ES2309201T3 - Sistemas y metodos para modulacion de anchura de pulsos. - Google Patents
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Abstract
Un método para generar una señal de control modulada en anchura de impulso, que comprende las operaciones de: proporcionar un perfil de onda de portadora de base; segmentar dicho perfil de onda de portadora de base en una pluralidad de perfiles de onda de portadora individuales; proporcionar al menos una señal moduladora; comparar dicha pluralidad de perfiles de onda de portadora con dicha al menos una señal moduladora para producir una pluralidad de salidas de comparador; y combinar matemáticamente dicha pluralidad de salidas de comparador para producir una señal de control modulada en anchura de impulso.
Description
Sistemas y métodos para modulación de anchura de
pulsos.
La presente invención se refiere en general a
métodos y sistemas de modulación en anchura de impulsos
("PWM").
A modo de definición y como antecedente, una
señal PWM (modulada en anchura de impulsos) es aquélla en la que la
información está contenida en la anchura de cada impulso,
típicamente una cadena repetitiva de impulsos. Puede considerarse
una forma de señal analógica porque la información está contenida en
la duración en tiempo de un impulso, que varía continuamente, o en
pasos tan pequeños que son efectivamente continuos. Eso ha de ser
contrastado con una señal digital en la cual la información está
contenida en pasos discretos (tal como dos pasos para el binario) y
en la cual son asignados valores a las diversas posibilidades
discretas de combinación.
Muchos circuitos usan técnicas PWM para una
diversidad de fines. En un ejemplo, se usa PWM para controlar la
mayoría de tipos de convertidores de corriente continua en corriente
alterna, denominados inversores. Puede usarse control por PWM para
controlar inversores en cualquiera de una diversidad de aplicaciones
de inversor, con ejemplos que incluyen aplicaciones de alimentación
de corriente tales como fuentes de alimentación de corriente
ininterrumpibles y similares, aplicaciones de energía alternativa
tales como células de combustible, accionamientos de motor,
amplificadores de audio, y similares.
Existen muchos métodos conocidos para crear
señales PWM. Secuencias PWM convencionales pueden ser generadas,
por ejemplo, comparando una portadora triangular o en rampa con una
función moduladora. Típicamente, se crean señales que contienen
energía de conmutación de alta frecuencia y energía de perfil de
onda de baja frecuencia. En general, el contenido de baja
frecuencia limita las aplicaciones PWM globales. Los inversores para
accionamientos de motor, por ejemplo, pueden ser sistemas
complicados que tienen que reconstruir perfiles de onda de
excitación de puerta y suministrar energía sin acoplamiento de
transformador. El deseo de evitar transformadores ha obstaculizado
el desarrollo de un "inversor de uso general".
Un inversor de enlace de corriente alterna de
alta frecuencia, en el que está insertado un transformador de alta
frecuencia para suministro de energía, fue propuesto en
"High-frequency link power conversion",
Espelage y otros, IEEE Trans. Industry Applications, Vol.
1A-13, páginas 387-394 (1977). Si
bien esta tecnología permite que la corriente sea convertida a
través de un transformador, no ha sido implementada en general
debido a su complejidad. Ciertamente, la mayoría de las
implementaciones de enlace de alta frecuencia conocidas requiere un
diseño de conversión de corriente de múltiples etapas generalmente
complejo: un inversor de bucle abierto inicial, el transformador,
un rectificador y luego una etapa de inversor PWM final.
Hay también muchos inversores de múltiples
niveles, que usan varias tensiones de entrada de corriente continua
diferentes para producir un perfil de onda que sigue una señal
moduladora más exactamente que los inversores convencionales de dos
y tres niveles. Son corrientes en aplicaciones de alta tensión, ya
que los conmutadores en ellos actúan en serie. Se sabe en general
que las señales de control para inversores de múltiples niveles
pueden ser generadas a través de un proceso PWM de múltiples
portadoras. En tales sistemas, la portadora triangular es
desplazada hacia arriba o hacia abajo para formar un grupo de
portadoras correspondiente a cada nivel de salida. Sin embargo,
este enfoque no soporta enlaces de alta frecuencia o no proporciona
un modo de simplificar el propio sistema de inversor. Se pretende
solamente facilitar el uso de muchos conmutadores en una
configuración en serie. Pueden encontrarse otras descripciones de
tales sistemas, a título de ejemplo, en "A new multilevel PWM
method: a theoretical analysis", de Carrara y otros, IEEE Trans.
Power Electronics, vol 7, páginas 497-505
(1992).
Se ha propuesto otro método para eliminar
algunas de las múltiples etapas. "Convertidor de corriente
continua/corriente alterna de enlace de alta frecuencia con
circuitos de limitación de tensión suprimidos - control de ángulo
de fase naturalmente conmutado con dispositivos de desconexión
espontánea", de Matsui y otros, IEEE Trans. Ind.
Applications, vol. 32, páginas 293-300,
marzo/abril (1996), describe un inversor naturalmente conmutado
basado en cicloconvertidor. Sin embargo, no se describe ninguna
salida o señal PWM interna. Además, el método descrito no se
extiende bien a aplicaciones PWM típicas que requieren perfil de
onda y control PWM precisos.
El documento US 4.782.398 se refiere a un
aparato de tratamiento de imágenes que tiene una tabla de búsqueda
(LUT) para generar una señal de imagen, un primer generador de
señales de diseño para generar una primera señal de diseño, un
comparador para procesar la señal de imagen que usa la primera señal
de diseño y que envía como salida una primera señal de modulación
en anchura de impulsos, un segundo generador de señales de diseño
para generar una segunda señal de diseño diferente de la primera
señal de diseño, otro comparador para procesar la señal de imagen
que usa la segunda señal de diseño y que produce como salida una
segunda señal de modulación en anchura de impulsos, y una puerta O
para sintetizar las señales de modulación en anchura de impulsos
primera y segunda.
El documento US 5.886.586 se refiere a un
modulador PWM que emplea uno o más integradores con etapas de
reposición, que pueden ser aplicados en general para implementar el
control de alimentación de una familia de convertidores, control de
modo de corriente con pendiente de compensación lineal o no lineal,
y una familia de rectificadores de
factor-potencia-unidad en modo de
conducción continuo o discontinuo.
Por consiguiente, en la técnica existen
necesidades no resueltas.
En general, la presente invención se dirige a
sistemas y métodos PWM. Un método de la invención tiene las
operaciones de segmentar un perfil de onda de portadora de base en
una pluralidad de perfiles de onda de portadora, y proporcionar al
menos una señal moduladora. La pluralidad de perfiles de onda de
portadora es comparada con al menos una señal moduladora para
producir una pluralidad de salidas de comparador que son combinadas
luego matemáticamente para producir una señal de control modulada en
anchura de impulso. En una realización preferida de la invención,
esta señal de control modulada en anchura de impulso es unida con
una señal de reloj para producir una salida final modulada en
anchura de impulso.
Un sistema ilustrativo de la invención para
generar una secuencia de excitación de puerta incluye un segmentador
operante para segmentar un perfil de onda de portadora de base en
una pluralidad de perfiles de onda de portadora, y una pluralidad
de comparadores conectados con el segmentador y conectados también a
al menos una señal moduladora. La pluralidad de comparadores son
operantes para comparar la pluralidad de perfiles de onda de
portadora con la al menos una señal moduladora. Está previsto
además un operador matemático que está conectado con cada uno de
los comparadores y es operante para producir como salida la
secuencia de excitación de puerta definida a través de la
combinación matemática de la pluralidad de salidas de comparador. En
un sistema preferido para proporcionar una salida modulada en
anchura de impulso, está previsto adicionalmente un circuito de
conmutación. La secuencia de control de puerta y la señal de onda
cuadrada son introducidas en el circuito de conmutación que usa las
señales para producir una salida modulada en anchura de impulso.
Los métodos y sistemas de la invención resuelven
muchos problemas por lo demás no resueltos de la técnica anterior y
proporcionan ventajas valiosas. Por ejemplo, mediante la práctica de
métodos y sistemas PWM de portadora múltiple de la invención,
pueden conseguirse diseños de inversor de coste relativamente bajo y
baja complejidad que soportan aislamiento de transformador y
ofrecen otras ventajas. Es también posible combinar más de una
señal moduladora en una sola salida que entraña PWM independiente de
cada señal moduladora. Estas y otras ventajas de la invención serán
apreciadas mejor teniendo en consideración las realizaciones de la
invención descritas con detalle en lo que sigue.
La figura 1 incluye ilustraciones gráficas de
perfiles de onda útiles para ilustrar operaciones de un método
ilustrativo de la invención;
La figura 2 incluye ilustraciones gráficas de
perfiles de onda útiles para ilustrar operaciones de un método
ilustrativo adicional de la invención;
La figura 3 incluye ilustraciones gráficas de
perfiles de onda útiles para ilustrar operaciones de todavía un
método ilustrativo adicional de la invención;
La figura 4 es un diagrama esquemático de un
sistema ilustrativo de la invención;
La figura 5 incluye ilustraciones gráficas de
datos seleccionados de la Tabla 1;
La figura 6 muestra un inversor de enlace
ilustrativo trifásico de alta frecuencia del tipo de
cicloconvertidor;
La figura 7 muestra un diagrama de tiempos de
distribución para un inversor de enlace monofásico de alta
frecuencia del tipo de cicloconvertidor;
La figura 8 muestra un resultado de simulación
para el inversor de enlace de alta frecuencia de la figura 6;
La figura 9 es un diagrama de circuitos de un
inversor ilustrativo;
La figura 10 es un diagrama de circuitos de un
inversor ilustrativo adicional; y
La figura 11 es un diagrama de circuitos de un
circuito ilustrativo naturalmente conmutado de la invención.
Volviendo ahora a los dibujos, la figura 1 es
útil para ilustrar un método ilustrativo de la invención para
generar una salida PWM. La figura 1(a) ilustra una señal de
reloj de onda cuadrada, mientras que la figura 1(b) ilustra
un perfil de onda de portadora de base en la forma general de una
portadora triangular. Un método de la invención segmenta el perfil
de onda de portadora de base en forma de triángulo sobre una base de
tiempo en un perfil de onda de portadora de parte ascendente,
mostrado en la figura 1(c), y en un perfil de onda de
portadora de parte descendente mostrado en la figura 1(d). El
resultado de ejecutar una operación de comparar el perfil de onda
de parte ascendente de la figura 1(c) con una función
moduladora en un comparador es mostrado gráficamente en la figura
1(e), y el resultado de una operación de comparar un perfil
de onda de parte descendente de la figura 1(d) con la
función moduladora negativa o desfasada en 180º es mostrado en la
figura 1(f). Las salidas de estas comparaciones son
compatibles con señales PWM tradicionales. Sin embargo, en un método
de la invención tienen lugar operaciones adicionales de combinar
estas dos señales para producir una sola señal de control PWM.
La figura 1(g) muestra el resultado de
sumar las salidas de las comparaciones gráficamente representadas en
las figuras 1(e) y 1(f). El perfil de onda resultante
de la figura 1(g) conserva la información originalmente
presente en el perfil de onda de portadora de la figura 1(b).
Esta señal PWM puede usarse para controlar cualquiera de una
diversidad de controles y, por consiguiente, puede llamarse
"secuencia de control de puerta". Cuando se usa como la
entrada a un inversor de onda cuadrada que conmuta a la misma
frecuencia de reloj original mostrada otra vez para mayor comodidad
en la figura 1(h), la salida de inversor mostrada
gráficamente en la figura 1(i) es una señal PWM
convencional. Ventajosamente, cada dispositivo de conmutación usado
en el procesamiento de los diversos perfiles de onda es controlado
con una onda cuadrada de aproximadamente el 50% de relación de
trabajo, mientras que los tiempos relativos de las dos ondas
cuadradas produce la salida PWM final.
Los métodos de la invención pueden ser puestos
en práctica usando otras formas de portadoras de base, incluyendo
un ejemplo, pero sin que se limite a ellos, perfiles de onda en
diente de sierra que sean siempre ascendentes. Asimismo, las
personas entendidas en la técnica apreciarán que pueden ponerse en
práctica otras operaciones de segmentar el perfil de onda de la
portadora de base distintas de aquéllas que se basan en el tiempo.
Por ejemplo, la segmentación puede ponerse en práctica en altos y
bajos niveles de tensión, desfase y similares. Un perfil de onda de
portadora de base triangular, por ejemplo, puede ser un perfil en
diente de sierra que es luego segmentado en una parte alta y una
parte baja basándose en el nivel de tensión. Se apreciará que el
uso de estos perfiles de onda de portadora en la práctica de la
invención producirá salidas PWM similares, pero con distintas
propiedades de tiempos que pueden explotarse de forma útil. La
salida PWM de perfil de onda cuadrado de la figura 1(i), por
ejemplo, siempre presenta comportamiento de adelantamiento de fase
con relación a la señal de reloj original de onda cuadrada.
La figura 2 ilustra una alternativa a la figura
1. En las figuras 2(a) y (h) se muestra una señal de reloj.
El perfil de onda de portadora de base de la figura 2(b) es
compatible con el de la figura 1(b), por cuanto que son los
perfiles de onda de portadora segmentados descendente y ascendente
de las figuras 2(c) y 2(d). Sin embargo, se cambia el
orden de comparación con respecto a la figura 1, comparándose el
perfil de onda de parte descendente de la figura 2(d) con la
función moduladora como se representa gráficamente en la figura
2(e), y comparándose el perfil de onda de parte ascendente de
la figura 2(c) con el negativo de la función moduladora como
se muestra gráficamente en la figura 2(f). Este cambio en el
orden de comparación da por resultado que la señal PWM de salida de
la figura 2(i) tenga un comportamiento de retardo de fase, en
oposición al comportamiento de adelantamiento de fase mostrado en
la figura 1(i). La combinación del comportamiento de retardo
de fase y de adelantamiento de fase posible a través de las
operaciones de los métodos de la invención da lugar a un enfoque de
"cicloconvertidor", en que es posible una acción natural de
conmutación.
La figura 3 es útil para ilustrar un método
ilustrativo adicional de la invención. La figura 3 es en general
compatible con las figuras 1 y 2, excepto en que un perfil de onda
de portadora de base siempre ascendente mostrado en la figura
3(b) está segmentado sobre una base de tiempo en los dos
perfiles de onda de portadora gráficamente ilustrados en las
figuras 3(c) y 3(d). Estos perfiles de onda de
portadora segmentados se comparan con la señal modulada y la señal
modulada negativa, como se ilustra gráficamente mediante las figuras
3(e) y 3(f), respectivamente. Las salidas de estas
comparaciones son sumadas entre sí para dar por resultado el perfil
de onda de señal de control PWM ilustrado en la figura 3(g).
Uniendo esa señal con la señal de reloj de la figura 3(h) se
obtiene como resultado el perfil de onda PWM de salida mostrado en
la figura 3(i). Se aprecia con respecto a la figura 3 que
las figuras 1 y 2 ilustran realizaciones más preferidas de la
invención para aplicaciones de conmutación natural.
Aunque las figuras 1-3 ilustran
gráficamente métodos de la invención que segmentan un perfil de onda
de portadora de base en dos perfiles de onda de portadora, otras
realizaciones de la invención pueden incluir una operación de
segmentar un perfil de onda de portadora de base en más de dos
perfiles de onda de portadora. A título de ejemplo, pueden formarse
cuatro o seis ondas de portadora. Como cuestión práctica, pueden
formarse casi cualquier múltiplo de dos perfiles de onda de
portadora. Adicionalmente, las figuras 1-3 ilustran
realizaciones del método en que se proporcionan dos señales
moduladoras. Otras realizaciones de la invención pueden incluir
operaciones de usar otras cantidades de señales moduladoras. Se
contempla que una realización de la invención puede usar únicamente
una sola señal moduladora. Más preferiblemente, se proporcionan al
menos dos señales moduladoras, y cuatro si el número de perfiles de
onda de portadora es de seis o más.
Asimismo, como comprenderán los versados en la
técnica, la frecuencia del perfil de onda de portadora es
normalmente mucho mayor que en la señal moduladora. Frecuencias de
portadora más altas permiten un filtrado más fácil de perfiles de
onda PWM. Una frecuencia de portadora alta es más adecuada para
acoplamiento de transformador que la propia señal moduladora, ya
que pueden suministrarse frecuencias más altas con dispositivos
magnéticos más pequeños.
\newpage
La figura 4 es un diagrama esquemático de
bloques útil para ilustrar un sistema y método ilustrativos de la
invención para generar una señal PWM de secuencia de control de
puerta que puede ser generalmente similar a la ilustrada mediante
las figuras 1(g), 2(g) y 3(g); y para producir
salida PWM que puede ser generalmente similar a las señales PWM de
salida mostradas en las figuras 1(i), 2(i) y/o
3(i). Un perfil de onda de portadora tal como en forma de
triángulo o de rampa en diente de sierra es introducida en un
segmentador 10 que segmenta el perfil de onda de portadora de base
sobre una base de tiempo en dos perfiles de onda de portadora
individuales, C1(T) y C2(T). El segmentador 10 puede
comprender un desconmutador, un desfasador o similares. A título de
ejemplo particular, pueden encontrarse desconmutadores adecuados en
sistemas de comunicación de multiplexado por división de tiempo
(TDM). El segmentador 10 funciona en sincronización con la señal de
reloj de portadora. La tasa de segmentación o desconmutación
f es establecida con la misma frecuencia que la portadora en
caso de un perfil de onda en rampa, o a dos veces la frecuencia en
el caso de un perfil de onda triangular.
Una función moduladora M1(T) es
comunicada a un primer comparador 12 para compararla con el perfil
de onda de portadora C1(T). La función moduladora
M1(T) es procesada por un desfasador en 180º 14, y la
función moduladora de salida desfasada M2(T) es comunicada a
un segundo comparador 16 para comparación con el perfil de onda de
portadora C2(T). Cada uno de los comparadores 12 y 16 produce
como salida una secuencia PWM convencional (P1 y P2,
respectivamente). Las salidas de comparador P1 y P2 son combinadas
matemáticamente (se pretende que el término "combinadas
matemáticamente" y términos similares usados en esta memoria se
refieren en general a la combinación mediante una operación
matemática tal como adición, substracción o similar) en el operador
matemático 18 para generar una secuencia de excitación de puerta
que, como los versados en la técnica apreciarán, consiste en una
señal modulada en anchura de impulso.
El operador matemático puede comprender
cualquiera de una diversidad de sumadores, substractores, unidades
lógicas aritméticas o elementos similares que son conocidos
generalmente en la técnica. La secuencia de control de puerta es
para controlar un circuito de conmutación 20 que puede ser
cualquiera de una diversidad de elementos, incluyendo como
ejemplos, pero sin limitarse a los mismos, un transistor, un
circuito o circuitos, un conmutador lógico o puerta, un circuito de
inversor, un relé, un dispositivo semiconductor y similares. Un
circuito de conmutación preferido 20 comprende un convertidor de
potencia de conmutación. El circuito de conmutación 20 recibe
también una onda cuadrada de entrada tal como una señal de reloj.
Con la elección correcta de fases, las secuencias de puerta darán
por resultado que funcionen para conmutar o controlar el circuito de
conmutación 20 contra una fuente de onda cuadrada tal como una
entrada de tensión de enlace de alta frecuencia para producir una
salida PWM. Las secuencias pueden ser de dos niveles o de tres
niveles.
La onda cuadrada de entrada puede ser de alta
frecuencia para formar un enlace de alta frecuencia ("HF").
Para generar enlaces HF, la secuencia de control de puerta deberá
evitar contenidos de baja frecuencia, y no obstante deberá también
retener información acerca de la función moduladora. Una manera de
efectuar esto es generar dos secuencias (por ejemplo, P1 y P2),
substraerlas luego para eliminar modulación de baja frecuencia. El
resultado es una señal de tres niveles. Una alternativa es modular
una secuencia con una función m(t), la otra con
-m(t), y luego sumarlas. El resultado es una señal de
dos niveles. Como las secuencias son obligadas a separar ventanas
de tiempo, la combinación todavía retiene información acerca de la
función m(t) subyacente, aun cuando se elimine el
contenido de baja frecuencia.
Al considerar el diagrama de bloques de la
figura 4, se apreciará que la secuencia de excitación de puerta y
la onda cuadrada son generalmente intercambiables con respecto al
circuito de conmutación 20. Es decir, cualquiera de la secuencia de
excitación de puerta o la onda cuadrada pueden usarse para controlar
el circuito de conmutación 20, y cualquiera puede usarse como
entrada de potencia. Aplicaciones diferentes pueden hacer uso de
una u otra de las señales preferidas para controlar el circuito de
conmutación 20.
Mediante la práctica del esquema ilustrativo de
la figura 4, pueden construirse familias de secuencias PWM de
múltiples portadoras. La Tabla 1 relaciona nueve condiciones de dos
portadoras, las secuencias resultantes y el enfoque PWM equivalente
último que habría generado la misma salida. Las cuatro entradas
sombreadas en la Tabla 1 (filas 2, 5, 6 y 9) están representadas
gráficamente en la figura 5 como ejemplos. Asimismo en la figura 5,
la secuencia de control es "mezclada" con una onda cuadrada
para mostrar la recuperación de una señal PWM de dos niveles en la
salida de convertidor. Todas las secuencias dadas en la Tabla 1
están previstas para aplicaciones de enlace de alta frecuencia:
procesos de modulación y combinación son seleccionados para
suprimir la portadora, con un desfase o por substracción.
Los perfiles de onda de secuencia de puerta en
la figura 5 demuestran varios aspectos ventajosos de métodos y
sistemas ilustrativos de PWM de múltiples portadoras de la
invención. Las secuencias de puerta de dos niveles en las figuras
5(a) y 5(b), por ejemplo, mantienen una relación de
trabajo de casi el 50% a través de todo el ciclo. La relación de
trabajo del 50% soporta aislamiento de transformador conveniente
para las excitaciones de puerta. Como la anchura de impulso no
tiene virtualmente ningún margen dinámico, no hay limitaciones en
cuanto a impulsos estrechos o anchos. La secuencia de excitación de
puerta de la figura 5(a) está siempre retardada en fase con
relación a la onda cuadrada de enlace de alta frecuencia, mientras
que en la figura 5(b) siempre conduce. Así, pueden usarse
dispositivos unidireccionales en la etapa de salida. Si se usa la
secuencia (a) cuando la corriente de carga es positiva al tiempo que
se usa (b) para corriente de carga negativa, se tiene como
resultado un cicloconvertidor PWM completo naturalmente
conmutado.
Las secuencias en las figuras 5(a),
5(b) y 5(c) producen todas ellas salidas PWM últimas
con una frecuencia de conmutación efectiva doble que la de los
dispositivos de conmutación - con ventajas en cuanto a pérdidas de
conmutación. Las secuencias de las figuras 5(c) y 5(d)
proporcionan excitaciones de puerta de enlace de alta frecuencia,
con rectificación simple en los terminales de puerta para recuperar
las señales correctas. Los versados en la técnica apreciarán que
hay muchas alternativas dentro del alcance de la invención para
generar señales PWM de múltiples portadoras, tal como el uso de
circuitos integrados PWM sincronizados en contrafase, o soluciones
digitales.
La figura 6 muestra un inversor de enlace de
alta frecuencia de tipo de cicloconvertidor trifásico ilustrativo
que consta de un inversor de bucle abierto para generar una onda
cuadrada al 50%, un transformador de alta frecuencia, el
convertidor de salida, y filtrado pasivo para la salida. Se pretende
usar PWM de dos portadoras para conmutación natural. El puente de
inversor de lado primario usa dispositivos unipolares (MOSFETs o
IGBTs con diodos inversos), mientras que el puente de salida
trifásico consta de doce conmutadores unidireccionales organizados
en seis pares. Con conmutación natural, solamente es necesario el
borde delantero de los impulsos de puerta, y solamente
realimentación es el signo de la corriente de salida.
La versión monofásica de la figura 6 es
ventajosa a causa de que puede aplicarse control en el puente de
entrada o en el puente de salida. La secuencia de puerta,
multiplicada por la onda cuadrada, recupera una salida PWM
convencional. La figura 7 muestra un diagrama de tiempos de
distribución para un inversor de enlace de alta frecuencia de tipo
de cicloconvertidor monofásico. La conmutación natural en el
circuito de enlace de alta frecuencia no se ve afectada en grado
importante por el tiempo muerto. Cuando se proporciona un breve
tiempo muerto al inversor de lado primario, la salida no puede ser
suficientemente alta, pero el funcionamiento general no es
afectado.
La figura 8 muestra un resultado de simulación
para este inversor de enlace de alta frecuencia, que funciona
conforme a la PWM de dos portadoras para proporcionar conmutación
natural. La frecuencia de carga es de 50 Hz, la frecuencia de
conmutación es de 1 kHz, y un filtro pasivo diseñado para esta
salida ha sido aplicado para permitir una fácil identificación del
perfil de onda de la corriente. El tiempo muerto para el inversor
de lado primario ha sido aumentando a 60 milisegundos para hacerlo
claramente visible. Se aprecia que los perfiles de onda y el
comportamiento de ondulación son iguales que los de la PWM
convencional.
El diagrama de circuitos de la figura 9 ilustra
un sistema de la invención que incorpora un modo directo de
utilizar los perfiles de onda de la figura 1 para producir un
inversor. En este caso, el perfil de onda PWM1 de la figura
1(g) se usa para crear una fuente de tensión de onda cuadrada
de polaridad positiva y negativa. La única diferencia entre el
perfil de onda de entrada y la señal mostrada en la figura
1(g) es que la magnitud usada en la figura 4 puede ser
cualquier tensión, no sólo 1 V. Los cuatro conmutadores marcados
como "reloj" en el puente son hechos funcionar a un trabajo
fijo del 50% - directamente desde la señal de reloj. En los
terminales de salida, el resultado es PWM convencional como en la
figura 1(i).
El diagrama de circuitos de la figura 10 ilustra
un sistema ilustrativo adicional de la invención para la creación
del perfil de onda de fuente de la figura 1 a partir de un potencial
fijo de corriente continua para producir un inversor completo. En
este caso, PWM1(t) (por ejemplo, figura 1(g)) y
1-PWM1(t) de perfil de onda controlan dos
conmutadores a contrafase. Los conmutadores de salida funcionan a un
trabajo fijo del 50% desde el reloj (o 1-reloj)
para recuperar la PWM deseada. Esta se filtra luego de una manera
usual para entrega a una carga. En la figura 10, al igual que en la
figura 9, puede invertirse el proceso de perfil de onda: el reloj
puede usarse para los conmutadores de entrada, mientras que la señal
PWM1(t) puede usarse para los conmutadores de salida, sin
cambios fundamentales en el
funcionamiento.
funcionamiento.
La figura 11 muestra un circuito ilustrativo
naturalmente conmutado de la invención para aplicaciones de
inversor. Aquí, los conmutadores de entrada funcionan basándose en
la señal de reloj. Los dispositivos de salida usan una combinación
de PWM1(t) (por ejemplo, figura 1(g)) y PWM2(t)
(por ejemplo, figura 2(g)). La combinación se selecciona de
manera convencional: cuando la corriente de carga de salida es
positiva, la elección se realiza para usar un perfil de onda con
solamente retardo de fase (retardo de desconexión) con relación a la
señal de reloj. Cuando la salida es positiva, la elección se
realiza para usar solamente avance de fase. Con esta estrategia,
pueden usarse para salida dispositivos de un solo lado tales como
rectificadores controlados por silicio (SCRs).
En una realización ilustrativa adicional de la
invención, el perfil de onda de la portadora de base es segmentado
en cuatro perfiles de onda de portadora. Estos cuatro perfiles de
onda de portadora son comparados luego con dos señales moduladoras
para codificar ambas señales en una sola secuencia de excitación de
puerta PWM. La secuencia es usada luego en unión de una onda
cuadrada sincronizada, y después con una segunda onda cuadrada en
cuadratura (desviación de ¼ de ciclo). Una modulación con señales
"Izquierda" y "Derecha" (tal como podría encontrarse en
una aplicación de audio, por ejemplo) es realizada de la siguiente
manera:
- Portadora 1:
- Izquierda - Derecha
- Portadora 2:
- Izquierda + Derecha
- Portadora 3:
- - Izquierda + Derecha
- Portadora 4:
- - Izquierda - Derecha
Cuando se combinan las cuatro corrientes PWM
provenientes de estos moduladores, el resultado es una sola
corriente PWM sin contenido de baja frecuencia. La única corriente
puede ser suministrada para conmutar puertas a través de
transformadores, o puede ser suministrada a través de un
transformador de potencia. Cuando la corriente PWM es unido con una
onda cuadrada, alta cuando las portadoras 1 y 2 están activas y baja
cuando la 3 y la 4 están activas, la salida es la señal Izquierda.
Una onda cuadrada en cuadratura produce la señal Derecha. Son
posibles otras combinaciones que produzcan corrientes PWM del 50% de
relación de trabajo con códigos marginales de la información de la
potencia. Las aplicaciones incluyen amplificadores de conmutación de
clase D para estéreo y audio y similares. En una aplicación, tal
como un accionamiento de motor trifásico, es conveniente usar tres
funciones de modulación A, B y C, usar perfiles de onda de seis
portadoras, y combinar los resultados en una sola corriente PWM. De
este modo, una señal PWM, asociada con tres señales de reloj fijas,
puede suministrar tres salidas asociadas con A, B y C en una sola
etapa.
Algunas de las ventajas prácticas de la PWM de
múltiples portadoras de la invención en el contexto de un inversor
de enlace de alta frecuencia naturalmente conmutado incluyen la
facilidad de ejecución y la sencillez de los circuitos de
excitación de puerta. Ventajas adicionales más formales están
relacionadas con el proceso de PWM de la invención: los perfiles de
onda de tensión de salida pueden disponerse para adaptarlos a
señales PWM convencionales de dos niveles, y pueden aplicarse
directamente entendimientos anteriores de armonía, diseño de
filtro, ondulación, y otros requisitos de diseño. Los métodos y
sistemas de PWM de múltiples portadoras de la invención sirven de
modo directo para construir perfiles de onda de control de inversor
de alta frecuencia. La salida PWM resultante proporciona señales de
puerta adecuadas para cicloconvertidores de onda cuadrada, para
accionamientos aislados de puerta y para otros aspectos de
implementación de inversores de enlace de alta frecuencia. Los
resultados de salida se adaptan a los de PWM convencional de dos
niveles, excepto en que se dobla la frecuencia de conmutación
efectiva. Se cree que técnicas y sistemas de PWM de múltiples
portadoras de la presente invención tienen promesa particular en la
ejecución de inversores de bajo coste, así como también para
aplicaciones de enlace de alta frecuencia de potencia media
(1 kW - 20 kW).
(1 kW - 20 kW).
Adicionalmente, los perfiles de onda producidos
mediante la práctica de la presente invención son auténticos
perfiles de onda de salida PWM, en lugar de los resultados
desfasados producidos en un cicloconvertidor. Esto quiere decir que
las señales PWM pueden diseñarse basándose en cualesquiera
requisitos deseados, y pueden prepararse para que tengan contenido
de frecuencia específico o para producir una forma de perfil de onda
específica. El control es fácil de generar y acoplar directamente
en los dispositivos de conmutación. Los métodos y sistemas de la
invención, por ejemplo, pueden ser valiosos para su uso con
aplicaciones de amplificador de audio con señales variables.
Se pretende que las realizaciones y
configuraciones descritas en esta memoria sean ilustrativas de los
modos preferidos y mejores para poner en práctica la invención, y
no deberán interpretarse como limitaciones en el alcance de la
invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (28)
1. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso, que comprende las operaciones
de:
proporcionar un perfil de onda de portadora de
base;
segmentar dicho perfil de onda de portadora de
base en una pluralidad de perfiles de onda de portadora
individuales;
proporcionar al menos una señal moduladora;
comparar dicha pluralidad de perfiles de onda de
portadora con dicha al menos una señal moduladora para producir una
pluralidad de salidas de comparador; y
combinar matemáticamente dicha pluralidad de
salidas de comparador para producir una señal de control modulada
en anchura de impulso.
2. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
1, en que el método es además para proporcionar una salida modulada
en anchura de impulso, y comprende además las operaciones de:
introducir una señal de onda cuadrada en un
circuito de conmutación; e
introducir dicha señal de control modulada en
anchura de impulso en dicho circuito de conmutación, usando dicho
circuito de conmutación dicha señal de control modulada en anchura
de impulso y dicha señal de onda cuadrada para generar la salida
modulada en anchura de impulso.
3. Un método para generar una salida modulada en
anchura de impulso como se define en la reivindicación 2, en que
dicha señal de control modulada en anchura de impulso se usa para
controlar dicho circuito de conmutación.
4. Un método para generar una salida modulada en
anchura de impulso como se define en la reivindicación 2, en que
dicha señal de onda cuadrada se usa para controlar dicho circuito de
conmutación.
5. Un método para generar una salida modulada en
anchura de impulso como se define en la reivindicación 2, en que
dicho circuito de conmutación comprende un circuito de inversor.
6. Un método para generar una salida modulada en
anchura de impulso como se define en la reivindicación 2, en que
dicho circuito de conmutación comprende un conversor de potencia de
conmutación.
7. Un método para generar una salida modulada en
anchura de impulso como se define en la reivindicación 2, en que
dicha señal de onda cuadrada comprende una señal de reloj.
8. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
1, en que el método es además para proporcionar una señal de salida
modulada en anchura de impulso, y comprende además las operaciones
de:
unir dicha señal de control modulada en anchura
de impulso con una señal de reloj para generar la salida modulada
en anchura de impulso.
9. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
1, en que la operación de combinar matemáticamente dicha pluralidad
de salidas de comparador comprende sumar dicha pluralidad de
salidas de comparador entre sí.
10. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
1, en que la operación de combinar matemáticamente dicha pluralidad
de salidas de comparador comprende substraer una de dicha
pluralidad de salidas de comparador de otra de dicha pluralidad de
salidas de comparador.
11. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
1, en que dicho perfil de onda de portadora de base tiene partes
ascendentes y descendentes, y en que la operación de segmentar
dicho perfil de onda de portadora de base comprende usar dichas
partes ascendentes para definir un primer perfil de onda de
portadora y usar dichas partes descendentes para definir un segundo
perfil de onda de portadora.
12. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
1, en que la operación de segmentar dicho perfil de onda de
portadora de base comprende segmentar dicho perfil de onda de
portadora de base sobre una base de tiempo.
13. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
1, en que la operación de segmentar dicho perfil de onda de
portadora de base comprende desplazar dicho perfil de onda de
portadora de base o segmentar dicho perfil de onda de portadora de
base sobre una base de nivel de
tensión.
tensión.
14. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
1, en que dicha al menos una señal moduladora comprende una
pluralidad de señales moduladoras, y en que la operación de
comparar dicha pluralidad de perfiles de onda de portadora con dicha
al menos una señal moduladora comprende comparar un primer perfil
de dicha pluralidad de perfiles de onda de portadora con una primera
señal moduladora para proporcionar una primera salida de
comparador, y comparar un segundo perfil de dicha pluralidad de
perfiles de onda de portadora con una segunda señal moduladora para
proporcionar una segunda salida de
comparador.
comparador.
15. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
14, en que dicha primera señal modulada es desfasada en 180º para
definir dicha segunda señal modulada.
16. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
1, en que dicha señal de control modulada en anchura de impulso es
una señal de tres niveles.
17. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
1, en que dicha pluralidad de ondas de portadora comprende al menos
cuatro ondas de portadora.
18. Un método para generar una señal de control
modulada en anchura de impulso como se define en la reivindicación
1, en que:
dicha operación de segmentar comprende segmentar
dicho perfil de onda de portadora de base sobre una base de tiempo
en al menos un primer perfil de onda de portadora y un segundo
perfil de onda de portadora;
dicha operación de proporcionar comprende
proporcionar una primera señal moduladora;
dicha operación de comparar comprende comparar
dicho primer perfil de onda de portadora con dicha primera señal
moduladora para proporcionar una primera salida de comparador;
dicha operación de proporcionar comprende además
desfasar dicha primera señal moduladora para definir una segunda
señal moduladora;
dicha operación de comparar comprende además
comparar dicho segundo perfil de onda de portadora con dicha
segunda señal moduladora para proporcionar una segunda salida de
comparador;
dicha operación de combinar matemáticamente
comprende combinar matemáticamente dicha primera salida de
comparador con dicha segunda salida de comparador para producir una
secuencia de excitación de puerta; y el método comprende además
operaciones de
introducir una señal de potencia de onda
cuadrada en un circuito de conmutación de conversión de potencia;
y
controlar dicho circuito de conmutación de
conversión de potencia con dicha secuencia de excitación de puerta
con lo que dicho circuito de conmutación de conversión de potencia
produce la salida modulada en anchura de impulso.
19. Un sistema para generar una secuencia de
excitación de puerta, que comprende:
un segmentador (10) operativo para segmentar un
perfil de onda de portadora de base en una pluralidad de perfiles
de onda de portadora;
una pluralidad de comparadores (12, 16)
enlazados con dicho segmentador y enlazado con al menos una señal
moduladora, siendo operativa dicha pluralidad de comparadores para
comparar dicha pluralidad de perfiles de onda de portadora con
dicha al menos una señal moduladora; y
un operador matemático (18) enlazado con dicha
pluralidad de comparadores y operativo para combinar matemáticamente
una salida desde dicha pluralidad de comparadores y producir como
salida la secuencia de excitación de puerta.
20. Un sistema para generar salida modulada en
anchura de impulso, que incluye el sistema definido por la
reivindicación 19, y que incluye además:
un circuito de conmutación (20) enlazado con
dicho operador matemático y enlazado con una señal de onda cuadrada
de entrada, siendo operativo dicho circuito de conmutación para usar
dicha señal de onda cuadrada y dicha secuencia de excitación de
puerta para proporcionar la salida modulada en anchura de
impulso.
21. Un sistema para generar salida modulada en
anchura de impulso como se define en la reivindicación 20, en que
dicho circuito de conmutación (20) comprende un conversor de
potencia de conmutación; y en que dicha señal de onda cuadrada
comprende una señal de potencia.
22. Un sistema para generar salida modulada en
anchura de impulso como se define en la reivindicación 20, en que
dicho circuito de conmutación (20) es controlado por dicha secuencia
de excitación de puerta.
23. Un sistema para generar una secuencia de
excitación de puerta como se define en la reivindicación 19, en que
dicho operador matemático (18) es operativo para sumar la salida
desde cada uno de dicha pluralidad de comparadores (12, 16) o para
substraer la salida desde dicha pluralidad de comparadores (12,
16).
24. Un sistema para generar una secuencia de
excitación de puerta como se define en la reivindicación 19, en que
dicha al menos una señal moduladora comprende al menos una primera y
una segunda señal moduladas, y en que el sistema comprende además
un desfasador (14) para desfasar dicha primera señal modulada a fin
de definir dicha segunda señal modulada, estando enlazado dicho
desfasador (14) con al menos uno de dicha pluralidad de
comparadores (12, 16).
25. Un sistema para generar una secuencia de
excitación de puerta como se define en la reivindicación 24, en que
dicho desfasador (14) desvía dicha primera señal modulada en
aproximadamente 180º para definir dicha segunda señal modulada.
26. Un sistema para generar una secuencia de
excitación de puerta como se define en la reivindicación 19, en que
dicho segmentador comprende un segmentador de tiempo.
27. Un sistema para generar una secuencia de
excitación de puerta como se define en la reivindicación 19, en que
dicho perfil de onda de portadora de base tiene partes ascendentes y
descendentes, y en que dicho segmentador (10) es operativo para
segmentar dicho perfil de onda de portadora de base en al menos
perfiles de onda de portadora primero y segundo, comprendiendo
dicho primer perfil de onda de portadora partes ascendentes y
comprendiendo dicho segundo perfil de onda de portadora partes
descendentes.
28. Un sistema para generar una secuencia de
excitación de puerta como se define en la reivindicación 19, en que
dicho segmentador (10) es operativo para segmentar dicho perfil de
onda de portadora de base en al menos cuatro perfiles de onda de
portadora, y en que dicha pluralidad de comparadores comprende al
menos cuatro comparadores (12, 16).
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