ES2267364B1 - Circuito y tecnica de modulacion para reducir armonicos particulares del espectro de la perturbacion en convertidores de potencia conmutados. - Google Patents
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Abstract
Circuito y técnica de modulación para reducir armónicos particulares del espectro de la perturbación en convertidores de potencia conmutados. Circuito integrado en el sistema de conmutación de los convertidores de potencia conmutados que consigue reducir selectivamente los armónicos de la frecuencia de conmutación que provocan interferencias conducidas en las líneas de alimentación del convertidor. El funcionamiento del circuito reductor se basa en la modulación en frecuencia de la señal de conmutación.
Description
Circuito y técnica de modulación para reducir
armónicos particulares del espectro de la perturbación en
convertidores de potencia conmutados.
El circuito reductor es un modulador FM
(frecuencia modulada) de la señal de conmutación. Dicho circuito se
puede integrar en el mismo circuito integrado que realiza la
conmutación en el convertidor de potencia. De esta forma, la
incorporación del circuito reductor de armónicos no comporta un
aumento ni del tamaño ni del número de componentes del
convertidor.
Convertidores de potencia.
Compatibilidad Electromagnética.
Electrónica del automóvil.
La técnica basada en modular en frecuencia una
señal digital para reducir perturbaciones ya se utiliza en sistemas
basados en microprocesadores. En estos sistemas se modula la señal
de reloj y la técnica se llama SSCG (Spread Spectrum Clock
Generator). Con la técnica SSCG se consigue reducir las
perturbaciones de alta frecuencia provocadas por la conmutación del
microprocesador [Keith B. Hardin, John T. Fessler and Donald R.
Bush, "Spread Spectrum Clock Generation for the Reduction of
Radiated Emissions", IEEE Symposium on Electromagnetic
Compatibility, 1994 (Chicago)].
La misma técnica se ha usado para reducir
perturbaciones en sistemas de más baja frecuencia, como por ejemplo
los convertidores de potencia [F. Lin, D.Y. Chen, "Reduction of
power suplí EMI emissions by switching frequency
modulation", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 9,
no. 1, 1994, pp 132-137]. En estos casos se modula
la señal de conmutación del convertidor. Se han realizado estudios
que demuestran que el mejor tipo de modulación es la modulación
triangular [S.Y. Hui, Y. Shirivastava, S. Sathiakumar, K.K. Tse,
H.S-H. Chung, "A comparison of
non-deterministic and deterministic switching
methods for DC-DC power converters", IEEE
Transactions on Power electronics, vol.13, no. 6, 1998, pp
1046-1055], [A. Santolaria, J. Balcells, D.
González, J. Gago, "Evaluation of Frequency Modulation in EMI
Emissions Reduction applied to Switching Power Converters",
Proceedings of the 29th Annual Conference of the IEEE Industrial
Electronics Society, CD-ROM ISBN
0-7803-7907-1 pp
2306 - 2311, 2003 (Virginia, USA)], pues es la que proporciona una
reducción mayor del nivel de perturbación.
No obstante, todavía no ha sido investigado ni
patentado ningún tipo de modulación que permita reducir un armónico
particular del espectro de la perturbación. Este es un aspecto
importante en aplicaciones en las que el convertidor de potencia
está alimentando a un sistema de comunicación de baja frecuencia,
como por ejemplo, los convertidores de los buses CAN en el
automóvil, en los que un armónico de la perturbación puede coincidir
con la frecuencia de transmisión del bus (500 kHz).
El circuito reductor de armónicos objeto de esta
patente se basa en la técnica descrita a continuación y se diseña
de manera que sea posible incluirlo en un circuito integrado del
microprocesador del convertidor de potencia sin que represente un
aumento de superficie ni de coste adicional apreciable de los
circuitos del convertidor.
La técnica de modulación en frecuencia que se
presenta en esta patente se basa en modular la frecuencia de
conmutación de un convertidor según un perfil conocido o aleatorio,
con el fin de que el espectro frecuencia) de la perturbación
provocada por dicha conmutación reduzca el nivel máximo de sus
armónicos. La señal de conmutación es una señal cuadrada cuyo
espectro frecuencial está compuesto por la frecuencia de conmutación
más sus armónicos (generalmente los armónicos impares presentan
mayor amplitud que los pares).
Con la modulación de la frecuencia de
conmutación, también se modula los armónicos, consiguiéndose
reducir la amplitud de cada uno de ellos, a cambio de ensanchar el
contenido espectral tal como se observa en la figura 1. En la
figura 2 se observa un detalle más amplio del efecto de la
modulación sobre un armónico de la perturbación.
Las gráficas de las figuras 3 y 4 corresponden a
resultados obtenidos con un prototipo de circuito modulador. En la
figura 3 se muestra dos espectros frecuenciales: uno corresponde al
de la perturbación sin modulación y el otro al de la perturbación
con una modulación de perfil senoidal. Se puede apreciar la
reducción de la amplitud de los armónicos de la perturbación al
modular la frecuencia de la señal de control. No obstante, la
reducción es todavía más apreciable cuando se utiliza un perfil
triangular en la modulación, tal como se observa en la figura 4. En
dicha figura se muestra los espectros de la perturbación con
modulaciones de perfil triangular y exponencial. Otros ensayos
realizados demuestran que escogiendo cuidadosamente los parámetros
de la modulación exponencial es posible realizar una reducción
optimizada de todos los armónicos de la perturbación.
El convertidor de potencia conmutado, que
incluye el circuito de modulación de FM que se reivindica en esta
patente tiene un esquema como el de la figura 5. El perfil de la
modulación es exponencial con parámetros optimizados para reducir
armónicos concretos del espectro frecuencial de la perturbación. El
circuito de modulación se puede realizar, en una primera fase de
prototipo, en una FPGA, para integrarlo, posteriormente, en el
circuito integrado del microprocesador del circuito
convertidor.
En esta patente se reivindica, además de la
integración del circuito modulador en el propio microprocesador del
convertidor, la técnica de obtención de parámetros optimizados de
la modulación de la frecuencia de conmutación para la reducción
selectiva de armónicos concretos de la perturbación.
Figura
1
A: Armónicos principales de la señal de
conmutación
B: Espectro de los armónicos tras la modulación
en frecuencia.
Figura
2
A: Armónico sin modulación
B: Armónico con modulación.
Figura
3
A: Espectro de la perturbación sin
modulación
B: Espectro de la perturbación con una
modulación de perfil senoidal.
Figura
4
A: Espectro de la perturbación sin
modulación
B: Espectro de la perturbación con una
modulación de perfil triangular
C: Espectro de la perturbación con una
modulación de perfil exponencial.
Figura
5
A: Fuente de alimentación o batería
B: Conmutador
C: Microprocesador generador de la señal de
conmutación
D: Circuito modulador de FM
E: Resistencia de carga.
Claims (3)
1. Circuito reductor de armónicos
caracterizado por utilizar técnicas basadas en modulación de
frecuencia optimizadas para la reducción selectiva de armónicos
producidos por convertidores de potencia conmutados u otros tipos
de circuitos de conmutación.
2. Circuito integrado caracterizado
porque comprende el circuito de conmutación de un convertidor de
potencia y el circuito reductor de armónicos descrito en la
reivindicación 1.
3. Técnica para reducir armónicos particulares
del espectro de la perturbación caracterizado porque se basa
en modulación FM de la señal de conmutación de un convertidor de
potencia conmutado u otro circuito de conmutación según un perfil
conocido.
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