ES2289213T3 - Circuito de regeneracion de potencia y sistema de conversion de potencia. - Google Patents
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Abstract
Un circuito (SC1, SC2) de regeneración de potencia para un sistema de conversión de potencia, cuyo sistema de conversión de potencia comprende un transformador convertidor con una toma intermedia (IT1) de la bobina (FN) del primario, un primer elemento de conmutación (FET1) conectado entre un extremo de la bobina del primario del transformador convertidor y tierra, un segundo elemento de conmutación (FET2) conectado entre el otro extremo de la bobina del primario y tierra, y un condensador alisador (C1) conectado en paralelo con una fuente (Ventrada) de voltaje de corriente continua, entre la toma intermedia (IT1) de la bobina (FN) del primario del transformador convertidor y tierra, utilizándose el circuito de regeneración de potencia para la regeneración de potencia del sistema de conversión de potencia cuando los elementos de conmutación (FET1, FET2) son puestos en conducción/fuera de conducción alternativamente con un período intermedio de puesta fuera de conducción de los elementos deconmutación, comprendiendo el circuito de regeneración de potencia, al menos un elemento (C3) de carga/descarga conectado en paralelo a la parte (FN1, FN2) de la bobina, entre un extremo de la bobina (FN) del primario y la toma intermedia (ITN), y un trayecto de carga/descarga que forma un primer circuito cerrado con la parte (FN1) de la bobina, el elemento (C3) de carga/descarga y, al menos, un elemento conductor (D3) en respuesta a la transición de uno (FET1) de los elementos de conmutación (FET1, FET2), conectado a un extremo de la bobina (FN) del primario, al estado de fuera de conducción, estando dicho al menos un elemento conductor (D3) conectado entre el elemento (C3) de carga/descarga y la toma intermedia (ITN) de la bobina (FN) del primario y destinado a conducir en respuesta al incremento de voltaje en un extremo de la bobina del primario, formando dicho trayecto de carga/descarga un segundo circuito cerrado con, al menos, otro elemento conductor (D4), el elemento (C3) de carga/descarga, la parte (FN1) de la bobina y el condensador alisador (C1) en respuesta a la transición del otro elemento de conmutación (FET2) al estado de fuera de conducción, estando dicho al menos otro elemento conductor (D4) conectado entre la unión del elemento (C3) de carga/descarga y dicho al menos un elemento conductor (D3) y el lado de tierra del condensador alisador (C1) y destinado a conducir en respuesta a una caída de voltaje en la unión.
Description
Circuito de regeneración de potencia y sistema
de conversión de potencia.
Este invento se refiere a un circuito de
regeneración de potencia y a un sistema de conversión de
potencia.
Con referencia a la Fig. 7, se explicará un
convertidor en contrafase, que es una clase de sistema de conversión
de potencia. En el convertidor en contrafase mostrado, FET1 designa
un primer elemento de conmutación, FET2 un segundo elemento de
conmutación, T un transformador convertidor, Ventrada una fuente de
voltaje de corriente continua (para proporcionar como salida un
voltaje Ventrada de corriente continua), D1, D2 son diodos de
rectificación, L es una bobina de reactancia, y C1, C2
condensadores alisadores primero y segundo.
SC1 designa un primer circuito de protección
conectado entre la fuente y la salida del primer elemento de
conmutación FET1, y SC2 es un segundo circuito de protección
conectado entre la fuente y la salida del segundo elemento de
conmutación FET2.
Supongamos que este convertidor en contrafase no
está dotado del primero ni del segundo circuitos de protección SC1,
SC2. En el caso de que el primero y el segundo elementos de
conmutación FET1, FET2 sean puestos fuera de conducción desde el
estado de conducción, la corriente que ha estado circulando en la
bobina FN del primario del transformador convertidor T, se reduce a
cero instantáneamente. Así, se genera un voltaje de choque (cambio
brusco de voltaje) entre la fuente y la salida del primero y del
segundo elementos de conmutación FET1, FET2, debido a la fuerza
contraelectromotriz generada por la inductancia de fugas de la
bobina FN del primario del transformador convertidor T. Este
voltaje de choque provoca la perforación o una pérdida en
funcionamiento incrementada del primero y del segundo elementos de
conmutación FET1, FET2. El primero y el segundo circuitos de
protección SC1, SC2 están previstos para suprimir el voltaje de
choque aplicado al primero y al segundo elementos de conmutación
FET1, FET2. Específicamente, el primero y el segundo circuitos de
protección SC1, SC2 funcionan de tal manera que reduzcan, por
absorción, el voltaje de choque generado entre la fuente y la
salida del primero y del segundo elementos de conmutación FET1,
FET2, debido a la fuerza contraelectromotriz.
En la Fig. 8 se representa una forma de onda, en
funcionamiento, de las partes esenciales del convertidor en
contrafase. En la Fig. 8, VG1 designa un voltaje de mando del primer
elemento de conmutación FET1, VG2 un voltaje de mando del segundo
elemento de conmutación FEM2, Vd2 un voltaje de salida del segundo
elemento de conmutación FET2, Vd1 un voltaje de salida del primer
elemento de conmutación FET1, IS1 una corriente de protección del
primer circuito de protección SC1 e IS2 una corriente de protección
del segundo circuito de protección SC2.
El primero y el segundo circuitos de protección
SC1, SC2 del convertidor en contrafase están configurados por un
circuito en serie que incluye un primero y un segundo condensadores
de protección CO1, CO2 y una primera y una segunda resistencias de
protección RO1, RO2. Por tanto, la reducir el voltaje de choque se
consume, desperdiciándose, una cantidad de potencia considerable
reduciéndose, por tanto, en conjunto, la eficacia de conversión de
potencia del convertidor en contrafase.
Además, en el primero o en el segundo circuitos
de protección SC1, SC2 circula una corriente de protección elevada
y se consume, desperdiciándose, una gran cantidad de energía
eléctrica cuando el primero o el segundo elementos de conmutación
FET1, FET2 son puestos fuera de conducción o cuando el segundo o el
primero elementos de conmutación FET2, FET1 son puestos en
conducción, de modo que el voltaje fuente-salida del
primero o del segundo elementos de conmutación FET1, FET2, cambia
de Ventrada a 2Ventrada. Este es otro factor de reducción de la
eficacia global de conversión de potencia del convertidor en
contrafase.
El documento JP 58044520 A describe: Un circuito
de regeneración de potencia para un sistema de conversión de
potencia que comprende un transformador convertidor que tiene una
toma intermedia de la bobina del primario, un primer elemento de
conmutación conectado entre un extremo de la bobina del primario del
transformador convertidor y tierra, un segundo elemento de
conmutación conectado entre el otro extremo de la bobina del
primario y tierra, comprendiendo además el circuito de regeneración
de potencia al menos un elemento de carga/descarga conectado en
paralelo a la parte de la bobina comprendida entre un extremo e la
bobina del primario y la toma intermedia, y un trayecto de
carga/descarga que forma un circuito cerrado de la parte de la
bobina y el elemento de carga/descarga en respuesta a la
transición, al estado de fuera de conducción, de uno de los
elementos de conmutación conectado a un extremo de la bobina del
primario.
El documento JP 58044520 A describe, además: Un
circuito de regeneración de potencia para un sistema de conversión
de potencia que comprende un transformador convertidor que tiene una
toma intermedia de la bobina del primario, un primer elemento de
conmutación conectado entre un extremo de la bobina del primario del
transformador convertidor y tierra, un segundo elemento de
conmutación conectado entre el otro extremo de la bobina del
primario y tierra, comprendiendo además el circuito de regeneración
de potencia, al menos, un primer elemento de carga/descarga
conectado en paralelo a una primera parte de la bobina, entre un
extremo de la bobina del primario y la toma intermedia, un segundo
elemento de carga/descarga conectado en paralelo a una segunda parte
de la bobina, entre el otro extremo de la bobina del primario y la
toma intermedia, un primer trayecto de carga/descarga que forma un
circuito cerrado de la primera parte de la bobina y el primer
elemento de carga/descarga en respuesta a la transición del primer
elemento de conmutación al estado de fuera de conducción, y un
segundo trayecto de carga/descarga que forma un circuito cerrado de
la segunda parte de la bobina y el segundo elemento de
carga/descarga en respuesta a la transición del segundo elemento de
conmutación al estado de fuera de conducción.
En consecuencia, un objeto de este invento es,
por una parte, suprimir el voltaje de choque generado cuando el
primero o el segundo elementos de conmutación son puestos fuera de
conducción desde el estado de conducción y, por otra parte, reducir
la pérdida de energía que acompaña a la supresión del voltaje de
choque a fin de mejorar, por tanto, la eficacia de la conversión de
potencia.
El invento es como se reivindica en las
reivindicaciones 1 a 3.
El transformador convertidor puede adoptar
cualquier forma en tanto tenga, al menos, una toma intermedia en el
lado de la bobina del primario.
La fuente de voltaje de corriente continua no
debe interpretarse, en forma limitativa, como una pila tal como la
pila del primario o la pila del secundario, sino que puede adoptar
cualquier forma que genere una corriente continua. En este caso, la
fuente de voltaje de corriente continua puede estar integrada con el
sistema de conversión de potencia de acuerdo con el invento o estar
unidad exteriormente como una unidad independiente.
El elemento de carga/descarga, que es un
condensador, puede ser cualquier otro dispositivo que cumpla la
función de almacenar la carga.
El condensador alisador puede ser un elemento
que adopte cualquier forma que cumpla la función de alisamiento
capaz de conversión en corriente continua por supresión de la
variación de voltaje de la fuente de voltaje de corriente
continua.
De acuerdo con el invento, la energía generada
en una parte de extremo del transformador convertidor cuando el
primero y el segundo elementos de conmutación son puestos fuera de
conducción, puede suprimirse cargando el elemento de
carga/descarga, mientras que la energía cargada en el elemento de
carga/descarga puede cargarse en el condensador alisador. La
energía cargada en el condensador alisador puede reutilizarse en
forma de corriente que circule en el transformador convertidor,
haciendo posible así mejorar notablemente la eficacia de la
conversión de potencia.
De acuerdo con el invento, la energía generada
en uno o en otro extremos de la bobina del primario del
transformador convertidor cuando el primero y el segundo elementos
de conmutación son puestos fuera de conducción desde el estado de
conducción, puede suprimirse cargando el primero y el segundo
elementos de carga/descarga. Por otra parte, la energía cargada en
el primero y en el segundo elementos de carga/descarga, puede
cargarse en el condensador alisador. La energía cargada en el
condensador alisador puede reutilizarse en forma de corriente que
circule en el transformador convertidor, haciendo así posible
mejorar de manera notable la eficacia de la conversión de
potencia.
potencia.
Incidentalmente, un diodo que tenga directividad
de conducción está disponible como elemento conductor para
constituir el trayecto de carga/descarga. No obstante, el elemento
conductor no debe interpretarse en forma limitativa tal como un
diodo, sino que como tal puede emplearse un elemento con cualquier
configuración, eléctrico o mecánico, que tenga tal función de
conducción para constituir el trayecto de carga/descarga con
independencia de si posee, o no, directividad de conducción.
La Fig. 1 es un diagrama de circuito de un
convertidor en contrafase de acuerdo con una realización del
invento;
la Fig. 2 es un diagrama que muestra las formas
de onda, en funcionamiento, del circuito representado en la Fig.
1;
las Figs. 3A y 3B son diagramas para explicar el
funcionamiento de las partes esenciales de la Fig. 1 y, de ellas,
la 3A se refiere a un caso en el que el primer condensador de
protección del primer circuito de protección se carga mientras se
descarga el segundo condensador de protección del segundo circuito
de protección, y la 3B se refiere a un caso en que se descarga el
primer condensador de protección del primer circuito de protección
mientras se carga el segundo condensador de protección del segundo
circuito de protección;
la Fig. 4 es un diagrama de formas de onda para
explicar el funcionamiento de la Fig. 3;
la Fig. 5 es un diagrama de circuito que muestra
un convertidor en contrafase de acuerdo con otra realización del
invento;
la Fig. 6 es un diagrama de formas de onda para
explicar el funcionamiento de la Fig. 5;
la Fig. 7 es un diagrama de circuito que ilustra
el convertidor en contrafase usual; y
la Fig. 8 es un diagrama que muestra las formas
de onda en funcionamiento del circuito representado en la Fig.
7.
Este invento se describirá con detalle en lo que
sigue con referencia a las realizaciones mostradas en los
dibujos.
La Fig. 1 es un diagrama de circuito general que
muestra un convertidor en contrafase como sistema de conversión de
potencia de acuerdo con una realización del invento. La Fig. 2 es un
diagrama que muestra la forma de onda en funcionamiento del
convertidor en contrafase en conjunto ilustrado en la Fig. 1. La
Fig. 3 es un diagrama de circuito de las partes esenciales del
convertidor en contrafase representado en la Fig. 1. La Fig. 4 es
un diagrama que muestra la forma de onda en funcionamiento de los
circuitos de las partes esenciales mostradas en la Fig. 3. En estos
diagramas, las partes componentes correspondientes a las ilustradas
en las Figs. 7 y 8 están designadas con los mismos números de
referencia, respectivamente.
Haciendo referencia a estos diagramas, FET1
designa un primer elemento de conmutación, FET2 un segundo elemento
de conmutación, T un transformador convertidor, Ventrada una fuente
de voltaje de corriente continua, D1, D2 son diodos de
rectificación, L es una bobina de reactancia, C1 un primer
condensador alisador y C2 un segundo condensador alisador.
El primer elemento de conmutación FET1, que es
puesto en conducción por aplicación al mismo de un voltaje VG1 de
mando de alto valor, está conectado en serie entre un extremo a1 de
la bobina FN del primario del transformador convertidor T y
tierra.
El segundo elemento de conmutación FET2, que
está destinado a ser puesto en conducción por aplicación al mismo
de un voltaje VG2 de mando de alto valor, está conectado en serie
entre el otro extremo a2 de la bobina FN del primario del
transformador convertidor T y tierra.
El transformador convertidor T tiene la bobina
FN del primario y la bobina SN del secundario. La bobina FN del
primario del transformador convertidor, en presencia de una toma
intermedia IT1, tiene una parte FN1 de bobina comprendida entre la
toma intermedia IT1 y un extremo a1 y una parte FN2 de bobina
comprendida entre la toma intermedia IT2 y el otro extremo a2.
Incidentalmente, estas bobinas están arrolladas en la rama central
de un par de núcleos de ferrita en forma de en relación de oposición
mutua, no mostrada. Como resultado, la energía almacenada en la
inductancia del transformador convertidor T se almacena, en su mayor
parte, en los núcleos de ferrita. Por tanto, como se describe más
adelante, independientemente de cuál de las partes FN1 o FN2, de la
bobina FN del primario, se utilice para regenerar energía, se
regenera la misma energía almacenada en los núcleos de
ferrita.
ferrita.
La fuente Ventrada de voltaje de corriente
continua está conectada entre la toma intermedia IT1 del
transformador convertidor T y tierra. El polo positivo de la fuente
Ventrada de voltaje de corriente continua está conectado a la toma
intermedia IT1 y su polo negativo a tierra. El primer condensador
alisador C1 está conectado en paralelo con la fuente Ventrada de
voltaje de corriente continua. En la bobina FN del primario del
transformador convertidor T, el número de espiras de la primera
parte FN1 de la bobina es igual al número de espiras de la segunda
parte FN2 de la bobina.
La bobina SN del secundario del transformador
convertidor T tiene, también, una toma intermedia IT2. Ambos
extremos de la bobina SN del secundario del transformador
convertidor T están conectados, por una parte, entre sí mediante un
primer diodo de rectificación D1 y un segundo diodo de rectificación
D2, respectivamente, y al terminal de salida SALIDA1 a través de
una bobina de reactancia L, por otra parte. La toma intermedia IT2
del transformador convertidor T está conectada al otro terminal de
salida SALIDA2. El segundo condensador alisador C2 está conectado
en paralelo entre los dos terminales de salida SALIDA1 y
SALIDA2.
SC1 designa un primer circuito de protección, y
SC2 un segundo circuito de protección. Los dos circuitos de
protección, SC1 y SC2, constituyen un circuito de regeneración de
potencia para el convertidor en contrafase de acuerdo con esta
realización. Incidentalmente, este circuito de regeneración de
potencia puede denominarse circuito de supresión del voltaje de
choque, desde el punto de vista de la supresión del voltaje de
choque y, por tanto, de acuerdo con este invento, su denominación
no está limitada.
El primer circuito de protección SC1 incluye un
primer condensador de protección C3 como primer elemento de
carga/descarga conectado en paralelo a la parte FN1 de bobina de la
bobina FN del primario del transformador convertidor T, un primer
diodo de protección D3 como elemento conductor conectado entre el
primer condensador de protección C3 y la toma intermedia IT1 y
destinado a conducir en respuesta al aumento de voltaje en un
extremo a1 de la bobina FN del primario, y un segundo diodo de
protección D4 como elemento conductor conectado entre una primera
unión, b1, entre el primer condensador de protección C3 y el primer
diodo de protección D3 y el lado de tierra (el lado de tierra
compartido por el primer condensador alisador C1 y todos los lados
de tierra mencionados en lo que sigue son el mismo lado de tierra) y
destinado a conducir en respuesta a la caída de voltaje a través de
la primera unión b1. El primer diodo de protección D3 y el segundo
diodo de protección D4 constituyen un primer trayecto de
carga/descarga que carga el primer condensador de protección C3 con
la energía almacenada en la bobina FN del primario cuando el primer
elemento de conmutación FET1 es puesto fuera de conducción desde un
estado de conducción, y carga el primer condensador alisador C1 con
la energía cargada cuando el segundo elemento de conmutación FET2
es puesto fuera de conducción desde un estado de conducción.
El segundo circuito de protección SC2 incluye un
segundo condensador de protección C4 como segundo elemento de
carga/descarga conectado en paralelo con la parte FN2 de bobina de
la bobina FN del primario del transformador convertidor T, un
tercer diodo de protección D5 como elemento conductor conectado
entre el segundo condensador de protección C4 y la toma intermedia
IT1 y destinado a conducir en respuesta al aumento de voltaje del
otro extremo a2 de la bobina FN del primario, y un cuarto diodo de
protección D6 como elemento conductor conectado entre una segunda
unión b2 entre el segundo condensador de protección C4 y el tercer
diodo de protección D5 y el lado de tierra del primer condensador
alisador C1 y destinado a conducir en respuesta a la caída de
voltaje a través de la segunda unión b2. El tercer diodo de
protección D5 y el cuarto diodo de protección D6 constituye un
segundo trayecto de carga/descarga que carga el segundo condensador
de protección C4 con la energía almacenada en la bobina FN del
primario cuando el segundo elemento de conmutación FET2 es puesto
fuera de conducción desde un estado de conducción y carga el primer
condensador alisador C1 con la energía cargada cuando el primer
elemento de conmutación FET1 es puesto fuera de conducción desde un
estado de conducción.
Con referencia a la Fig. 2, se explicará el
funcionamiento del convertidor en contrafase con la configuración
antes mencionada. En la Fig. 2, VG1 designa un voltaje de mando del
primer elemento de conmutación FET1, VG2 un segundo voltaje de
mando del segundo elemento de conmutación FET2, Vd2 un voltaje de
salida del segundo elemento de conmutación FET2, Vd1 un voltaje de
salida del primer elemento de conmutación FET1, Id1 una corriente
de salida del primer elemento de conmutación FET1, Id2 una corriente
de salida del segundo elemento de conmutación FET2, VS1 un voltaje
en un extremo de la bobina SN del secundario del transformador
convertidor T, VS2 un voltaje en el otro extremo de la bobina SN
del secundario del transformador convertidor T, Vsalida el voltaje
de salida entre los terminales de salida SALIDA1, SALIDA2, e IL la
intensidad de salida que circula en la bobina de reactancia L. El
valor alto de la forma de onda indica un estado activo.
El primer elemento de conmutación FET1 y el
segundo elemento de conmutación FET2 son puestos en conducción en
respuesta al crecimiento hasta un valor alto del primer voltaje de
mando VG1 y del segundo voltaje de mando VG2, respectivamente,
aplicados a los electrodos de mando de los respectivos elementos de
conmutación. El primer elemento de conmutación FET1 y el segundo
elemento de conmutación FET2 son puestos fuera de conducción en
respuesta a la caída hasta un valor bajo del primer voltaje de mando
VG1 y del segundo voltaje de mando VG2, respectivamente, aplicados
a los electrodos de mando de los respectivos elementos de
conmutación. De este modo, el primer elemento de conmutación FET1 y
el segundo elemento de conmutación FET2 funcionan en respuesta al
cambio del primer voltaje de mando VG1 y del segundo voltaje de
mando VG2, respectivamente, como se muestra en la Fig. 2. Dicho de
otro modo, en la Fig. 2, el primer elemento de conmutación FET1 y el
segundo elemento de conmutación FET2 son puestos fuera de
conducción alternativamente excepto durante un período intermedio,
en el que ambos están fuera de conducción.
El caso en que tanto el primer elemento de
conmutación FET1 como el segundo elemento de conmutación FET2 están
fuera de conducción. En la bobina FN del primario del transformador
convertidor T, se supone que el voltaje a través de la parte FN1 de
bobina, desde la toma intermedia IT1 hasta un extremo a1 de la
misma, está designado con Vp1 y el voltaje a través de la parte FN2
de bobina, desde la toma intermedia IT1 de la bobina FN del
primario del transformador convertidor T hasta el otro extremo a2,
está designado con Vp2.
Entonces, las intensidades de salida Id1, Id2 no
circulan en el primer elemento de conmutación FET1 ni en el segundo
elemento de conmutación FET2. Por tanto, sus voltajes de salida Vd1,
Vd2 adoptan el valor de la fuente Ventrada de voltaje de corriente
continua, es decir, se mantiene la relación Vd1 = Vd2 =
Ventrada.
A continuación, se explicará el caso en que el
primer elemento de conmutación FET1 es puesto en conducción después
de haber transcurrido el período de fuera de conducción del primer
elemento de conmutación FET1 y del segundo elemento de conmutación
FET2. En el proceso, el voltaje de salida Vd1 del primer elemento de
conmutación FET1 es cero. Por tanto, el voltaje Vp1 de bobina
adopta el valor -Ventrada, mientras que el otro voltaje Vp2 de
bobina adopta la polaridad contraria al voltaje Vp1 de bobina, con
el resultado de que -Vp1 = Ventrada. Dicho de otro modo, el voltaje
de salida Vd2 del segundo elemento de conmutación FET2 viene dado
por Ventrada + Vp2 = Ventrada + Ventrada = 2Ventrada.
Lo contrario es cierto en el caso en que el
segundo elemento de conmutación FET2 sea puesto en conducción tras
el período de fuera de conducción de ambos elementos de conmutación,
primero y segundo, FET1 y FET2. En otras palabras, el voltaje de
salida Vd1 del primer elemento de conmutación FET1 se hace igual a
2Ventrada. Al mismo tiempo, el voltaje de salida Vd1 del segundo
elemento de conmutación FET2 es cero.
\newpage
De esta forma, los voltajes de salida Vd1, Vd2
del primer elemento de conmutación FET1 y del segundo elemento de
conmutación FET2, son cambiados a cero, Ventrada, V2entrada, y las
intensidades de salida Id1, Id2 circulan, también, en forma
correspondiente.
Los voltajes de bobina VS1, VS2 de la bobina SN
del secundario del transformador convertidor T, tras haber sido
rectificados por los diodos de rectificación D1, D2, son alisados
por la bobina de reactancia L y el segundo condensador alisador C2
y salen como voltaje de salida Vsalida entre los terminales de
salida SALIDA1, SALIDA2. En el proceso, la intensidad de salida IL
que circula por la bobina de reactancia L, sufre un cambio como se
muestra en la Fig. 2.
En la Fig. 2, cuando el primer elemento de
conmutación FET1 y el segundo elemento de conmutación FET2 son
hechos pasar de conducción a fuera de conducción, sus voltajes de
salida Vd1, Vd2 se disparan. En el caso de que solamente el primer
elemento de conmutación FET1 fuese puesto en conducción desde el
estado en que tanto el primero FET1 como el segundo FET2 elementos
de conmutación estaban fuera de conducción, por ejemplo, la
corriente de la fuente Ventrada de voltaje de corriente continua
pasa por la bobina FN del primario del transformador convertidor T
y, además, circula a tierra por el circuito de
entrada-salida del primer elemento de conmutación
FET1. En el proceso, la energía correspondiente al paso de corriente
se almacena en el componente de inductancia de la parte FN1 de la
bobina. Como resultado, el primer elemento de conmutación FET1 es
hecho pasar de conducción a fuera de conducción y en el momento en
que el primer elemento de conmutación FET1 y el segundo elemento de
conmutación FET2 son, ambos, puestos fuera de conducción, la energía
almacenada en el componente de inductancia de la parte FN1 de la
bobina, tiende a descargarse generándose un voltaje elevado. Sin
embargo, como el primer elemento de conmutación FET1 y el segundo
elemento de conmutación FET2 están, ambos, fuera de conducción, no
circula corriente de salida Id1, Id2 y, por tanto, los voltajes de
salida Vd1, Vd2 adoptarán el valor de la fuente Ventrada de voltaje
de corriente continua, es decir, debe mantenerse la relación Vd1 =
Vd2 = Ventrada. Sin embargo, el voltaje de salida Vd1 del primer
elemento de conmutación FET1 se dispara por encima del valor de
Ventrada debido a la energía generada. Por otro lado, la parte FN2
de bobina genera la misma magnitud de voltaje con polaridad opuesta
que la parte FN1 de la bobina, con el resultado de que el voltaje
de salida Vd2 del segundo elemento de conmutación FET2 disminuye
excesivamente. Este crecimiento excesivo es realmente difícil de
suprimir por completo. La Fig. 2 muestra el estado en que la
magnitud del crecimiento excesivo es suprimida por los circuitos de
protección SC1, SC2 de acuerdo con esta realización, es decir, es
suprimida para que no sea mayor que 2Ventrada cuando el primer
elemento de conmutación FET1 y el segundo elemento de conmutación
FET2 no con perforados.
A continuación, se explicará el funcionamiento
del primero y del segundo circuitos de protección Sc1, Sc2, de
acuerdo con esta realización, con referencia a las Figs. 1, 2 y, en
especial, a las Figs. 3A, 3B y 4. La Fig. 3A muestra un trayecto de
carga/descarga de las partes esenciales en el caso en que el primer
elemento de conmutación FET1 es hecho pasar de conducción a fuera
de conducción, y la Fig. 3B ilustra un trayecto de carga/descarga
de las partes esenciales en el caso en que el segundo elemento de
conmutación FET2 es hecho pasar de conducción a fuera de
conducción.
En la Fig. 4, VG1, VG2, Vd1, Vd2 designan las
mismas formas de onda de voltaje descritas en lo que antecede, que
sufren los mismos cambios que se han descrito en lo que antecede y,
por tanto, no se describirán en lo que sigue. Ic1 designa una
intensidad que circula en el primer condensador de protección C3 del
primer circuito de protección SC1, Ic2 una intensidad que circula
en el segundo condensador de protección C4 del segundo circuito de
protección SC2, Ir1 una intensidad que circula en el segundo diodo
de protección D4 del primer circuito de protección SC1, e Ir2 una
intensidad que circula en el cuarto diodo de protección D6 del
segundo circuito de protección SC2.
(1) Cuando el primer elemento de conmutación
FET1 está en conducción mientras el segundo elemento de conmutación
FET2 está fuera de conducción (período [1] en la Fig. 4).
Durante el período [1] en que el primer voltaje
de mando VG1 aumenta hasta un valor alto de manera que el primer
elemento de conmutación FET1 es puesto en conducción mientras el
segundo voltaje de mando VG2 cae hasta un valor bajo para poner,
por tanto, fuera de conducción, el segundo elemento de conmutación
FET2, el voltaje de salida Vd1 del primer elemento de conmutación
FET1 se hace cero mientras el voltaje de salida del segundo
elemento de conmutación FET2 se hace igual a 2Ventrada.
En esta condición, el segundo condensador de
protección C4 del segundo circuito de protección SC2 se carga con
Vc2 = Ventrada.
Se explicará esta operación de carga. En el
estado anterior al período [1] en que el primer elemento de
conmutación FET1 y el segundo elemento de conmutación FET2 están,
ambos, fuera de conducción, los voltajes de salida Vd1, Vd2 tienen,
ambos, el valor Ventrada. En esta condición, en el momento en que el
primer elemento de conmutación FET1 es hecho pasar de fuera de
conducción a un estado de conducción y se pasa al período [1], el
voltaje de salida Vd1 del primer elemento de conmutación FET1 se
hace cero, mientras que el voltaje de salida Vd2 del segundo
elemento de conmutación FET2 pasa a ser 2Ventrada. Como resultado,
el segundo condensador de protección C4 del segundo circuito de
protección SC2 es cargado a Vc2 = Ventrada por la corriente Ic2 que
circula en la dirección de la flecha en la Fig. 1. En este caso, el
segundo condensador de protección C4 es cargado en una dirección
tal que un electrodo del mismo, es decir, el otro extremo a2 de la
bobina FN del primario del transformador convertidor T adopta un
potencial elevado.
(2) Cuando el segundo elemento de conmutación
FET2 es mantenido fuera de conducción mientras el primer elemento
de conmutación FET1 es hecho pasar de conducción a fuera de
conducción como se describe en (1) (en el momento del cambio del
período [1] al período [2]).
En el instante en que se produce este cambio,
por la razón descrita en lo que antecede, el voltaje de salida Vd1
del primer elemento de conmutación FET1 se dispara y tiende a
cambiar a un voltaje de 2Ventrada o mayor, mientras que el voltaje
de salida Vd2 del segundo elemento de conmutación FET2, cae
excesivamente, hasta casi cero.
En consecuencia, el voltaje en un extremo a1 de
la bobina FN del primario del transformador convertidor T asciende
hasta un valor alto de manera que el primer diodo de protección D3
del primer circuito de protección SC1 empieza a conducir. Como
resultado de ello, se forma un trayecto de carga (circuito cerrado)
LP1 en la dirección de la flecha mostrada en la Fig. 3A, con la
primera parte FN1 de la bobina del transformador convertidor T, el
primer condensador de protección C3 y el primer diodo de protección
D3. El primer condensador de protección C3 es cargado con la
corriente de carga Ic1 en el trayecto de carga LP1.
Por otra parte, el segundo condensador de
protección C4 del segundo circuito de protección SC2 es cargado a
Vc2 = Ventrada. Por tanto, cuando el voltaje en el otro extremo a2
de la bobina FN del primario cae hasta casi cero debido a la
disminución excesiva, el voltaje en el otro electrodo del segundo
condensador de protección C4, es decir, el voltaje en la unión j2,
cae hasta -Ventrada. Como resultado de ello, el cuarto diodo de
protección D6 empieza a conducir, de manera que se forma,
similarmente, un trayecto de descarga (circuito cerrado) LP2 en la
dirección de la flecha ilustrada en la Fig. 3A, con el segundo
condensador de protección C4, la segunda parte FN2 de la bobina, el
primer condensador alisador C1, el cuarto diodo de protección D6 y
el segundo condensador de protección C4. Así, circula una corriente
Ir2 al segundo condensador de protección C4 a través del cuarto
diodo de protección C6, descargándose, por tanto, el segundo
condensador de protección C4. En consecuencia, el sobreimpulso del
voltaje de salida Vd1 del primer elemento de conmutación FET1, es
suprimido por un voltaje al cual el primer elemento de conmutación
FET1 está libre de perforación. Al mismo tiempo, el voltaje de
choque suprimido es regenerado como energía en el primer
condensador alisador C1.
Se explicará con mayor detalle esta regeneración
de energía.
El primer circuito de protección SC1 y el
segundo circuito de protección SC2 no están destinados a eliminar
por completo el voltaje de choque sino a limitarlo para que no sea
mayor que el voltaje no disruptivo del primer elemento de
conmutación FET1 y el segundo elemento de conmutación FET2,
respectivamente. En el circuito de protección usual configurado por
una resistencia de protección y un condensador de protección en
serie, la mayor parte de la corriente de carga y descarga del
condensador de protección, es convertida en energía térmica y
consumida por la resistencia de protección. Esta energía consumida
constituye un consumo de potencia que se desperdicia y reduce la
eficacia de la conversión de potencia.
(3) Período [2] posterior a la transición de
estado (2) anterior.
Durante este período [2], tanto el primer
voltaje de mando VG1 como el segundo voltaje de mando VG2 se reducen
a valores bajos, de manera que el primero FET1 y el segundo FET2
elementos de conmutación son puestos fuera de conducción. Asimismo,
durante este período [2], el voltaje de salida Vd1 del primer
elemento de conmutación FET1 y del segundo elemento de conmutación
FET2 adoptan, ambos, el valor Ventrada.
(4) Período [3] posterior al estado (3)
anterior.
Durante este período, es válido lo contrario que
para el período [1] estado (1), y el segundo voltaje de mando VG2
crece hasta un valor alto. El segundo elemento de conmutación FET2
es puesto en conducción y el voltaje de salida Vd2 del segundo
elemento de conmutación FET2 se hace cero, mientras que el voltaje
de salida Vd1 del primer elemento de conmutación FET1 se hace igual
a 2Ventrada. En esta condición, el primer condensador amortiguador
C3 del primer circuito amortiguador SC1 se carga a Vc2 =
Ventrada.
(5) Cuando el primer elemento de conmutación
FET1 es mantenido fuera de conducción y el segundo elemento de
conmutación FET2 es llevado a fuera de conducción desde el estado de
conducción de (4) (transición del período [3] al período [4]).
En este caso, el funcionamiento es a la inversa
que para el estado (2) anterior. Específicamente, el voltaje de
salida Vd1 del segundo elemento de conmutación FET2 crece
excesivamente y tiende a cambiar a un voltaje mayor que 2Ventrada,
mientras que el voltaje de salida Vd2 del primer elemento de
conmutación cae excesivamente, hasta casi cero.
Como resultado de ello, el voltaje en el otro
extremo a2 de la bobina FN del primario del transformador
convertidor T crece hasta un valor alto, y el segundo diodo
amortiguador D5 del segundo circuito amortiguador SC1 empieza a
conducir. Así, se forma un trayecto de carga (circuito cerrado) LP3
en la dirección de la flecha de la Fig. 3B, con la parte FN2 de la
bobina del transformador convertidor T, el segundo condensador
amortiguador C4 y el tercer diodo amortiguador D5. De este modo, el
segundo condensador amortiguador C4 es cargado por la corriente de
carga Ic2.
Por otro lado, el primer condensador
amortiguador C3 del primer circuito amortiguador SC1, es cargado a
Vc1 = Ventrada. Por tanto, cuando el voltaje en un extremo a1 de la
bobina FN del primario cae hasta casi cero debido a una disminución
excesiva, el voltaje del otro electrodo del primer condensador
amortiguador C3, es decir, el voltaje en la unión d1, cae hasta
-Ventrada. A consecuencia de ello, empieza a conducir el segundo
diodo amortiguador D4. Así, se forma un trayecto de descarga
(circuito cerrado) LP4 en la dirección de la flecha como se muestra
en la Fig. 3B, con el primer condensador amortiguador C3, la primera
parte FN1 de la bobina, el primer condensador alisador C1 y el
segundo diodo amortiguador D4. De este modo, una corriente Ir1
circula al primer condensador amortiguador C3 a través del segundo
diodo amortiguador D4, de manera que el primer condensador
amortiguador C3 es descargado y esta energía de descarga es
almacenada en el primer condensador alisador C1. Consiguientemente,
el crecimiento excesivo del voltaje de salida Vd2 del segundo
elemento de conmutación FET2 es limitado a un voltaje de valor tal
que no origine la perforación del segundo elemento de conmutación
FET2, al mismo tiempo que el voltaje de choque suprimido es
regenerado como energía en el primer condensador alisador C1.
De acuerdo con esta realización, la corriente de
descarga del primer condensador amortiguador C3 y del segundo
condensador amortiguador C4 del primer circuito amortiguador SC1 y
del segundo circuito amortiguador SC2, respectivamente, se cargan
en el primer condensador alisador C1. La carga almacenada en el
primer condensador alisador C1 es reutilizada en forma de corriente
que circula en el transformador convertidor T en la próxima ocasión
en que el primer elemento de conmutación FET1 o el segundo elemento
de conmutación FET2 sean puestos en conducción.
Como se ha descrito en lo que antecede, de
acuerdo con esta realización, el instante en que el primer elemento
de conmutación FET1 o el segundo elemento de conmutación FET2 pasan
de estar en conducción a un estado de fuera de conducción, el
crecimiento excesivo de sus voltajes de salida Vd1, Vd2 es limitado
a por debajo de un voltaje predeterminado, al mismo tiempo que el
voltaje suprimido es regenerado en forma de energía, mejorándose
así la eficacia de la conversión de potencia.
La Fig. 5 es un diagrama de circuito general que
muestra un convertidor de contrafase de acuerdo con otra
realización del invento, y la Fig. 6 ilustra las formas de onda en
funcionamiento, en forma agrandada, de partes esenciales del
circuito representado en la Fig. 5. En la Fig. 5, las partes
componentes correspondientes a las de la Fig. 1 están designadas
con los mismos números de referencia, respectivamente, y no se
describirán en lo que sigue. La configuración que constituye la
característica de esta realización consiste en que un condensador
está conectado en paralelo a cada uno del segundo y el cuarto diodos
amortiguadores del primer circuito amortiguador SC1 y el segundo
circuito amortiguador SC2, respectivamente.
En la Fig. 6, Ic1, Ic1' designan la corriente
que circula en el primer condensador amortiguador C3 del primer
circuito amortiguador SC1 en las Figs. 1 y 4, respectivamente, e
Ir1, Ir1' la corriente que circula en el segundo diodo amortiguador
D3 del primer circuito amortiguador SC1 en las Figs. 1 y 4,
respectivamente. Aunque no se muestra en la Fig. 6, la corriente
Ic2' que circula en el segundo condensador amortiguador C4 del
segundo circuito amortiguador SC2 ilustrado en la Fig. 5, está
desfasada en 180 grados con respecto a la corriente Ic1', mientras
que la corriente Ir2' que circula en el cuarto diodo amortiguador D6
del segundo circuito amortiguador SC2 mostrado en la Fig. 5, está
desfasada en 180 respecto de la corriente Ir1'.
En el circuito de la Fig. 5, el instante en que
el primer elemento de conmutación FET1 y el segundo elemento de
conmutación FET2 son llevados del estado de conducción al de fuera
de conducción, empieza a circular la corriente Ir1', Ir2',
respectivamente, para regeneración de energía, dando como resultado
una supresión correspondientemente más rápida del voltaje de
choque. Por esta razón, deseablemente se utilizan MOSFET, cuyo
comportamiento es superior, como primer elemento de conmutación
FET1 y como segundo elemento de conmutación FET2.
De acuerdo con este invento, la pérdida de
energía se reduce para suprimir el voltaje de choque, mejorándose
así la eficacia de la conversión de potencia.
Claims (3)
1. Un circuito (SC1, SC2) de regeneración de
potencia para un sistema de conversión de potencia, cuyo sistema de
conversión de potencia comprende un transformador convertidor con
una toma intermedia (IT1) de la bobina (FN) del primario, un primer
elemento de conmutación (FET1) conectado entre un extremo de la
bobina del primario del transformador convertidor y tierra, un
segundo elemento de conmutación (FET2) conectado entre el otro
extremo de la bobina del primario y tierra, y un condensador
alisador (C1) conectado en paralelo con una fuente (Ventrada) de
voltaje de corriente continua, entre la toma intermedia (IT1) de la
bobina (FN) del primario del transformador convertidor y tierra,
utilizándose el circuito de regeneración de potencia para la
regeneración de potencia del sistema de conversión de potencia
cuando los elementos de conmutación (FET1, FET2) son puestos en
conducción/fuera de conducción alternativamente con un período
intermedio de puesta fuera de conducción de los elementos de
conmutación, comprendiendo el circuito de regeneración de potencia,
al menos
un elemento (C3) de carga/descarga conectado en
paralelo a la parte (FN1, FN2) de la bobina, entre un extremo de la
bobina (FN) del primario y la toma intermedia (ITN), y
un trayecto de carga/descarga que forma un
primer circuito cerrado con la parte (FN1) de la bobina, el elemento
(C3) de carga/descarga y, al menos, un elemento conductor (D3) en
respuesta a la transición de uno (FET1) de los elementos de
conmutación (FET1, FET2), conectado a un extremo de la bobina (FN)
del primario, al estado de fuera de conducción, estando dicho al
menos un elemento conductor (D3) conectado entre el elemento (C3)
de carga/descarga y la toma intermedia (ITN) de la bobina (FN) del
primario y destinado a conducir en respuesta al incremento de
voltaje en un extremo de la bobina del primario,
formando dicho trayecto de carga/descarga un
segundo circuito cerrado con, al menos, otro elemento conductor
(D4), el elemento (C3) de carga/descarga, la parte (FN1) de la
bobina y el condensador alisador (C1) en respuesta a la transición
del otro elemento de conmutación (FET2) al estado de fuera de
conducción, estando dicho al menos otro elemento conductor (D4)
conectado entre la unión del elemento (C3) de carga/descarga y dicho
al menos un elemento conductor (D3) y el lado de tierra del
condensador alisador (C1) y destinado a conducir en respuesta a una
caída de voltaje en la unión.
2. Un circuito (SC1, SC2) de regeneración de
potencia para un sistema de conversión de potencia, comprendiendo
el sistema de conversión de potencia un transformador convertidor
con una toma intermedia (IT1) de la bobina (FN) del primario, un
primer elemento de conmutación (FET1) conectado entre un extremo de
la bobina del primario del transformador convertidor y tierra, un
segundo elemento de conmutación (FET2) conectado entre el otro
extremo de la bobina del primario y tierra, y un condensador
alisador (C1) conectado en paralelo con una fuente (Ventrada) de
voltaje de corriente continua, entre la toma intermedia (IT1) de la
bobina (FN) del primario del transformador convertidor y tierra,
utilizándose el circuito de regeneración de potencia para la
regeneración de potencia del sistema de conversión de potencia
cuando los elementos de conmutación (FET1, FET2) son puestos en
conducción/fuera de conducción alternativamente con un período
intermedio de puesta fuera de conducción de los elementos de
conmutación, comprendiendo el circuito de regeneración de potencia,
al menos
un primer elemento (C3) de carga/descarga
conectado en paralelo con una primera parte (FN1) de la bobina,
entre un extremo de la bobina (FN) del primario y la toma intermedia
(IT1),
un segundo elemento (C4) de carga/descarga
conectado en paralelo con una segunda parte (FN2) de la bobina,
entre el otro extremo de la bobina (FN) del primario y la toma
intermedia (IT1),
un primer trayecto de carga/descarga que forma
un primer circuito cerrado con la primera parte (FN1) de la bobina,
el primer elemento (C3) de carga/descarga y un primer elemento
conductor (D3) en respuesta a la transición del primer elemento de
conmutación (FET1) al estado de fuera de conducción, estando dicho
primer elemento conductor (D3) conectado entre el primer elemento
de carga/descarga (C3) y la toma intermedia (IT1) de la bobina (FN)
del primario y destinado a conducir en respuesta al incremento de
voltaje en un extremo de la bobina del primario,
formando dicho primer trayecto de descarga un
segundo circuito cerrado con un segundo elemento conductor (D4), el
primer elemento (C3) de carga/descarga, la primera parte (FN1) de la
bobina y el condensador alisador (C1) en respuesta a la transición
del segundo elemento de conmutación al estado de fuera de
conducción, estando dicho segundo elemento conductor (D4) conectado
entre una primera unión del primer elemento (C3) de carga/descarga
y el primer elemento conductor (D3) y el lado de tierra del
condensador alisador (C1) y destinado a conducir en respuesta a una
caída de voltaje en la unión, y
un segundo trayecto de carga/descarga que forma
un tercer circuito cerrado con la segunda parte (FN2) de la bobina,
el segundo elemento (C4) de carga/descarga y un tercer elemento
conductor (D5) en respuesta a la transición del segundo elemento de
conmutación al estado de fuera de conducción, estando dicho tercer
elemento conductor (D5) conectado entre el segundo elemento (C4) de
carga/descarga y la toma intermedia (IT1) de la bobina (FN del
primario y destinado a conducir en respuesta al incremento de
voltaje en el otro extremo de la bobina del primario,
\newpage
formando también dicho segundo trayecto de
descarga un cuarto circuito cerrado con un cuarto elemento conductor
(D6), el segundo elemento (C4) de carga/descarga, la segunda parte
(FN2) de la bobina y el condensador alisador (C1) en respuesta a la
transición del primer elemento de conmutación al estado de fuera de
conducción, estando dicho cuarto elemento conductor (D6) conectado
entre una segunda unión del segundo elemento de carga/descarga (C4)
con el tercer elemento conductor (D5) y el lado de tierra del
condensador alisador (C1) y destinado a conducir en respuesta a la
caída de voltaje en la segunda unión.
3. Un sistema de conversión de potencia que
comprende un transformador convertidor con una toma intermedia
(IT1) de la bobina (FN) del primario, un primer elemento de
conmutación (FET1) conectado a un extremo de la bobina del primario
del transformador convertidor, un segundo elemento de conmutación
(FET2) conectado al otro extremo de la bobina del primario, y un
condensador alisador (C1) conectado en paralelo con una fuente
(Ventrada) de voltaje de corriente continua conectada a la toma
intermedia (IT1) de la bobina (FN) del primario del transformador
convertidor, poniendo el sistema de conversión de potencia,
alternativamente, a los elementos de conmutación en
conducción/fuera de conducción, con un período intermedio de puesta
fuera de conducción de ambos elementos de conmutación,
comprendiendo el sistema de conversión de potencia, además
un primer elemento (C3) de carga/descarga
conectado en paralelo con una primera parte (FN1) de la bobina,
entre un extremo de la bobina (FN) del primario y la toma intermedia
(IT1),
un segundo elemento (C4) de carga/descarga
conectado en paralelo con una segunda parte (FN2) de la bobina,
entre el otro extremo de la bobina (FN) del primario y la toma
intermedia (IT1),
un primer trayecto de carga/descarga que forma
un primer circuito cerrado con la primera parte (FN1) de la bobina,
el primer elemento (C3) de carga/descarga y un primer elemento
conductor (D3) en respuesta a la transición del primer elemento de
conmutación (FET1) al estado de fuera de conducción, estando dicho
primer elemento conductor (D3) conectado entre el primer elemento
de carga/descarga (C3) y la toma intermedia (IT1) de la bobina (FN)
del primario y destinado a conducir en respuesta al incremento de
voltaje en un extremo de la bobina del primario,
formando dicho primer trayecto de carga/descarga
un segundo circuito cerrado con un segundo elemento conductor (D4),
el primer elemento (C3) de carga/descarga, la primera parte (FN1) de
la bobina y el condensador alisador (C1) en respuesta a la
transición del segundo elemento de conmutación al estado de fuera de
conducción, estando dicho segundo elemento conductor conectado
entre una primera unión del primer elemento (C3) de carga/descarga
y el primer elemento conductor (D3) y el lado de tierra del
condensador alisador (C1) y destinado a conducir en respuesta a la
caída de voltaje en la primera unión, y
un segundo trayecto de carga/descarga que forma
un tercer circuito cerrado con la segunda parte (FN2) de la bobina,
el segundo elemento (C4) de carga/descarga y un tercer elemento
conductor (D5) en respuesta a la transición del segundo elemento de
conmutación al estado de fuera de conducción, estando dicho tercer
elemento conductor (D5) conectado entre el segundo elemento (C4) de
carga/descarga y la toma intermedia (IT1) de la bobina (FN) del
primario y destinado a conducir en respuesta al incremento de
voltaje en el otro extremo de la bobina del primario,
formando también dicho segundo trayecto de
descarga un cuarto circuito cerrado con un cuarto elemento conductor
(D6), el segundo elemento (C4) de carga/descarga, la segunda parte
(FN2) de la bobina y el condensador alisador (C1) en respuesta a la
transición del primer elemento de conmutación al estado de fuera de
conducción, estando dicho cuarto elemento conductor (D6) conectado
entre una segunda unión del segundo elemento de carga/descarga (C4)
con el tercer elemento conductor (D5) y el lado de tierra del
condensador alisador (C1) y destinado a conducir en respuesta a la
caída de voltaje en la segunda unión.
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