ES2324158T3 - Modulador oscilante controlado sincronizado. - Google Patents
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Abstract
Un modulador oscilante controlado sincronizado, que comprende al menos un modulador oscilante controlado (COMs) primero y segundo (5; 10), teniendo cada uno de ellos una etapa de potencia (2) y bucles de oscilación de orden más elevado, que comprende un primer bloque de realimentación (3) y un primer bloque hacia adelante (4) que aseguran condiciones de oscilación estables, y medios de sincronización (1, 6; 12; 15) conectados entre los trayectos hacia delante de los citados moduladores COM primero y segundo (10, 11) y dispuestos para sincronizar los moduladores COM primero y segundo (10, 11) uno con el otro.
Description
Modulador oscilante controlado sincronizado.
Esta invención se refiere a un modulador
auto-oscilante, que comprende un comparador y una
etapa de amplificación de potencia para la modulación de la anchura
de impulso, y bucles oscilantes de orden más alto que comprenden
primeros medios de realimentación y primeros medios hacia delante
que aseguran condiciones de oscilación estables.
La invención también se refiere a un sistema de
conmutación de potencia, tal como los sistemas de conversión DC -
AC (por ejemplo, amplificación de audio), DC - DC ó AC - AC o
cualquier combinación de los anteriores mencionados que comprenden
un modulador de este tipo. La invención puede ser utilizada
ventajosamente para mejorar la conversión de potencia en cualquier
sistema, en particular sistemas de conversión DC - AC de precisión,
tales como amplificación de audio de alta eficiencia.
El modulador de anchura de impulso es un
elemento central de cualquier sistema de conversión de potencia. La
mayor parte de los convertidores de conmutación de potencia están
basados en una Modulación de Anchura de Impulso (PWM) como medio
para controlar la conversión eficiente entre los dominios (DC o
AC).
Un convertidor de potencia típico puede incluir
un modulador de PWM, una etapa de conversión de potencia de
conmutación, un filtro y un sistema de control. Un sistema de la
técnica anterior de este tipo se describe en la patente
norteamericana número 4724396 y por el Sr. Attwood en la publicación
Journal de la AES, noviembre 1983, páginas 842 - 853. Sin embargo,
la PWM presenta un rango de inconvenientes que también son bien
conocidos en la técnica, debido principalmente a la ejecución
práctica de la generación portadora. Esto limita la anchura de
banda del sistema y complica el diseño. Además, un diseño de sistema
de control robusto y estable es difícil.
Con el fin de superar estos inconvenientes, un
modulador oscilante controlado (COM) fue introducido en la
solicitud de patente internacional del solicitante PCT/DK97/00497,
publicada como WO98/19391. El modulador desvelado elimina la
necesidad de un generador portador, con un rango de ventajas que se
describen en detalle en el citado documento.
Un problema de esta técnica es que solamente
puede sintetizar modulación de dos niveles estándar, y por lo tanto
produce desventajas que se refieren a la eficiencia del
amplificador.
Otro problema se produce en sistemas de canales
múltiples tales como amplificadores de audio de canales múltiples,
debido a que los moduladores oscilantes tendrán variaciones de
frecuencia de oscilación, las cuales producirán productos de
intermodulación añadiendo componentes de distorsión dentro de la
anchura de banda de audio. Un sistema de la técnica anterior para
sincronizar un modulador oscilante a un reloj externo se proporciona
en la patente norteamericana número US 6.297.693. Este sistema de
la técnica anterior puede comprender solamente una forma de señal
en dientes de sierra o triangular como señal de sincronización,
eliminando posibilidades de usar señales de modulador COM como
señales de sincronización. Además, el sistema solamente puede
sincronizar un modulador a un reloj externo, lo que conduce a una
complejidad más elevada cuando se ejecuta en la práctica un
generador de reloj externo.
En sistemas de niveles múltiples tales como,
pero no limitados a, los sistemas PSCPWM (como se describe en la
solicitud de patente internacional del solicitante WO00/33448), el
primer armónico de la portadora no está presente en la salida, y
por lo tanto el citado modulador no puede ser utilizado.
Como consecuencia, un objeto de la invención es
proporcionar una técnica de modulación superior en los sistemas de
conversión de conmutación de potencia que supere los problemas
fundamentales relacionados con las técnicas convencionales.
Estos objetos se consiguen por medio de un
modulador oscilante controlado sincronizado (SCOM) novedoso el tipo
que se ha mencionado más arriba, que tiene medios de sincronización
conectados al citado modulador COM.
La invención proporciona ventajas significativas
en rendimiento, simplificación topológica, robustez mejorada,
estabilidad y eficiencia en comparación con la técnica anterior.
La invención proporciona sincronización entre
una pluralidad de moduladores COM y una fuente de señal o entre una
pluralidad de moduladores COM con el fin de solucionar los problemas
de la técnica anterior relacionados con los moduladores COM que se
desincronizan.
Los moduladores COM pueden comprender un medio
de medida de voltaje o de corriente, y realimentación.
Los medios de sincronización pueden utilizar una
fuente externa como señal de sincronización, en la que la fuente
externa puede ser, preferible pero no necesariamente, una señal
triangular - cuadrada o sinusoidal.
Alternativamente, el modulador comprende varios
moduladores COM, y los medios de sincronización están dispuestos
entre los sistemas COM, de manera que la señal de modulador
oscilante se utiliza como señal de sincronización. En este caso, el
SCOM intenta combinar las ventajas de la tecnología COM y las
ventajas de PWM de niveles múltiples.
De acuerdo con esta realización, se proporciona
una modulación de impulsos en los sistemas de conversión de
potencia generales que ejecuta en la práctica señales moduladas de
impulsos de niveles múltiples, reduciendo de esta manera la energía
del ruido de conmutación de salida y mejorando las posibilidades de
ejecución práctica del sistema de control.
El modulador SCOM de acuerdo con la invención es
muy adecuado en todo tipo de aplicaciones de conversión DC - AC de
precisión, tales como amplificación de audio y aplicaciones de
accionamiento de transductores de motor o electrodinámicos.
El SCOM puede utilizarse ventajosamente en la
conversión DC - AC controlada por voltaje o por corriente, tal,
como, por ejemplo, amplificadores de potencia para uso de audio.
La etapa de amplificación de potencia puede
comprender un filtro de salida, y entonces los segundos medios de
realimentación pueden ser conectados a una salida del citado filtro
de salida. Esto permite un primer filtrado del voltaje antes de que
se realimente en el trayecto de realimentación.
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Realizaciones preferidas de la presente
invención se describirán adicionalmente en lo que sigue, con
referencia a los dibujos adjuntos.
La figura 1 ilustra un modulador oscilante
controlado de la técnica anterior basado en realimentación de
voltaje.
La figura 2 ilustra un sistema oscilante
modulante controlado de la técnica anterior, que comprende una
realimentación de corriente.
La figura 3 ilustra un diagrama de bloques de un
modulador sincronizado.
La figura 4 ilustra un diagrama de bloques de un
modulador de 3 niveles de acuerdo con la invención.
La figura 5 ilustra una ejecución práctica de un
equipo físico de los medios de sincronización de las figuras 3 y
4.
La figura 6 ilustra una realización adicional de
la invención para la sincronización activa de los moduladores
COM.
La figura 7 ilustra una ejecución práctica de la
sincronización activa de la figura 6.
La figura 8 ilustra un sistema de conversión de
potencia con dos moduladores COM, sincronizados de acuerdo con la
invención.
La figura 9 ilustra la ganancia de bucle abierto
del sistema de la figura 8.
La figura 10 ilustra una ejecución práctica de
una sincronización de acuerdo con la invención en una estructura de
modulador PSCPWM.
La figura 11 ilustra una pluralidad de N
moduladores COM (siendo N es un número entero) sincronizados por
una señal de sincronización adicional.
La figura 12 ilustra una pluralidad de N
moduladores COM (siendo N un número entero) sincronizados por sus
señales COM comunes.
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En la descripción detallada de la realizaciones
preferidas que sigue, los moduladores COM puede ser Moduladores
Oscilantes Controlados por Voltaje (figura 1) como se describe en la
solicitud de patente internacional PCT/DK97/
00497 del solicitante o Moduladores Oscilantes Controlados por Corriente (figura 2) como se describe en la solicitud de patente sueca del solicitante con la solicitud número 0003342-3 y en el documento US 6 362 702.
00497 del solicitante o Moduladores Oscilantes Controlados por Corriente (figura 2) como se describe en la solicitud de patente sueca del solicitante con la solicitud número 0003342-3 y en el documento US 6 362 702.
Un sistema de conversión de potencia que
comprende un modulador se muestra en la figura 3. El sistema
comprende una etapa de potencia 2, un sistema de control con un
bloque de realimentación 3 y un bloque hacia delante 4. La etapa de
potencia 2 puede comprender uno o una pluralidad de medios puentes,
preferiblemente un puente completo que comprende dos medios
puentes. El bloque de realimentación y el bloque hacia delante
constituyen un modulador oscilante 5. Una fuente externa de señal
1, también denominada bloque generador de señal de oscilación, está
conectada a un bloque de sincronización 6 en el modulador 5.
La sincronización del modulador 5 se obtiene
añadiendo la Señal Osc de la fuente 1 a la señal de modulación. La
señal de sincronización puede estar basada en una señal de voltaje o
en una señal de corriente dependiendo del tipo de modulador
(realimentación basada en voltaje o realimentación basada en
corriente). La Señal Osc puede ser una señal sinusoidal o cualquier
otra señal oscilante a la frecuencia de la frecuencia de conmutación
de reposo deseada y se utiliza para la sincronización del citado
modulador con la citada Señal Osc del bloque de generación de Señal
Osc 1.
Una realización de la invención se muestra en la
figura 4, en donde dos moduladores COM 10, 11 están sincronizados
por una señal de sincronización de un bloque de sincronización 12.
De nuevo, la señal de sincronización puede estar basada en una
señal de voltaje o en una señal de corriente dependiendo del tipo de
modulador (realimentación basada en voltaje o realimentación basada
en corriente).
Los dos moduladores COM están diseñados para
oscilar casi en la misma frecuencia, pero una variación en la
frecuencia de conmutación puede ser eliminada por los medios de
sincronización.
Por medio del uso de dos moduladores COM 10, 11,
es posible tener un modulador de 3 niveles. A cada lado de una
carga 13 se le suministra su propio modulador COM 10, 11 de 2
niveles, estando sincronizado cada uno de ellos.
El primer armónico de la portadora idealmente se
eliminará en la carga. La señal de entrada es invertida por un
inversor 14 que precede al segundo COM 11 con el fin de poder
realizar una señal de audio diferencial en la salida. Las
características espectrales se parecen a aquellas de la modulación
NBDD. La NBDD se puede ver en el documento "Técnicas de
amplificador de potencia de audio con conversión de potencia
eficiente en energía", tesis doctoral de Karsten Nielsen.
La utilización de la citada modulación de 3
niveles se puede usar ventajosamente para accionar un transductor
modulado de impulsos directamente sin ningún filtrado de salida de
la señal PWM reduciendo de esta manera las pérdidas por corrientes
parásitas en el transductor 6 en comparación con una modulación de 2
niveles.
La figura 5 muestra un ejemplo de una
realización de los medios de sincronización en las figuras 3 y 4.
Los medios de sincronización están ejecutados en la práctica como
un circuito de dos resistencias serie RA, RB, conectadas a cada uno
de los extremos de un circuito paralelo que consiste en una
resistencia ROSC y un condensador COSC.
Por medio de la utilización de esta red, una
señal de amplitud pequeña se añade al modulador COM, forzando a que
el modulador COM oscile a la frecuencia de señal de amplitud pequeña
añadida. Por lo tanto, una pluralidad de moduladores COM pueden ser
sincronizados añadiendo una señal de amplitud pequeña con la
frecuencia de la frecuencia de reposo deseada a cada uno de los
moduladores.
Los valores de las resistencias y los
condensadores pueden ser determinados por una persona especialista,
buscando el equilibrio entre tener una buena sincronización y no
tener que influir negativamente en ninguno de los moduladores.
Una realización adicional preferida de la
invención se muestra en la figura 6 y se ilustra un sistema de
sincronización activa para obtener sincronización de los
moduladores COM. El bloque de sincronización activa 15 comprende
uno o una pluralidad de filtros de paso alto activos.
La figura 7 proporciona un ejemplo del bloque de
sincronización activa 15 en la figura 6, ejecutado en la práctica
como dos filtros de paso alto activos 16, 17. Un filtro de paso alto
activo suma una primera señal de modulador COM filtrada de paso
alto en el nodo 18 a una segunda señal de modulador COM en el nodo
19 y de esta manera sintoniza el segundo modulador COM con el
primero. La sincronización óptima se obtendrá si también un filtro
segundo de paso alto 17 suma una segunda señal de modulador filtrado
de paso alto en el nodo 19 a una primera señal de modulador en el
nodo 18.
Un sistema de conversión de potencia con dos
moduladores COM sincronizados de acuerdo con la invención, se
muestra en la figura 8. Dos bloques de retardo B1, B2 son insertados
en el trayecto hacia delante lo cual contribuye a una ganancia de
bucle superior a bajas frecuencias. No hay ningún filtrado de
potencia alta aplicado al sistema, sino que la carga,
preferiblemente un transductor electro - dinámico, actuará como una
carga inductiva obteniendo alguna filtración de la señal PWM. De
esta manera, el filtro de salida puede ser eliminado y la
eficiencia incrementada. Cada etapa de potencia 20, 21 puede
comprender uno o una pluralidad de medios puentes, y
preferiblemente comprende un único medio puente.
La ganancia de bucle abierto del sistema en la
figura 8 se muestra en la figura 9. El sistema está diseñado para
una frecuencia de conmutación de aproximadamente 325 kHz. A 325 kHz,
la ganancia del bucle abierto es de 0 dB y a esa frecuencia la fase
es -180 grados, obteniendo una oscilación controlada. El sistema que
se muestra en la figura 8 podrá suprimir ruido y distorsión en la
anchura de banda de 325 kHz.
La salida del sistema es una señal diferencial
PWM de 3 niveles con altas características espectrales de frecuencia
alta que se parecen a aquellas de la modulación NBDD, con lo que se
obtiene una modulación más eficiente en comparación con las
topologías de modulación con una señal de salida diferencial PWM de
dos niveles.
Si los moduladores en el sistema que se muestra
en la figura 9 están completamente sincronizados, habrá una salida
diferencial de magnitud cero en reposo. Esto se produce porque la
señal en reposo de un terminal 22 de la carga es igual a la señal
del otro terminal 23 de la carga que obtiene una señal diferencial
de magnitud cero.
La sincronización se puede obtener por medios de
sincronización como se muestra en la figura 5, como una red de
sincronización que comprende un circuito R, C ó RC El circuito R, C
ó RC está conectado al comparador en el trayecto hacia delante. La
sincronización también se puede obtener como en las figuras 6 y 7,
como una red activa que comprende redes de filtros activos de paso
alto.
Además, la profundidad de modulación puede ser
controlada limitando la amplitud de la señal de salida en el nodo
24 de señal de entrada, consiguiendo corrientes de ondulación
inferiores.
La figura 10 muestra un SCOM de acuerdo con la
invención ejecutado en la práctica en un PWM de niveles múltiples,
que comprende una estructura de modulador PSCPWM y un sistema de
control MECC(N, M), en donde N, M son números enteros.
MECC(N, M) se describe en la solicitud de patente
internacional PCT/DK97/00497del solicitante. El sistema comprende
uno o una pluralidad de trayectos de realimentación y filtrado de
paso bajo de la señal de salida PWM 25, 26. Con el sistema SCOM que
comprende un modulador PSCPWM, es posible obtener un modulador de
niveles múltiples (más de dos niveles), preferiblemente sin
componentes de modo comunes de frecuencia alta en la salida. Cada
etapa de potencia 27, 28 comprende uno o una pluralidad de medios
puentes. Si cada etapa de potencia 27, 28 comprende dos medios
puentes en una estructura de puente completo, es posible obtener un
modulador de múltiples niveles (más de 2 niveles) sin componentes de
modo común de frecuencia alta en la salida.
En la figura 11, N moduladores SCOM (siendo N es
un número entero) están sincronizados por una señal de
sincronización adicional. Esta señal de sincronización puede ser
cualquier forma de señal, pero preferiblemente es triangular,
cuadrada o sinusoidal con una frecuencia de la frecuencia de
conmutación en reposo deseada. Los medios de sincronización pueden
ser cualquiera de los que se han descrito más arriba.
En la figura 12, N moduladores COM (en donde N
es un número entero) están sincronizados por sus señales COM
comunes. La señal de sincronización COM común puede ser cualquier
forma de señal con la frecuencia de la frecuencia de conmutación de
reposo deseada. Los medios de sincronización pueden ser cualquiera
de los que se han descrito más arriba.
El modulador SCOM puede ser ejecutado en la
práctica en cualquier sistema de conversión de potencia dado AC -
AC, DC - DC, AC - DC, ó DC - AC, en particular en un sistema de
conversión de potencia de audio DC - AC de alta precisión en donde
los elementos de etapa de potencia funcionan ya sea en el estado
"conectado" o "desconectado".
Claims (12)
1. Un modulador oscilante controlado
sincronizado, que comprende
- al menos un modulador oscilante controlado (COMs) primero y segundo (5; 10), teniendo cada uno de ellos una etapa de potencia (2) y bucles de oscilación de orden más elevado, que comprende un primer bloque de realimentación (3) y un primer bloque hacia adelante (4) que aseguran condiciones de oscilación estables, y
- medios de sincronización (1, 6; 12; 15) conectados entre los trayectos hacia delante de los citados moduladores COM primero y segundo (10, 11) y dispuestos para sincronizar los moduladores COM primero y segundo (10, 11) uno con el otro.
2. Un modulador de acuerdo con la reivindicación
1, en el que los citados medios de sincronización comprenden un
circuito que consiste en resistencias y/o condensadores.
3. Un modulador de acuerdo con la reivindicación
2, en el que los citados medios de sincronización comprenden:
- una primera y una segunda resistencias en serie (R_{A}, R_{B}),
- una resistencia paralela (R_{OSC}), y
- un condensador paralelo (C_{OSC}),
en el que la citada primera resistencia en serie
está conectada a un primer extremo del condensador paralelo y de la
resistencia paralela, y la citada segunda resistencia serie está
conectada a un segundo extremo del condensador paralelo y de la
resistencia paralela, y
en el que las citadas resistencias serie primera
y segunda están conectadas a un comparador en el trayecto hacia
delante de cada modulador, respectivamente.
4. Un modulador de acuerdo con la reivindicación
1, en el que los citados medios de sincronización (15) comprenden
un circuito activo, que incluye preferiblemente al menos un filtro
de paso alto.
5. Un modulador de acuerdo con la reivindicación
1, en el que los moduladores son accionados en una configuración de
puente completo para conseguir una salida de impulsos de tres
niveles.
6. Un modulador de acuerdo con la reivindicación
5, ejecutado en la práctica en un sistema sin contribuciones
espectrales de alta frecuencia de modo común en la salida de tres
niveles.
7. Un modulador de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, ejecutado en la práctica en un
sistema de control de realimentación de bucles múltiples para
mejorar la supresión de ruido, teniendo un número de bucles de
control locales y globales, respectivamente.
8. Un modulador de acuerdo con la reivindicación
1, que comprende moduladores N COM sincronizados por una señal de
sincronización adicional o por una señal COM común de los citados
modulador COM.
9. Un modulador de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende además medios
limitadores para controlar la profundidad de modulación PWM.
10. Un modulador de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, realizado en un sistema de
conversión de potencia general, en particular en sistemas de
conversión de potencia de audio DC - AC.
11. Un modulador de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, que se utiliza para accionar una
carga de transductor electrodinámico directamente.
12. Un modulador de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, comprendiendo el citado modulador
COM un comparador, una etapa de amplificación de potencia, y un
bucle de realimentación negativa adaptados para conseguir
condiciones de oscilación controlada a una frecuencia
predeterminada.
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