda para este tipo de convertidores el uso de otras técnicas de modulación. De entre todas ellas, la más adecuada es la Modulación Sigma-Delta (SDM), ya que su funcionamiento se basa en que su salida cambia en instantes predeterminados por el periodo de muestreo del modulador.In the scientific literature published until the date, it is recommended for this type of converters the use of other modulation techniques Among all of them, the most appropriate is the  Sigma-Delta Modulation (SDM), since its operation is based on its output changes in moments predetermined by the sampling period of the modulator.

Los moduladores sigma-delta pertenecen a la familia de Moduladores Codificados por Pulso (PCM). Su origen es el campo de las comunicaciones, donde se desarrollaron para digitalizar señales analógicas habitualmente de audio y normalmente empleada en una transmisión posterior de dicha señal a través de cualquier canal de comunicación digital (radio, cable, etc...). En electrónica de potencia se utilizan desde hace más de una década, fundamentalmente las versiones de primer orden.The sigma-delta modulators they belong to the family of Pulse Coded Modulators (PCM). Its origin is the field of communications, where they were developed to digitize analog audio signals usually and normally used in a subsequent transmission of said signal to through any digital communication channel (radio, cable, etc...). In power electronics they have been used for more than a decade, fundamentally the first order versions.

Una de las principales características diferenciadoras de los moduladores SDM frente a los de otro tipo es que la frecuencia con la que operan es mucho mayor que la teórica definida por Nyquist para la reconstrucción de una señal senoidal.One of the main features differentiators of SDM modulators versus other types is that the frequency with which they operate is much greater than the theoretical defined by Nyquist for the reconstruction of a signal sine.

Como puede deducirse fácilmente del funcionamiento de un modulador sigma-delta, a pesar de que su salida cambie en instantes predeterminados por la frecuencia de muestreo, la señal resultante no es periódica, porque el nivel de la señal de salida depende de la señal de entrada a modular y del nivel anterior de dicha señal de salida.How can it be easily deduced from operation of a sigma-delta modulator, despite that your output changes in predetermined moments by the sampling frequency, the resulting signal is not periodic, because the level of the output signal depends on the input signal at modular and of the previous level of said output signal.

Por otro lado, el espectro de la modulación SDM contiene componentes en un rango mayor que la modulación PWM.On the other hand, the spectrum of SDM modulation It contains components in a range greater than PWM modulation.

A partir de este modulador sigma-delta básico, diversos autores han desarrollado variaciones que permiten mejorar el espectro de salida, en la medida que los armónicos de bajo orden se ven atenuados.From this modulator Basic sigma-delta, various authors have developed variations that allow to improve the spectrum of output, to the extent that low order harmonics are seen dimmed

Como ya se ha comentado antes, el espectro de la modulación sigma-delta presenta armónicos en un ancho de banda por debajo de la frecuencia de muestreo del modulador, lo que representa un inconveniente con respecto a la modulación PWM. Sin embargo la amplitud de estos armónicos es mucho menor que en aquella, lo que reduce, entre otras cosas, el ruido acústico derivado de su uso. Para hacer competitiva la modulación sigma-delta frente a la PWM se hace necesario ampliar el ancho de banda donde no haya armónicos de bajo orden.As mentioned before, the spectrum of the sigma-delta modulation presents harmonics in a bandwidth below the sampling rate of the modulator, which represents an inconvenience with respect to the PWM modulation. However the amplitude of these harmonics is much less than in that, which reduces, among other things, noise acoustic derived from its use. To make modulation competitive sigma-delta in front of the PWM becomes necessary expand bandwidth where there are no bass harmonics order.

Entre algunas de las soluciones que ofrece la modulación SDM, se encuentran las de los siguientes moduladores:Among some of the solutions offered by the SDM modulation, there are those of the following modulators:

i)i)
Modulador Sigma-Delta VectorialSigma-Delta modulator Vector

ii)ii)
Modulador InterpolativoInterpolative Modulator

iii)iii)
Modulador AdaptativoAdaptive Modulator

Las dos primeras clases de moduladores SDM (vectorial e interpolativo) consiguen desplazar el espectro hacia zonas de frecuencia muy por encima de la banda base, pensando que será el filtro de salida de la etapa de potencia (un filtro LC o la inductancia del motor) quien elimine ese ruido espectral.The first two classes of SDM modulators (vector and interpolative) manage to shift the spectrum towards frequency zones well above the baseband, thinking that it will be the output filter of the power stage (an LC filter or the motor inductance) who eliminates that spectral noise.

En los moduladores adaptativos, el fundamento de la cuantificación adaptativa es hacer que la amplitud de la señal de salida varíe para ajustarse a la variación de la señal de entrada.In adaptive modulators, the foundation of adaptive quantification is to make the signal amplitude output vary to match the variation of the signal entry.

Los moduladores adaptativos que se conocen hasta ahora no son de aplicación directa al control de una etapa de potencia, sino que se emplean en la digitalización de señales analógicas de audio para su transmisión en formato digital.The adaptive modulators that are known up to now they are not directly applicable to the control of a stage of power, but used in signal digitalization Analog audio for transmission in digital format.

Teniendo en cuenta esta consideración, habría que adecuar el modulador adaptativo a las posibles etapas de potencia a emplear.Given this consideration, there would be to adapt the adaptive modulator to the possible stages of power to use

En el caso del circuito electrónico de potencia utilizado en un sistema fotovoltaico, la adaptación del periodo de muestreo del modulador en función de la amplitud de la tensión de entrada no sólo no aporta ninguna mejora al funcionamiento del modulador, sino que muchas veces lo empeora.In the case of the electronic power circuit used in a photovoltaic system, adapting the period of modulator sampling based on the amplitude of the voltage of entry not only does not bring any improvement to the operation of the modulator, but often makes it worse.

En la conversión fotovoltaica, de cara a la obtención de energía eléctrica a partir de la radiación solar, se utiliza un circuito electrónico de potencia para conseguir la generación de energía eléctrica de alterna a partir de la continua obtenida de los paneles solares fotovoltaicos.In the photovoltaic conversion, facing the obtaining electrical energy from solar radiation, it uses an electronic power circuit to get the alternating power generation from the continuous obtained from photovoltaic solar panels.

La Figura 1 ilustra el diagrama de bloques de un sistema fotovoltaico de generación de energía eléctrica de conexión a red. En él se puede ver la disposición del convertidor de continua (DC-DC) que permite la obtención del punto de trabajo de los paneles fotovoltaicos de cara a conseguir el punto de máxima potencia. El circuito de control debe medir la tensión y la corriente a la entrada del convertidor para después calcular la potencia de entrada y, aplicando el algoritmo de seguimiento adecuado, obtener el punto de operación del convertidor que permita optimizar la potencia extraída.Figure 1 illustrates the block diagram of a photovoltaic system for generating electricity to network. In it you can see the layout of the converter continuous (DC-DC) that allows obtaining the point of work of the photovoltaic panels in order to get the point of maximum power. The control circuit must measure the voltage and current at the input of the converter for later calculate the input power and, applying the algorithm of proper tracking, get the operating point of the converter that allows to optimize the extracted power.

A continuación del convertidor DC-DC, se conecta el convertidor DC-AC, que realiza la conversión de la energía eléctrica en continua, producida por los paneles, a una tensión y corriente alternas para su posterior inyección en la red eléctrica. La legislación española obliga a que el campo fotovoltaico se encuentre aislado galvánicamente de la red eléctrica a la que se conecta el sistema. En este caso, dicho aislamiento se consigue mediante el uso de un transformador a la salida del convertidor DC-AC. El circuito de control debe conseguir el comportamiento del inversor que le permita inyectar corriente a la red eléctrica de forma que ésta se encuentre en fase con la tensión de la red, proporcionando en ese caso la máxima transferencia de energía. Para ello, se realimentan la tensión y la corriente de salida del convertidor.Next to the converter DC-DC, the converter is connected DC-AC, which performs the energy conversion electrical in continuous, produced by the panels, at a voltage and alternating current for later injection into the power grid. Spanish legislation requires that the photovoltaic field be is galvanically isolated from the power grid to which connect the system In this case, said isolation is achieved by using a transformer at the output of the converter DC-AC The control circuit must get the inverter behavior that allows it to inject current into the electrical network so that it is in phase with the voltage of the network, providing in that case the maximum transfer of Energy. To do this, the voltage and current of the converter output.

Es sabido que cualquier sistema de potencia en el que se utilicen componentes con respuesta frecuencial variable, como es el caso de un filtro LC a la salida de un puente inversor, precisa un control en lazo cerrado que permita garantizar su estabilidad frente a cambios en cualquiera de los parámetros que lo afecten.It is known that any power system in that components with variable frequency response are used, as is the case of an LC filter at the output of an inverter bridge, requires a closed loop control that ensures its stability against changes in any of the parameters that affect.

Dentro del lazo de realimentación de un circuito de control de un inversor, se encuentra el modulador empleado para generar las señales de control de los semiconductores de la etapa de potencia.Inside the feedback loop of a circuit of control of an inverter, is the modulator used to generate the control signals of the stage semiconductors of power

Considerando todo lo explicado anteriormente con referencia a la mejor respuesta de la modulación sigma-delta frente a otras en este tipo de circuitos, para poder aplicar un modulador SDM a un circuito de control como el descrito, usado en un sistema foltovoltaico de conexión a la red eléctrica, hay que conseguir adaptar el modulador sigma-delta a tal circuito en la etapa de potencia.Considering everything explained above with reference to the best modulation response sigma-delta versus others in this type of circuits, to be able to apply an SDM modulator to a circuit control as described, used in a foltovoltaic system of connection to the mains, you have to adapt the modulator sigma-delta to such a circuit in the stage of power.

En conclusión, la vía para solventar el dilema planteado es mejorar el espectro de frecuencias de la modulación sigma-delta a la vez que el modulador es adaptado en el circuito de conexión ala red eléctrico de un sistema foltovoltaico, para dar el máximo de densidad de potencia ajustándose a los pequeños tamaños de los convertidores requeridos en los edificios con energía solar.In conclusion, the way to solve the dilemma raised is to improve the frequency spectrum of the modulation sigma-delta while the modulator is adapted in the connection circuit to the electrical network of a system Foltovoltaic, to give maximum power density adjusting to the small sizes of the required converters in buildings with solar energy.

De la bibliografía encontrada sobre la materia, se concluye que para extender los rangos de potencia de una modulación sigma-delta de alta frecuencia, hay que desarrollar técnicas de modulación SDM extendidas (tipo multinivel o de período de conmutación no constante o, en general, de tipo híbrido) para obtener una frecuencia de conmutación menor con el mismo comportamiento de la banda base.From the literature found on the subject, it is concluded that to extend the power ranges of a high frequency sigma-delta modulation, you have to develop extended SDM modulation techniques (multilevel type or non-constant switching period or, in general, of type hybrid) to obtain a lower switching frequency with the Same behavior of the baseband.

Esto puede dar pie a pensar que un posible camino para mejorar el comportamiento espectral de la salida de un modulador SDM adaptativo consiste en ajustar el período de muestreo de acuerdo a las variaciones de la amplitud de la señal de entrada. Pero, se ha comprobado empíricamente que la adaptación de la frecuencia de muestreo no arroja resultados favorables.This may lead to think that a possible way to improve the spectral behavior of the output of a Adaptive SDM modulator consists of adjusting the sampling period according to the variations of the amplitude of the input signal. But, it has been empirically proven that the adaptation of the Sample rate does not yield favorable results.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

En orden a solventar la problemática anteriormente expuesta, en todos y cada uno de los aspectos comentados, la invención que se propone consiste en modulador sigma-delta adaptativo para el control de una etapa de potencia de un convertidor de continua a alterna, empleado en un circuito de conexión a la red eléctrica, en el que la amplitud de la señal de realimentación al modulador varía adaptándose al nivel de la señal de entrada y se caracteriza porque en la realimentación se conecta un circuito que se comporta como un demodulador.In order to solve the problem previously exposed, in each and every one of the aspects commented, the proposed invention consists of a modulator adaptive sigma-delta for one stage control of power of a converter of continuous to alternating, used in a mains connection circuit, in which the amplitude of the feedback signal to the modulator varies adapting to the level of the input signal and is characterized because in the feedback A circuit that behaves like a demodulator is connected.

Dicho circuito, que reconstruye la señal de entrada demodulando la señal de salida del modulador con el nivel máximo al que se ha modulado, está constituido por un convertidor de potencia y el filtro LC de carga que habitualmente se conecta a su salida.Said circuit, which reconstructs the signal of input demodulating the modulator output signal with the level maximum that has been modulated, is constituted by a converter of power and the load LC filter that is usually connected to your exit.

La solución adecuada para el control de un circuito inversor de conexión a la red eléctrica, preferentemente empleado en un sistema de edificios fotovoltaicos de pequeño tamaño es adaptar la amplitud de la señal de realimentación, de la salida del modulador hacia su entrada.The right solution for controlling a mains connection inverter circuit, preferably used in a system of small photovoltaic buildings is to adapt the amplitude of the feedback signal, of the output from the modulator to its entrance.

El inconveniente es que al variar la realimentación, aumenta la amplitud de los armónicos inferiores del espectro y el modulador adaptativo se satura. Para evitar este problema, la solución propuesta radica en la demodulación, de modo que al demodular la señal de salida del modulador adaptativo, se aplica el valor máximo con el que se ha modulado para que la reconstrucción de la señal sea perfecta.The drawback is that by varying the feedback, increases the amplitude of the lower harmonics of the spectrum and adaptive modulator becomes saturated. To avoid this problem, the proposed solution lies in demodulation, so that when demodulating the adaptive modulator output signal, apply the maximum value with which it has been modulated so that the signal reconstruction be perfect.

De esta manera, se conjugan los beneficios de una modulación sigma-delta con frecuencia de muestreo alta y los del modulador adaptativo en cuanto a su mejor relación señal-ruido.In this way, the benefits of a sigma-delta modulation with frequency of high sampling and those of the adaptive modulator in terms of its best signal-to-noise ratio

Esta modificación en el circuito de la etapa de potencia para incluir un demodulador impide el uso de un puente inversor tradicional, pero se resuelve con un puente inversor multinivel.This modification in the circuit of the stage of power to include a demodulator prevents the use of a bridge traditional inverter, but it is solved with an inverter bridge multilevel

Básicamente existen dos clases de circuitos de etapas de potencia que permiten obtener una tensión de salida del tipo multinivel las conocidas como de fijación por diodo y las denominadas de condensador flotante.There are basically two kinds of circuits of power stages that allow to obtain an output voltage of the multilevel type known as diode fixing and called floating condenser.

Cualquiera de las dos configuraciones circuitales de etapas de potencia es susceptible para usarse como demodulador de la señal proveniente del modulador adaptativo. La segunda opción es preferente porque requiere menos semiconductores.Either configuration power stage circuits is susceptible to be used as signal demodulator from the adaptive modulator. The second option is preferred because it requires less semiconductors

Por ello, se emplea un inversor multinivel en conjunto con el filtro LC de salida propio de cualquier puente inversor. En concreto, se utiliza preferentemente un puente inversor de cinco niveles con condensadores flotantes, sin diodos de bloqueo.Therefore, a multilevel investor is used in in conjunction with the output LC filter of any bridge investor. In particular, a bridge is preferably used Five-level inverter with floating capacitors, without diodes blocking.

La mejora en el comportamiento espectral de la salida del puente inversor multinivel, controlándolo con el modulador adaptativo de la invención, se refleja en una reducción de su amplitud dentro de la banda de interés en más de un 50% con respecto a otros moduladores SDM, como el interpolativo, manteniendo en la misma frecuencia el inicio de los armónicos significativos del espectro sigma-delta, pero haciendo desaparecer los armónicos de orden bajo.The improvement in the spectral behavior of the multilevel inverter bridge output, controlling it with the adaptive modulator of the invention, is reflected in a reduction of its amplitude within the band of interest by more than 50% with compared to other SDM modulators, such as interpolative, keeping the start of harmonics on the same frequency significant sigma-delta spectrum, but making the low order harmonics disappear.

A tal comportamiento mejorado del puente inversor, se añade la ventaja que implica el uso de la modulación SDM, particularmente un modulador adaptativo, a la hora de controlar un inversor multinivel, puesto que se necesita solamente un temporizador con período fijo para implementar el período de muestreo, mientras que un modulador equivalente PWM utiliza más de uno o precisa un temporizador de período variable, con la complejidad que esto supone en su implementación.To such improved bridge behavior inverter, the advantage that the use of modulation is added SDM, particularly an adaptive modulator, when control a multilevel inverter, since it only needs a fixed period timer to implement the period of sampling, while an equivalent PWM modulator uses more than one or requires a variable period timer, with the complexity that this implies in its implementation.

Se consigue pues, con el nuevo modulador sigma-delta adaptativo, un espectro de frecuencias mejorado con una elevada simplicidad del circuito modulador.It is achieved, then, with the new modulator adaptive sigma-delta, a frequency spectrum enhanced with high simplicity of the modulator circuit.

El modulador adaptativo descrito es el que además actúa como circuito generador de las señales de control de las etapas de potencia en los convertidores DC-AC para una conexión a la red eléctrica, por ejemplo, de una central solar fotovoltaica.The adaptive modulator described is the one that It also acts as a generator circuit for the control signals of the power stages in DC-AC converters for a connection to the power grid, for example, of a central Solar photovoltaic.

Dicho modulador adaptativo es implementable en un dispositivo digital de lógica programable, tal como un microprocesador, un procesador digital de señal DSP, un microcontrolador, una tarjeta FPGA, etc.Said adaptive modulator is implementable in a programmable logic digital device, such as a microprocessor, a digital DSP signal processor, a microcontroller, an FPGA card, etc.

Descripción de los dibujosDescription of the drawings

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as part member of that description, a set of drawings where with illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:

La figura 1.- Muestra un diagrama de bloques de un sistema foltovoltaico de conexión a la red de distribución eléctrica, de acuerdo al Estado de la Técnica de los sistemas de energía solar fotovoltaica.Figure 1.- Shows a block diagram of a foltovoltaic system for connection to the distribution network electrical, according to the State of the Art of the systems of Photovoltaic Solar Energy.

La figura 2.- Muestra un esquema de bloques del circuito inversor multinivel controlado con el modulador sigma-delta adaptativo, de acuerdo al objeto de la invención y según una realización preferente.Figure 2.- Shows a block diagram of the multilevel inverter circuit controlled with the modulator adaptive sigma-delta, according to the purpose of the invention and according to a preferred embodiment.

La figura 3.- Muestra un esquema del circuito impreso de la tarjeta correspondiente a la etapa de potencia del puente multinivel, controlado por el modulador sigma-delta adaptativo de la invención, conforme a la realización preferente de la figura anterior, con el puente inversor de cinco niveles de condensadores flotantes.Figure 3.- Shows a circuit scheme printed card corresponding to the power stage of the multilevel bridge, controlled by the modulator adaptive sigma-delta of the invention, according to the preferred embodiment of the previous figure, with the bridge Five-level inverter of floating capacitors.

La figura 4.- Muestra un diagrama de bloques funcionales del modulador sigma-delta adaptativo para generar las señales de control del puente inversor multinivel, según la realización preferente a la que corresponden las figuras 2 y 3, de acuerdo con el objeto de la invención.Figure 4.- Shows a block diagram functional adaptive sigma-delta modulator to generate the control signals of the multilevel inverter bridge, according to the preferred embodiment to which figures 2 correspond and 3, in accordance with the object of the invention.

La figura 5.- Muestra una representación de las formas de onda de la tensión de salida del inversor multinivel y tras el filtro LC, para la realización preferente con carga resistiva y los siguientes parámetros: resistencia de carga (RL) =
100 \Omega; tensión de entrada (Vi) = 124 V; frecuencia de la señal de referencia a la salida (f) = 50 Hz frecuencia de muestreo del modulador (fs) = 200 kHz.
Figure 5.- Shows a representation of the waveforms of the output voltage of the multilevel inverter and after the LC filter, for the preferred embodiment with resistive load and the following parameters: load resistance (RL) =
100 \ Omega; input voltage (Vi) = 124 V; frequency of the reference signal at the output (f) = 50 Hz sampling frequency of the modulator (fs) = 200 kHz.

La figura 6.- Muestra un detalle de de las formas de onda representadas en la anterior figura, donde se aprecia el efecto de la modulación adaptativa en los saltos de nivel de la tensión de salida.Figure 6.- Shows a detail of the waveforms represented in the previous figure, where appreciate the effect of adaptive modulation on the jumps of output voltage level.

La figura 7.- Muestra una representación del espectro lejano, hasta 200 kHz, de la tensión de salida del inversor multinivel mostrada en la figura 5.Figure 7.- Shows a representation of the far spectrum, up to 200 kHz, of the output voltage of the multi-level inverter shown in figure 5.

La figura 8.- Muestra una representación del espectro cercano, hasta 10 kHz, de la tensión de salida del inversor multinivel mostrada en la figura 5.Figure 8.- Shows a representation of the near spectrum, up to 10 kHz, of the output voltage of the multi-level inverter shown in figure 5.

Realización preferente de la invenciónPreferred Embodiment of the Invention

Conforme se ilustra en la Figura 2, puede describirse como una de las posibles realizaciones de la invención un modulador sigma-delta adaptativo (1) que controla un puente inversor multinivel (2) de cinco niveles de condensadores flotantes, al cual está conectado.As illustrated in Figure 2, you can be described as one of the possible embodiments of the invention an adaptive sigma-delta modulator (1) that controls a multi-level inverter bridge (2) of five capacitor levels floating, to which it is connected.

El modulador adaptativo (1) se implementa sobre la plataforma de desarrollo de la FPGA EPF10K20RC240, que se encuentra en la tarjeta comercial University Program Design Laboratory Package Board de ALTERA.The adaptive modulator (1) is implemented on the development platform of the FPGA EPF10K20RC240, which found on the University Program Design business card ALTERA Laboratory Package Board.

A su vez, el puente inversor (2) se conecta a dos fuentes de alimentación (3, 3') y, a su salida, al filtro LC (4) y la carga (5) de la etapa de potencia.In turn, the inverter bridge (2) is connected to two power supplies (3, 3 ') and, at its output, to the LC filter (4) and the load (5) of the power stage.

Dicho puente inversor (2) multinivel de cinco niveles, cuyo circuito impreso está dibujado en la Figura 3, se compone de ocho Transistores Bipolares de Puerta Aislada (IGBT), los cuales son controlados por las señales que genera el modulador (1) y alimentados por las dos tarjetas de las fuentes (3,3').Said five-level multi-level inverter bridge (2) levels, whose printed circuit is drawn in Figure 3, are It consists of eight Bipolar Transistors with Insulated Door (IGBT), which are controlled by the signals generated by the modulator (1) and fed by the two source cards (3.3 ').

El circuito integrado FPGA EPF10K20RC240 donde se desarrolla el modulador sigma-delta (1) constituye pues un dispositivo de lógica programable, en el cual se produce la síntesis de las señales de control para los ochos interruptores de disparo que representan los transistores (IGBT) del puente (2). Dicho dispositivo permite reducir significativamente los costos de construcción del modulador (1) de la invención. Su diagrama de bloques funcionales implementados en el lenguaje VHDL de descripción circuital estándar de programación para FPGA, se ilustra en la Figura 4, donde se distinguen cuatro módulos:The integrated FPGA circuit EPF10K20RC240 where the sigma-delta modulator is developed (1) thus constitutes a programmable logic device, in which produces the synthesis of control signals for eights trip switches representing transistors (IGBT) of the bridge (2). Said device allows to reduce significantly the construction costs of the modulator (1) of the invention. Your functional block diagram implemented in VHDL language for standard programming circuit description for FPGA, it is illustrated in Figure 4, where four are distinguished modules:

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Módulo del Divisor de Frecuencias (6): Se encarga de generar una frecuencia (200 kHz) de muestreo (CLK') a partir de la frecuencia de funcionamiento del circuito (25,175 MHz), que es la del reloj (CLK) de la tarjeta FPGA y que sirve como entrada al Conformador (9) de disparos (DISP1- DISP8) hacia el puente inversor (2).Divider Module Frequencies (6): It is responsible for generating a frequency (200 kHz) of sampling (CLK ') from the operating frequency of the circuit (25,175 MHz), which is the clock (CLK) of the FPGA card and that serves as input to the Conformer (9) of shots (DISP1- DISP8) towards the inverter bridge (2).

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Módulo del Generador de Señales (7): Tiene la misión de generar una secuencia de números binarios, preferentemente palabras de 10 bits, los cuales corresponden a los valores de una sinusoide de 50 Hz de frecuencia y de amplitud programable, que es la señal de referencia senoidal a modular en el módulo del Modulador Sigma-Delta (8).Signal Generator Module (7): It has the mission of generating a sequence of binary numbers, preferably 10-bit words, which correspond to the values of a 50 Hz frequency and amplitude sinusoid programmable, which is the sine reference signal to be modulated in the Sigma-Delta Modulator module (8).

El formato de dicha señal senoidal de referencia permite, simplemente mediante una sencilla modificación, utilizar una secuencia de datos que puede provenir de un dispositivo externo de control, tal como un microcontrolador o un procesador digital de señal DSP. Los datos producidos por este módulo del Generador de Señales (7) se extraen de una tabla guardada y definida en un archivo tipo texto, donde se encuentran previamente calculados y medidos.The format of said reference sinusoidal signal allows, simply by a simple modification, use a sequence of data that it can come from an external control device, such as a microcontroller or a digital DSP signal processor. The data produced by this Signal Generator module (7) are extracted of a table saved and defined in a text file, where  They are previously calculated and measured.

Además, el módulo del Generador de Señales (7) detecta la situación dentro de una ventana de la señal de referencia en cada intervalo cuadrante. Dichos parámetros, ventana y cuadrante, son los que determinan los niveles del puente multinivel (2), puesto que los niveles de tensión a la salida de la etapa de potencia se definen con exactitud dependiendo de la ventana, entre las ocho en que se divide la senoide de la señal de referencia, donde se encuentre dicha señal.In addition, the Signal Generator module (7) detects the situation within a window of the reference signal in each quadrant interval. These parameters, window and quadrant, are what determine the multilevel bridge levels (2), since the levels of voltage at the output of the power stage are defined with accuracy depending on the window, among the eight in which divide the sine of the reference signal, where it is located said signal.

El valor del parámetro que identifica la ventana donde está la señal senoidal de referencia pasa como entrada directamente al módulo Conformador (9), para dar lugar a la secuencia de conmutación de disparos (DISP1- DISP8), para cada uno de los transistores (IGBT) del puente inversor (2), con lo que se produce el voltaje de salida según el nivel que corresponde.The value of parameter that identifies the window where the sine signal of reference passes as input directly to the Conformer module (9), to give rise to the shot switching sequence (DISP1- DISP8), for each of the transistors (IGBT) of the bridge inverter (2), which produces the output voltage according to the corresponding level.

\bullet?
Módulo Modulador Sigma-Delta (8): Es el módulo que realiza la modulación adaptativa propiamente dicha, según persigue el objeto de la invención, manteniendo la tensión de carga en los condensadores flotantes del puente inversor multinivel (2).Modulator Module Sigma-Delta (8): It is the module that performs the adaptive modulation itself, as the object pursues of the invention, maintaining the load voltage in the multi-level inverter bridge floating capacitors (2).

La señal de realimentación del módulo Sigma-Delta (8) varia su amplitud en función de la ventana en la que se encuentre la señal senoidal de entrada, adaptándose a los niveles de amplitud determinados para dicha ventana. Con esto se consigue la adaptación al puente multinivel (2), haciendo variable la amplitud de realimentación, en función del cuadrante en que se encuentra la señal senoidal a modular, para minimizar la diferencia entre la senoide a modular y la señal modulada, reduciendo la relación señal a ruido propia de la modulación sigma-delta adaptativa.The signal of feedback of the Sigma-Delta module (8) varies its amplitude depending on the window in which the signal is located input sine, adapting to amplitude levels determined for that window. With this the adaptation is achieved to the multilevel bridge (2), making the amplitude of feedback, depending on the quadrant in which the sinusoidal signal to modulate, to minimize the difference between the sine to modulate and the modulated signal, reducing the signal ratio at noise typical of sigma-delta modulation adaptive

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Módulo Conformador (9): Su función es aplicar las señales de control apropiadas de disparos (DISP1- DISP8) a los ocho transistores (IGBT) del puente inversor multinivel (2), así como al disparador del reté que activa la secuencia de inicialización del puente (2).Conformer Module (9): Your function is to apply the appropriate trigger control signals (DISP1- DISP8) to the eight transistors (IGBT) of the inverter bridge multilevel (2), as well as the relay trigger that activates the bridge initialization sequence (2).

La señal modulada generada por el módulo Modulador Sigma-Delta (8) se modifica para ser convertida en la señal de disparo de la etapa de potencia del inversor (2) Para esto es desdoblada en tantas señales como dispositivos semiconductores de potencia presenta el puente inversor (2); en esta realización preferente, ocho señales para los transistores (IGBT), complementarias con un tiempo muerto entre cada señal, adecuado a la velocidad de conmutación de tales transistores (IGBT), preferiblemente 120 ns, garantizando el equilibrio de las cargas de los condensadores flotantes.The signal modulated generated by the Modulator module Sigma-Delta (8) is modified to be converted into the trigger signal of the inverter power stage (2) To this is unfolded into as many signals as devices Power semiconductors presents the inverter bridge (2); in this preferred embodiment, eight signals for transistors (IGBT), complementary with a dead time between each signal, adequate to the switching speed of such transistors (IGBT), preferably 120 ns, guaranteeing the balance of floating capacitor charges.

En la Figura 5 se representa la tensión de salida del puente inversor (2) y la tensión en la carga resistiva (5) conectada tras el filtro LC (4), que permite obtener a la salida del circuito la tensión senoidal requerida, cuyos valores para el caso del ejemplo son L = 3 mH y C 50 \muF. Sobre la señal senoidal de referencia, con una amplitud de entrada de 124 V, pueden apreciarse los cinco niveles de tensión conseguidos con el puente multinivel (2).The voltage of inverter bridge output (2) and resistive load voltage (5) connected after the LC filter (4), which allows the circuit output the required sine voltage, whose values In the case of the example, they are L = 3 mH and C 50 µF. Over the signal reference sine, with an input amplitude of 124 V, can appreciate the five levels of tension achieved with the bridge multilevel (2).

Al mostrar al detalle las formas de onda de la anterior figura. se puede ver, en la Figura 6, el efecto de la modulación adaptativa, apreciándose el paso por cero de la tensión y el cambio provocado en la adaptación de la realimentación del modulador sigma-delta (8). El índice de modulación del ejemplo es m = 1.By showing in detail the waveforms of the previous figure. you can see, in Figure 6, the effect of adaptive modulation, appreciating the zero crossing of the tension and the change caused in the adaptation of the feedback of the sigma-delta modulator (8). Modulation index The example is m = 1.

Las Figuras 7 y 8 muestran el oscilograma del espectro de la tensión de salida del puente inversor multinivel (2) para el espectro lejano (hasta 200 kHz) y el espectro cercano (hasta 10 kHz) respectivamente, considerando los espectros más desfavorables obtenidos de un alto número de sucesivos barridos realizados con un osciloscopio.Figures 7 and 8 show the oscillogram of the output voltage spectrum of the multilevel inverter bridge (2) for the far spectrum (up to 200 kHz) and the near spectrum (up to 10 kHz) respectively, considering the spectra more unfavorable obtained from a high number of successive sweeps made with an oscilloscope.

A la vista de esta descripción y juego de figuras, un experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin salir del objeto de la invención reivindicada.In view of this description and game of figures, a person skilled in the art will understand that the invention has been described according to some preferred embodiments of the same, but it will be obvious to the person skilled in the art that multiple variations can be introduced in said preferred embodiments without leaving the object of the invention claimed.

Claims (6)

1. Modulador sigma-delta adaptativo para el control de una etapa de potencia de un convertidor de continua a alterna, empleado en un circuito de conexión a la red eléctrica, en el que la amplitud de la señal de realimentación al modulador varía adaptándose al nivel de la señal de entrada caracterizado porque en la realimentación se conecta un circuito que se comporta como un convertidor de potencia y un filtro LC de carga, que reconstruye la señal de entrada al modulador, demodulando la señal de salida de dicho modulador.1. Adaptive sigma-delta modulator for the control of a power stage of a continuous-to-alternating converter, used in a circuit of connection to the electrical network, in which the amplitude of the feedback signal to the modulator varies adapting to the level of the input signal characterized in that in the feedback a circuit is connected that behaves like a power converter and a load LC filter, which reconstructs the input signal to the modulator, demodulating the output signal of said modulator. 2. Modulador sigma-delta adaptativo para el control de una etapa de potencia de un convertidor de continua a alterna, según reivindicación 1, caracterizado porque dicho convertidor de potencia del circuito demodulador es un puente inversor multinivel.2. Adaptive sigma-delta modulator for controlling a power stage of a DC to AC converter, according to claim 1, characterized in that said power converter of the demodulator circuit is a multi-level inverter bridge. 3. Modulador sigma-delta adaptativo para el control de una etapa de potencia de un convertidor de continua a alterna, según reivindicación 2, caracterizado porque el puente inversor multinivel es de condensadores flotantes.3. Adaptive sigma-delta modulator for controlling a power stage of a DC to AC converter, according to claim 2, characterized in that the multi-level inverter bridge is of floating capacitors. 4. Modulador sigma-delta adaptativo para el control de una etapa de potencia de un convertidor de continua a alterna, según reivindicación 3, caracterizado porque el puente inversor multinivel es de cinco niveles con condensadores flotantes.4. Adaptive sigma-delta modulator for controlling a power stage of a continuous to alternating converter, according to claim 3, characterized in that the multi-level inverter bridge is five levels with floating capacitors. 5. Modulador sigma-delta adaptativo para el control de una etapa de potencia de un convertidor de continua a alterna, según reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque se implementa en un dispositivo de lógica programable comprendiendo:5. Adaptive sigma-delta modulator for controlling a power stage of a DC to AC converter, according to claims 2 to 4, characterized in that it is implemented in a programmable logic device comprising: un módulo de Divisor de Frecuencias (6) que genera la frecuencia de muestreo del modulador a partir de la frecuencia del reloj de la FPGA;a Frequency Divider module (6) that generates the sampling frequency of the modulator from the FPGA clock frequency; un módulo de Generador de Señales (7), conectado al anterior, que genera una secuencia de números binarios correspondientes a los valores de una sinusoide de amplitud programable, que es la señal de referencia senoidal a modular y detecta la situación de dicha sinusoide dentro de una ventana en cada intervalo cuadrante en que se divide la señal de referencia;a Signal Generator module (7), connected to the previous one, which generates a sequence of binary numbers corresponding to the values of an amplitude sinusoid programmable, which is the sine reference signal to modulate and detects the situation of said sinusoid within a window in each quadrant interval in which the signal is divided reference; un módulo Sigma-Delta (8) que varía la amplitud de la señal modulada, entre los niveles de amplitud dados del puente inversor multinivel, dependiendo de la ventana en la que se encuentre la señal senoidal de referencia, de modo que se minimiza la diferencia entre la señal a modular y la señal modulada, reduciendo la relación señal a ruido propia de la modulación sigma-delta adaptativa;a Sigma-Delta module (8) that the amplitude of the modulated signal varies, between the levels of amplitude dice of the multilevel inverter bridge, depending on the window in which the reference sine signal, of so that the difference between the signal to be modulated and the modulated signal, reducing the signal to noise ratio of the adaptive sigma-delta modulation; un módulo Conformador (9) que genera las señales de control del puente inversor multinivel, desdoblando la señal modulada producida por el módulo Sigma-Delta (8) en tantas señales como dispositivos semiconductores de potencia presenta el puente inversor multinivel.a Conformer module (9) that generates the signals of control of the multilevel inverter bridge, unfolding the signal modulated produced by the Sigma-Delta module (8) in as many signals as power semiconductor devices presents the multilevel inverter bridge. 6. Modulador sigma-delta adaptativo para el control de una etapa de potencia de un convertidor de continua a alterna, según reivindicación 5, caracterizado porque el dispositivo de lógica programable se selecciona entre una tarjeta FPGA, un microcontrolador o un microprocesador digital de señal DSP.6. Adaptive sigma-delta modulator for controlling a power stage of a DC to AC converter, according to claim 5, characterized in that the programmable logic device is selected from an FPGA card, a microcontroller or a digital DSP signal microprocessor .
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