ES2714215T3 - Convertidor de CC/CA multinivel - Google Patents
Convertidor de CC/CA multinivel Download PDFInfo
- Publication number
- ES2714215T3 ES2714215T3 ES10726607T ES10726607T ES2714215T3 ES 2714215 T3 ES2714215 T3 ES 2714215T3 ES 10726607 T ES10726607 T ES 10726607T ES 10726607 T ES10726607 T ES 10726607T ES 2714215 T3 ES2714215 T3 ES 2714215T3
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- switch
- controlled
- voltage
- igbt2
- igbt3
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/4833—Capacitor voltage balancing
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/487—Neutral point clamped inverters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
- H02M1/007—Plural converter units in cascade
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Un convertidor de CC/CA multinivel, que comprende: - una entrada (5, 7; 105, 107) de tensión continua conectable a una fuente (3; 103) de tensión continua, con una primera conexión (5; 105) y una segunda conexión (7; 107) entre las cuales se puede aplicar una tensión (Vi) de entrada, situando un neutro (N) entre la primera y la segunda conexión (7, 9; 107, 109); - un medio puente con un primer conmutador (21; IGBT2) controlado y un segundo conmutador (25; IGBT3) controlado entre los cuales se sitúa una salida (U) del convertidor; - una primera rama (15; 115) de conexión entre el primer conmutador (21; IGBT2) controlado y dicha primera conexión (5; 105) y una segunda rama (17; 117) de conexión entre el segundo conmutador (25; IGBT3) controlado y dicha segunda conexión (7; 107), dicha primera rama (15; 115) de conexión y dicha segunda rama (17; 117) de conexión conectan dicho medio puente a dicha entrada (5, 7; 105, 107); - un tercer conmutador (59; IGBT1) controlado asociado a dicho primer conmutador (21; IGBT2), controlado conectable en serie a dicho primer conmutador controlado para generar una tensión de salida que exceda un primer valor (Vi/2) límite; - un cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado asociado a dicho segundo conmutador (25; IGBT3) controlado, conectable en serie a dicho segundo conmutador controlado para generar una tensión de salida por debajo de un segundo valor (-Vi/2) límite; - un primer regulador (51; 151) de tensión asociado a dicho tercer conmutador (59; IGBT1) controlado y un segundo regulador (53; 153) de tensión asociado a dicho cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado; en donde dicho primer regulador (51; 151) de tensión está situado para regular la tensión a través de un primer condensador (63; 163) y dicho segundo regulador (53; 153) de tensión situado para regular la tensión a través de un segundo condensador (65; 165); en donde: dicho tercer conmutador (59; IGBT1) controlado está conectado (55; 155) entre una primera placa de dicho primer condensador (63; 163) y dicho primer conmutador (21; IGBT2) controlado; y en donde dicho cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado está conectado (57; 157) entre una primera placa de dicho segundo condensador (65; 165) y dicho segundo conmutador controlado (25; IGBT3) controlado.
Description
DESCRIPCION
Convertidor de CC/CA multinivel
Campo tecnico
La presente invencion se refiere a mejoras en los convertidores de CC/CA y mas espedficamente a los convertidores PWM multinivel.
Estado de la tecnica
En muchas aplicaciones industriales, se requiere convertir una corriente continua en corriente alterna a una tension predeterminada. Para este proposito, se utilizan convertidores o inversores de CC/CA. Ejemplos habituales de usos de estos circuitos se encuentran en el campo de las energfas renovables o de energfas alternativas. Los paneles fotovoltaicos, por ejemplo, representan fuentes de energfa electrica directa, que se utilizan para suministrar potencia a cargas locales en corriente alterna, o que se inyecta en la red general de distribucion de energfa electrica de CA. Otras aplicaciones en el campo de las energfas alternativas contemplan el uso de diferentes tipos de fuentes de corriente continua, por ejemplo, generadores eolicos, pilas de combustible, etc.
En general, la tension continua generada por un panel fotovoltaico, u otra fuente alternativa, es relativamente baja y no constante, debido al cambio en los parametros, como las condiciones de irradiacion, que pueden oscilar lenta y regularmente debido al movimiento aparente del sol o de forma rapida e impredecible debido al transito de nubes y/o al cambio en otros parametros del clima, como la humedad.
Por otra parte, la carga electrica o la red electrica a la cual la fuente esta interconectada a traves del convertidor requiere una fuente de alimentacion de tension alterna con una frecuencia fija y bien determinada y un valor de pico, normalmente una frecuencia de 50 o 60 Hz y una tension de pico de 220V (en el caso de lmea monofasica).
Por lo tanto, es necesario proporcionar convertidores de CC/CA que puedan convertir la energfa electrica suministrada por la fuente de tension continua en energfa electrica con tension alterna, con un valor de pico que generalmente es mayor que el valor de la tension continua suministrado por la fuente.
Con este fin, se han disenado circuitos que comprenden un convertidor elevador interpuesto entre la fuente y un convertidor de medio puente o puente completo.
Estos circuitos tienen un primer inconveniente debido a la complejidad y al coste que se deriva de la etapa elevadora. Ademas, la forma de onda de la salida de tension del convertidor tiene un alto contenido de armonicos y, por lo tanto, requiere un filtro alto de salida, con los consiguientes costos adicionales.
Otros circuitos conocidos (Documento DE-A-10020537) emplean un convertidor de puente completo conectado, a traves de tres conexiones, a un par de fuentes de corriente continua conectadas en serie. Un modulo de troceado o un convertidor de CC/CC en paralelo a la segunda fuente permiten generar un segundo nivel de tension que conecta el puente alternativamente a una sola de las dos fuentes o a los terminales de las dos fuentes en serie. El modulo de troceado esta en conduccion o intercepcion dependiendo del valor de la tension de la red. De este modo, se obtiene un contenido armonico reducido de la tension en los extremos de la inductancia de salida. Los conmutadores electronicos del puente (disenados como MOSFET, IGBT u otros componentes adecuados) estan sujetos a una diferencia de alta tension cuando el modulo de corte o el convertidor de CC/CC estan activos y conmutan a alta tension, con las consiguientes grandes perdidas y la necesidad de ser acotado para clasificaciones de alta tension. El documento DE-A-102006010694 describe un convertidor adicional disenado espedficamente para su uso en combinacion con paneles fotovoltaicos, que utiliza una estructura de medio puente. En paralelo a los conmutadores electronicos del medio puente, se ubican dos ramas que contienen un convertidor de CC/CC y un conmutador electronico controlado en funcion de la tension de la red. Con esta disposicion, el convertidor puede generar cinco niveles de tension de salida. La disposicion es tal que los conmutadores controlados por las dos ramas del medio puente y los dos conmutadores de las dos ramas situadas en paralelo a las ramas del medio puente deben estar disenados para valores de alta tension, de modo que soporten la tension del nivel mas alto, con los consecuentes costes y la baja eficiencia debido a las altas perdidas de conmutacion.
El documento DE19945864 divulga un convertidor multinivel con conmutadores auxiliares.
Resumen de la invencion
De acuerdo con un aspecto, la invencion proporciona un convertidor de CC/CA que supera completa o parcialmente uno o mas de los inconvenientes de los convertidores conocidos.
Esencialmente, la invencion proporciona un convertidor de CC/CA con un medio puente que es capaz de conectarse en su entrada a una fuente de tension continua, en donde a los dos conmutadores controlados del medio puente estan asociados los respectivos conmutadores auxiliares que pueden ser excitados de modo que esten inactivos, cuando la tension de salida esta contenida dentro de un rango de valores alrededor de cero, dentro de dicho rango de valores, la tension de salida se genera al excitar los dos conmutadores del medio puente a una frecuencia de conmutacion apropiada, con una senal de excitacion PWM con ciclo de trabajo variable, para obtener el aumento gradual o la disminucion gradual de la tension de salida. Los dos conmutadores son excitados con senales complementarias, de modo que cuando uno de los conmutadores esta cerrado, el otro esta abierto y, al contrario. Al contrario, cuando se necesita generar una tension de salida con un valor fuera de este rango de valores lfmite, los dos conmutadores del medio puente se excitan, en funcion del signo de la tension de salida, de modo que uno de ellos esta constantemente en conduccion y en serie con uno de los conmutadores auxiliares que, por el contrario, se excita con una senal PWM a una frecuencia de conmutacion adecuada y con un ciclo de trabajo variable. El signo de la tension de salida determina cual de los dos conmutadores del medio puente se mantiene en conduccion continua y que conmutador auxiliar se situa en serie y es excitado por la senal PWM. Los reguladores de tension estan asociados a los conmutadores auxiliares, por lo que la tension de salida puede asumir gradualmente valores positivos por encima del valor lfmite superior del rango mencionado anteriormente, o valores negativos gradualmente inferiores al valor lfmite inferior de dicho rango.
En la practica, las porciones de la media onda positiva y negativa de la tension de salida se generan mediante una disposicion en serie de conmutadores: dependiendo del signo de la tension de salida, uno u otro de los conmutadores de la mitad de puente se utilizan en condiciones de conduccion continua (siempre cerrada) en serie con el conmutador auxiliar correspondiente excitado con una senal PWM de troceado. La tasa de tension de los conmutadores auxiliares es por tanto limitada, con una serie de ventajas que se haran mas facilmente evidentes a continuacion.
Este concepto puede expandirse proporcionando mas de un conmutador auxiliar para cada uno de los conmutadores del medio puente con la posibilidad de disponer mas de dos conmutadores en serie dependiendo del valor de la tension de salida que se va a generar, obteniendo de este modo un convertidor con un mayor numero de niveles de tension y, por lo tanto, con un contenido armonico reducido de la tension de salida.
El convertidor de acuerdo con la invencion permite obtener una pluralidad de niveles de tension, permitiendo de este modo una reduccion del contenido armonico de la tension sinusoidal de salida. Ademas, las ventajas del circuito se obtienen en terminos de la reduccion de las perdidas y la reduccion de los costes de los componentes.
En algunos modos de realizacion, la invencion proporciona un convertidor de CC/CA que comprende: una entrada que se puede conectar a una fuente de tension continua; un medio puente con un primer conmutador controlado y un segundo conmutador controlado; ramas de conexion entre el medio puente y las conexiones a la fuente de tension continua; un tercer conmutador controlado asociado al primer conmutador controlado del medio puente, conectable en serie a dicho primer conmutador controlado para generar una tension de salida que excede un primer valor lfmite; un cuarto conmutador controlado asociado a dicho segundo conmutador controlado, conectable en serie al segundo conmutador controlado para generar una tension de salida por debajo de un segundo valor lfmite.
En modos de realizacion ventajosos de la invencion, el convertidor comprende, ademas: un primer regulador de tension situado para regular la tension a traves de un primer condensador; un segundo regulador de tension situado para regular la tension a traves de un segundo condensador. El tercer conmutador controlado esta conectado entre una primera placa del primer condensador y el primer conmutador controlado del medio puente, mientras que el cuarto conmutador controlado esta conectado entre una primera placa del segundo condensador y el segundo conmutador controlado del medio puente.
En un modo de realizacion, la invencion proporciona un convertidor de CC/CA multinivel, que comprende:
- una entrada conectable a una fuente de tension continua, con una primera conexion y una segunda conexion a traves de las cuales se puede aplicar una tension de entrada, situando un neutro entre la primera y la segunda conexion;
- un medio puente con un primer conmutador controlado y un segundo conmutador controlado entre los cuales se situa una salida del convertidor;
- una primera rama de conexion entre el primer conmutador controlado y la primera conexion y una segunda rama de conexion entre el segundo conmutador controlado y la segunda conexion;
- un primer regulador de tension situado para regular la tension a traves de un primer condensador;
- un segundo regulador de tension situado para regular la tension a traves de un segundo condensador;
- un tercer interruptor controlado conectado entre una primera placa del primer condensador y el primer conmutador controlado;
- un cuarto conmutador controlado conectado entre una primera placa del segundo condensador y el segundo conmutador controlado.
En algunos modos de realizacion, entre la primera y la segunda conexion, entre las cuales se aplica la fuente de tension continua, se situan en serie un par de condensadores, entre los cuales se dispone el neutro del circuito. Algunos modos de realizacion ventajosos proporcionan que: el primer conmutador controlado y el tercer conmutador controlado estan conectados a una segunda placa del primer condensador a traves de la primera rama de conexion; y el segundo conmutador controlado y el cuarto conmutador controlado estan conectados a una segunda placa del segundo condensador a traves de la segunda rama de conexion.
En algunos modos de realizacion, los conmutadores controlados primero, segundo, tercero y cuarto se excitan de modo que:
- las tensiones de salida entre un valor lfmite positivo y un valor lfmite negativo se generan al conmutar dichos primer y segundo conmutador controlado a una frecuencia de conmutacion, manteniendo el tercer y el cuarto conmutador controlado constantemente abiertos;
- las tensiones de salida por encima de dicho valor lfmite positivo se generan al conmutar el tercer conmutador controlado a una frecuencia de conmutacion y manteniendo dicho primer conmutador controlado constantemente en conduccion;
- las tensiones de salida por debajo de dicho valor lfmite negativo se generan al conmutar el cuarto conmutador controlado a una frecuencia de conmutacion manteniendo dicho segundo conmutador controlado constantemente en conduccion;
Caractensticas ventajosas adicionales y el modo de realizacion del convertidor de acuerdo con la invencion se establecen mas adelante en las reivindicaciones adjuntas, que forman parte integrante de la presente divulgacion. Breve descripcion de los dibujos
La invencion se comprendera mejor siguiendo la descripcion y los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 muestra un diagrama de un primer modo de realizacion de un convertidor segun la invencion;
Las figuras 2A-2G muestran formas de onda de los circuitos de excitacion del circuito de la figura 1;
La figura 3 muestra diagramas de las corrientes y tensiones en el circuito de la figura 1;
La figura 4 muestra un diagrama de un segundo modo de realizacion de un convertidor segun la invencion;
La figura 5 muestra el diagrama de la forma de onda de la tension de salida en el circuito de la figura 4;
La figura 6 muestra un diagrama con las formas de onda de las corrientes y de las senales de excitacion de los conmutadores controlados del circuito de la figura 4; y
La figura 7 muestra un diagrama que muestra la corriente de salida y la tension del circuito de la figura 4 si no hay desplazamiento de fase.
Descripcion detallada de los modos de realizacion de la invencion
La figura 1 muestra un primer diagrama de circuito de un convertidor de acuerdo con la invencion, indicado en conjunto con el numero de referencia 1. El numero de referencia 3 indica una fuente de tension continua, por ejemplo, un grupo de paneles fotovoltaicos, que suministra una tension de entrada Vi. La fuente 3 esta conectada a dos conexiones 5 y 7 de entrada del convertidor 1. Mas concretamente, en el diagrama de la figura 1, el polo positivo de la fuente 3 esta conectado a la conexion 5 y el polo negativo de la fuente 3 esta conectado a la conexion 7.
Los numeros de referencia 9 y 11 indican dos condensadores conectados respectivamente entre la conexion 5 y el neutro N y entre la conexion 7 y el neutro N del convertidor 1. La tension Vi de la fuente 3 se divide en los extremos de los dos condensadores 9 y 11, a traves de las placas de cada condensador presentando una diferencia de tension de Vi/2. Por lo tanto, la tension de entrada del convertidor 1, referida al neutro N, es Vi/2.
A las conexiones 5 y 7 se conecta un medio puente, que comprende una primera rama 15 conectada entre la conexion 5 y la salida U del convertidor 1 y una segunda rama 17 conectada entre la conexion 7 y la salida U. La primera rama comprende un diodo 19 y un conmutador 21 electronico controlado, por ejemplo, un MOSFET o un IGBT, dispuestos en serie. El conmutador 21 comprende un diodo interno ilustrado de manera esquematica en el dibujo. La segunda rama 17 comprende un diodo 23 y un segundo conmutador 25 electronico controlado, por ejemplo, un MOSFET con su propio diodo interno. El centro del medio puente esta conectado con dos conexiones 31 y 33 de sujecion al neutro N. Cada una de las dos conexiones 31 y 33 comprende un conmutador electronico controlado, por ejemplo, un MOSFET o un IGBT y un diodo, indicados por las referencias 35 y 37 para la rama 31 y por las referencias 39 y 41 para la rama 33.
En el centro o la salida U del medio puente se conectan una inductancia 43 de filtrado y un condensador 45 de filtrado. En el ejemplo ilustrado, el convertidor esta conectado a una red de distribucion de energfa electrica, indicada de manera esquematica con la referencia R, conectada entre el filtro LC formado por la inductancia 43 y el condensador 45 y el neutro N del convertidor 1. De este modo, la energfa electrica suministrada por la fuente 3 de corriente continua se convierte en energfa electrica alterna a la frecuencia de la red y se inyecta en la propia red, en fase con la tension de red. De manera alternativa, el convertidor 1 se puede conectar a una carga que se alimenta (total o parcialmente, siempre o solo en un penodo determinado) mediante la energfa electrica suministrada directamente por la fuente 3. A efectos de la descripcion de la invencion, es irrelevante si el convertidor 1 suministra potencia a una carga o suministra energfa a la red de distribucion. Por lo tanto, en lo sucesivo se hara referencia a esta segunda posibilidad.
La estructura descrita hasta ahora es conocida en sf misma.
La tension de la red oscila de manera sinusoidal y alcanza valores de pico que suelen ser mayores que el valor Vi/2. Por lo tanto, es necesario que el convertidor 1 sea capaz de aumentar la tension a un valor suficiente para tener una tension de salida que alcance los valores de tension de la red.
Con este fin, el convertidor 1 comprende dos reguladores 51 y 53 de tension conectados al neutro N y cada uno a una rama 55, 57 respectiva en paralelo a las ramas 15 y 17 del medio puente. La rama 55 comprende un conmutador 59 controlado, por ejemplo, un MOSFET o un IGBT representado con su diodo interno. La rama 57 comprende un conmutador 61 controlado similar al conmutador 59. Un condensador 63, 65 correspondiente esta situado en paralelo a cada conmutador 59 y 61. El condensador 63 esta conectado entre la rama 55 y la conexion 5, mientras que el condensador 65 esta conectado entre la rama 57 y la conexion 7. Ademas, una primera placa del condensador 63 esta conectada, a traves de la rama 55, a un extremo del conmutador 59, mientras que una segunda placa del condensador 63 esta conectada a traves de la rama 15 a un punto de conexion entre los conmutadores 59 y 21. Se proporciona una conexion similar para el condensador 65, una primera placa del cual esta conectado a traves de la rama 57 a un extremo del conmutador 61, mientras que una segunda placa esta conectada a traves de la rama 17 a un punto de conexion entre los conmutadores 25 y 61.
En el ejemplo mostrado, cada regulador de tension 51, 53 comprende dos conmutadores electronicos controlados 52, 54 en serie, conectados al neutro y a la rama 55, o a la rama 57. El punto central entre los dos conmutadores 52, 54 de cada regulador 51, 53 de tension esta conectado a una inductancia 56 respectiva, cuyo segundo terminal esta conectado a la conexion 5 para el regulador 51 de tension y a la conexion 7 para el regulador 53 de tension.
Los reguladores 51 y 53 de tension se controlan de modo que generan una tension V1 a traves de los respectivos condensadores 63 y 65. De este modo, la tension entre la rama 55 y el neutro es (Vi/2+V1), mientras que la tension entre la rama 57 y el neutro es -(Vi/2+V1). Por lo tanto, el circuito es capaz de generar en la salida U, es decir, en el punto central del medio puente, cinco niveles de tension iguales a 0, Vi/2, (Vi/2+V1), -Vi/2, -(Vi/2+V1).
El funcionamiento del circuito descrito anteriormente es el siguiente.
Los conmutadores 35, 39 pueden controlarse para conmutar a la frecuencia de la red, por ejemplo, 50 Hz en funcion del signo de la tension de salida. Mas en concreto, los conmutadores 35, 39 estan controlados de modo tal que el conmutador 35 esta cerrado y el conmutador 39 esta abierto en la media onda positiva de la tension de salida, mientras que el conmutador 39 esta cerrado y el conmutador 35 esta abierto en la media onda negativa de la tension de salida.
Los conmutadores 21, 25, 59, 61 estan controlados para conmutar a alta frecuencia, por ejemplo, 15 kHz por medio de una senal PWM con un ciclo de trabajo que es variable de acuerdo con una logica de control que se describira a continuacion haciendo referencia a las figuras 2 y 3. Se hara referencia, a continuacion, a un convertidor 1 aplicado a la red de distribucion electrica a la que el convertidor transfiere la energfa electrica suministrada por la fuente 3 y en la que la corriente de salida y la tension de salida estan en fase. Sin embargo, las siguientes consideraciones tambien se aplican si el convertidor 1 esta conectado a una carga y si esta carga introduce un cambio de fase de tension y corriente.
La figura 2A muestra una media onda positiva de la tension de red. t0 indica el punto de cruce por cero, t1 el instante en que la tension de red alcanza el valor Vi/2, t2 el momento en que la tension de red, despues de alcanzar el valor de pico, pasa nuevamente por el valor Vi/2 y t3 el posterior instante de cruce por cero.
Las figuras 2B y 2C muestran la senal S35 y S39 de excitacion respectivamente de los conmutadores 35 y 39 en funcion de la tension de salida. La senal S35 es alta (conmutador 39 cerrado) durante el intervalo de tiempo [t0-t3], mientras que la senal S39 es baja (conmutador 39 abierto). Durante la media onda negativa, la situacion se invierte: S35 es baja (conmutador 35 abierto), mientras que la senal S39 es alta (conmutador 39 cerrado).
En el intervalo de tiempo [tO-tl], debido a que la tension de salida es menor que Vi/2, la corriente se transfiere a la salida a traves del conmutador 21, mientras que el conmutador 59 permanece abierto. Para generar una tension de salida que sigue el patron de red sinusoidal, el conmutador 21 se excita con una senal S21 de excitacion (figura 2D), cuyo ciclo de trabajo cambia de 0 a 1 (figura 2G). La corriente fluye completamente a traves del diodo 19, mientras que la rama 55 no es atravesada por la corriente. Durante los intervalos de apertura (Tapagado) del conmutador 21, la corriente fluye a traves de la rama 31 y el diodo 37.
Cuando la tension de red alcanza el valor Vi/2, es decir, la tension a traves del condensador 9, es necesario suministrar una tension de salida mayor. Con este fin, el conmutador 21 que hasta el instante t1 se troceo con la senal S21 de ciclo de trabajo variable, se mantiene en conduccion fija, mientras que el conmutador 59, que hasta este punto habfa permanecido abierto, se excita con una senal S59 de excitacion con ciclo D59 de trabajo variable, como se muestra en las figuras 2E y 2G. El cambio de 0 a 1 del ciclo D59 de trabajo de la senal S59 de excitacion del conmutador 59 permite generar una salida de tension que sigue el patron de tension de red para el intervalo de tiempo [tl-t2]. La corriente fluye completamente en la rama 55 y a traves de los conmutadores 59 y 21, que estan conectados en serie, durante los intervalos de conduccion (Tencendido) del conmutador 59, mientras fluye a traves de la rama 15 y el diodo 19 durante los intervalos de apertura (Tapagado) del conmutador 59.
Cuando la tension de red alcanza el valor Vi/2 en el instante t2 y comienza a descender por debajo de ella, el conmutador 59 se mantiene abierto y el conmutador 21 comienza a ser troceado por la senal S21 con un ciclo de trabajo D21 variable de nuevo desde 1 a 0.
La figura 2F muestra la forma de onda de la tension de salida Vu que se obtiene con la excitacion descrita anteriormente.
Se produce una situacion simetrica en la media onda de tension negativa, en la que los valores de tension de salida entre 0 y -Vi/2 se generan excitando el conmutador 25 con una senal PWM con ciclo de trabajo variable, mientras que el conmutador 61 permanece abierto. Para generar valores de tension de salida por debajo de -Vi/2, el conmutador 25 se mantiene constantemente en conduccion, mientras que el conmutador 61 se excita con una senal de excitacion PWM con ciclo de trabajo variable y, por lo tanto, esta en serie con el conmutador 25.
Las curvas de la figura 3 muestran las formas de onda correspondientes de la corriente. Debido a que, en el ejemplo mostrado, la tension y la corriente estan en fase, el patron de la corriente coincide con el patron de la tension. En concreto, la figura 3 muestra: el patron de la corriente I19 a traves de la rama 15 y el diodo 19, la corriente I37 a traves de la rama 31 y el diodo 37, la corriente I59 a traves del conmutador 59, la tension V1 a traves del condensador 63 y la tension Vu de salida. Como se hace evidente a partir de las curvas mencionadas anteriormente, durante los intervalos [tO-tl] y [t2-t3] la corriente circula a traves de la rama 15, el diodo 19 y el conmutador 21 en la fase de ENCENDIDO del ciclo de trabajo del conmutador 21, y a traves de la rama 31 y el diodo 37 en la fase de APAGADO del ciclo de trabajo. En el intervalo [t1-t2], la corriente circula en la rama 55, en el conmutador 59 y en el conmutador 21 en la fase de ENCENDIDO del ciclo de trabajo del conmutador 59 y a traves de la rama 31 y a traves de la rama 15 y el diodo 19 en la fase de APAGADO del ciclo de trabajo del conmutador 59.
A partir de la descripcion anterior, es evidente que durante el intervalo [tl-t2] en el que la tension de salida excede el valor Vi/2, los dos conmutadores 59, 21 funcionan en serie y el conmutador 59 debe soportar una tension de V1 a traves de sus terminales, en lugar de toda la tension (V1+Vi/2). Por consiguiente, este conmutador se puede acotar con una tension nominal mas baja que el conmutador 21 que, al contrario, debe soportar una tension de (V1+Vi/2) en sus terminales.
Debido a que durante la media onda negativa de la tension de red hay una situacion igual para los conmutadores 25 y 61, las mismas consideraciones son ciertas para estos dos componentes adicionales.
A partir de la descripcion anterior, se hace evidente que debido a que los conmutadores 59 y 61 deben tener una tension nominal mas baja que los conmutadores 21 y 25, su coste es menor que los conmutadores 21 y 25. Esto permite obtener una primera ventaja sobre circuitos conocidos en los que los conmutadores del medio puente estan conectados en paralelo y, por lo tanto, ambos deben acotarse con una tension nominal en el valor maximo de la tension aplicada en los extremos del medio puente.
Ademas, como las perdidas de conmutacion son mayores, cuanto mayor es la tension en los terminales del conmutador, es evidente que durante el intervalo de tiempo [tl-t2] donde el conmutador 21 no se conmuta, sino que permanece constantemente en conduccion, mientras el interruptor 59 es troceado, las perdidas de conmutacion seran una funcion de una tension V1 en lugar de (V1+Vi/2) y, por lo tanto, mucho mas bajo. Debido a que dentro de la media onda el intervalo [t1-t2] mas largo que la mitad de la media onda, esto conlleva una ventaja sustancial en terminos de reduccion de perdidas de conmutacion. Las perdidas mas altas no solo estan limitadas a los intervalos [t0-t1] y [t2-t3], sino que la suma de estos intervalos es menor que [tl-t2].
Las mismas consideraciones se aplican de la misma manera para los conmutadores 25 y 61.
En el analisis final, con un convertidor como el que se muestra en la figura 1, se obtiene un alto numero de niveles de tension, en el caso espedfico, cinco niveles iguales a:
-(V1+Vi/2); -Vi/2; 0; Vi/2; (V1+Vi/2)
lo que permite tener un bajo contenido de armonicos en la tension de salida con un filtro LC relativamente bajo. Ademas, a diferencia de otras soluciones de circuitos conocidas que proporcionan el mismo nivel de tension de salida, se obtiene un ahorro sustancial en terminos de coste de componentes y una reduccion eficiente de las perdidas de conmutacion.
La figura 4 muestra un modo de realizacion adicional de un circuito segun la invencion, que permite tambien obtener, ademas de las ventajas ya mencionadas, una reduccion en el numero de componentes.
Mas en concreto, la figura 4 muestra un convertidor 101 conectado a traves de las conexiones 105 y 107 a una fuente 103 de tension continua. La letra de referencia M indica tierra y la letra U indica la salida del convertidor 101. Entre las conexiones 105 y 107 estan situados un par de condensadores 109A, 109B y un medio puente que comprende una primera rama 115, conectada entre la conexion 105 y la salida U del convertidor 101, y una segunda rama 117, conectada entre la conexion 107 y la salida U. La primera rama 115 comprende un conmutador electronico controlado indicado con IGBT5 y un conmutador electronico controlado adicional indicado con la referencia IGBT2. En lugar de IGBT, los conmutadores pueden, por ejemplo, estar constituidos por MOSFET. Los conmutadores IGBT5 e IGBT2 estan situados en serie entre la conexion 105 y la salida U. Ambos conmutadores comprenden un diodo interno respectivo mostrado de manera esquematica en el dibujo.
Una segunda rama 117 comprende un conmutador IGBT9 electronico controlado y un conmutador IGBT3 electronico controlado adicional, cada uno con su propio diodo interno como se muestra en el diagrama de la figura 4.
En el centro o la salida U del medio puente se conectan una inductancia 143 del filtro y un condensador 145 del filtro. En el ejemplo mostrado, el convertidor esta conectado a una red de distribucion de energfa electrica, indicada de manera esquematica con la referencia R. De este modo, la energfa electrica suministrada por la fuente 103 de corriente continua se convierte en energfa electrica alterna a la frecuencia de la red y se inyecta en dicha red, en fase con la tension de la red. De manera alternativa, el convertidor 101 se puede conectar a una carga que es alimentada por la energfa electrica suministrada por la fuente 103.
El convertidor 101 comprende ademas dos reguladores 151 y 153 de tension conectados respectivamente a las conexiones 105, 107 y cada una a una rama 155, 157 respectiva en paralelo a las ramas 115 y 117 del medio puente. La rama 155 comprende un conmutador IGBT1 controlado, representado con su diodo interno. La rama 157 comprende un conmutador IGBT4 controlado similar al conmutador 159. En paralelo a cada conmutador IGBT1 e IGBT4 se situa un condensador 163, 165 respectivo. El condensador 163 esta conectado entre la rama 155 y la conexion 105, mientras que el condensador 165 esta conectado entre la rama 157 y la conexion 107. Los reguladores de tension pueden tener una construccion similar a la descrita con referencia a la figura 1.
La fuente 103 y los reguladores 151 y 153 de tension generan cuatro niveles de tension que, con respecto a la tierra M, tienen los siguientes valores: 0, v1, Vi/2+V1, Vi en los extremos de cada condensador 109A, 109B, 163, 165. El funcionamiento del circuito se describe a continuacion con referencia a los diagramas de las figuras 5, 6 y 7. La figura 5 muestra la forma de onda de la tension de salida entre los puntos U y N del circuito de la figura 4. La tension tiene un patron esencialmente sinusoidal que se genera al conmutar adecuadamente los conmutadores IGBT1, IGBT2, lGBT3, IGBT4, IGBT5, IGBT9. La figura 6 muestra las senales de excitacion y las corrientes en los diversos componentes del circuito y la figura 7 muestra la forma de onda de la tension y de la corriente que, en el ejemplo ilustrado, estan en fase.
Como en el caso del circuito de la figura 1, los conmutadores IGBT2 e IGBT3 estan acotados para una tension nominal mas alta, por encima de Vi/2, donde Vi es la tension en los extremos de las conexiones 105 y 107, mientras que los conmutadores IGBT1 e IGBT3 estan acotados para una tension nominal mas baja, logrando ventajas similares a las descritas con referencia al ejemplo de la figura 1.
Con referencia a la figura 5, se puede observar que la tension Vu de salida (entre U y N) tiene un patron sinusoidal que oscila entre un maximo y un mmimo que en el ejemplo mostrado tiene valores Vi y -Vi, respectivamente. La tabla tambien muestra los valores Vi/2 y -Vi/2 de la tension en las conexiones 105 y 107. Durante la media onda positiva, la tension Vu de salida aumenta de 0 a Vi/2 en el intervalo de tiempo t0-t1; en el intervalo de tiempo t1-t2 aumenta de Vi/2 al valor maximo (indicado a modo de ejemplo con la referencia Vi) y luego cae a Vi/2. En el intervalo t2-t3, cae de Vi/2 a 0. En la media onda negativa, hay un comportamiento simetrico con signos inversos: en el intervalo t3-t4, la tension cae de 0 a -Vi/2. En el intervalo t4-t5, cae al valor mmimo Vi y luego sube al valor Vi/2. En el intervalo t5-t6, aumenta hasta que alcanza de nuevo el valor 0.
En la hipotesis ilustrada, con la corriente de salida y la tension en fase, en los intervalos t0-t1 y t2-t3, la corriente fluye en los conmutadores IGBT5, IGBT2, IGBT3 e IGBT9. En el intervalo tl-t2, la corriente fluye en los conmutadores IGBT1, IGBT5 e IGBT2. En los intervalos t3-t4 y t5-t6, la corriente fluye en los conmutadores IGBT5, IGBT2, IGBT3 e IGBT9. Por ultimo, en el intervalo t4-t5, la corriente fluye en los conmutadores IGBT9, ITBT3 e IGBT4.
Haciendo referencia a las formas de onda de la figura 6, la corriente y las formas de onda de tension durante un ciclo de la tension sinusoidal de salida se describiran ahora con mayor detalle. En el ejemplo descrito, tambien se da por hecho que la tension y la corriente de salida estan en fase, aunque esto no es necesario y no ocurre, por ejemplo, si el circuito esta conectado a una carga reactiva, en lugar de a una red de distribucion electrica o una carga resistiva. En el eje x del diagrama en la figura 6 se muestran los instantes de tiempo t1, t2, t3, t4, t5 y t6 correspondientes a los instantes t1,.... t6 en los cuales se subdividio el penodo de la tension sinusoidal de salida representada en el diagrama de la figura 5. El diagrama de la figura 6 muestra:
- la corriente de salida (en fase con la tension de salida, figura 7);
- las corrientes en cada uno de los conmutadores IGTB1, IGTB2, IGBT3, IGBT4, IGBT5, IGBT9;
- las senales de excitacion de los conmutadores IGTB1, IGTB2, IGBT3, IGBT4, IGBT5, IGBT9.
Las corrientes y las senales de excitacion de los conmutadores son las siguientes:
En el intervalo de tiempo t0-t1, mientras que la tension de salida aumenta de un valor 0 a un valor Vi/2 y la corriente (bajo las suposiciones hechas con respecto a la carga de salida) sigue el patron de la tension, el conmutador IGBT1 esta abierto (senal de excitacion a 0), el conmutador IGBT2 es excitado y conmuta a una frecuencia, por ejemplo, 15kHz; el conmutador IGBT3 es excitado y conmuta de manera complementaria a IGBT2, es decir, cuando el conmutador IGBT2 esta cerrado, el conmutador IGBT3 esta abierto y al contrario. El ciclo de trabajo del conmutador IGBT2 aumenta gradualmente de 0 a 1, mientras que, en consecuencia, el ciclo de trabajo del conmutador IGBT3 disminuye de 1 a 0. El conmutador IGBT4 esta abierto. Los conmutadores IGBT5 e IGBT9 estan constantemente cerrados (las senales de excitacion se establecen de manera fija en el valor 1). En el intervalo de tiempo de cierre (Tencendido) del conmutador IGBT2, la corriente fluye a traves de los conmutadores IGBT5 e IGBT2 (mas espedficamente en su diodo interno), mientras que durante el intervalo de apertura (Tapagado) del conmutador IGBT2 la corriente fluye a traves de los conmutadores IGBT0 e IGBT3 (mas espedficamente en su diodo interno). A traves de los terminales del conmutador IGBT2 hay una diferencia de tension de Vi.
En el intervalo t2-t3, mientras la tension aumenta por encima del valor Vi/2, el conmutador IGBT1 conmuta a una frecuencia, por ejemplo, de 15kHz con un ciclo de trabajo creciente. El conmutador IGBT2 esta constantemente cerrado, el conmutador IGBT3 esta constantemente abierto y el conmutador IGBT5 conmuta de manera complementaria al conmutador IGBT1. Los conmutadores IGBT9 e IGBT4 pueden asumir cualquier condicion, debido a que el conmutador IGBT3 esta abierto. En el ejemplo ilustrado, el conmutador IGBT9 esta cerrado y el conmutador IGBT4 esta abierto. Como consecuencia del estado de los conmutadores, la corriente fluye a traves del conmutador IGBT1 en el intervalo de encendido (Tencendido) del ciclo de trabajo, mientras que en el intervalo de apagado (Tapagado) de este conmutador la corriente fluye a traves del conmutador IGBT5. Como efecto del aumento gradual del ciclo de trabajo del conmutador IGBT1 desde el instante t1 durante un penodo de (t2-tl)/2, hay un aumento gradual de la corriente de salida. Posteriormente, desde el instante intermedio del intervalo tl-t2 hasta el instante t2, se produce una reduccion gradual del ciclo de trabajo del conmutador IGBT1, es decir, de su tiempo de encendido (Tencendido) y un aumento complementario del ciclo de trabajo del conmutador IGBT5.
En el posterior intervalo t2-t3 hay una condicion similar a la del intervalo t0-t1, pero con una reduccion gradual del tiempo de conduccion (es decir, del ciclo de trabajo) del conmutador IGBT2 y un consiguiente incremento gradual complementario del ciclo de trabajo del conmutador IGBT3.
En el intervalo t3-t6 de la media onda negativa de la corriente y tension de salida (suponiendo, como se indico anteriormente, que la corriente y la tension estan en fase), existe una situacion complementaria a la descrita anteriormente.
Mas concretamente, en el intervalo t3-t4, el conmutador IGBT1 esta abierto (senal de excitacion a cero). El conmutador IGBT2 es excitado y conmuta a una frecuencia, por ejemplo, 15kHz, de manera complementaria al conmutador IGBT3: es decir, cuando el conmutador IGBT2 esta cerrado, el conmutador IGBT3 esta abierto y, al contrario. El ciclo de trabajo del conmutador IGBT2 disminuye gradualmente, mientras que, en consecuencia, aumenta el ciclo de trabajo del conmutador IGBT3. El conmutador IGBT1 esta abierto, el conmutador IGBT5 y el conmutador IGBT9 estan constantemente cerrados.
La corriente fluye a traves de los conmutadores IGBT9 e IGBT3 durante la fase de cierre (Tencendido del ciclo de trabajo) del conmutador IGBT3, mientras que fluye a traves de los conmutadores IGBT5 e IGBT2 durante el intervalo de apertura (Tapagado del ciclo de trabajo) del conmutador IGBT3 y el intervalo de cierre (Tencendido del ciclo de trabajo) del conmutadorIGBT2.
Cuando en el instante t4 la tension alcanza el valor -Vi/2, el estado de los conmutadores cambia. Para el intervalo t4-t5, el conmutador IGBT2 permanece abierto. Los conmutadores IGBT1 e IGBT5 son excitados de manera complementaria y, en el ejemplo ilustrado, el conmutador IGBT1 se mantiene abierto constantemente mientras que el conmutador lGBT5 se mantiene constantemente cerrado. El conmutador IGBT3 permanece constantemente en conduccion (senal de excitacion en 1), el conmutador IGBT4 conmuta a alta frecuencia (por ejemplo, 15kHz) con un ciclo de trabajo variable y el conmutador IGBT9 conmuta de manera complementaria al conmutador IGBT4. El ciclo de trabajo del conmutador IGBT4 aumenta gradualmente hasta alcanzar la tension minima y entonces disminuye, mientras que el ciclo de trabajo del conmutador IGBT9 sigue un patron complementario.
La corriente fluye de manera constante a traves del conmutador IGBT3 y de manera alterna a traves del conmutador IGBT9 e IGBT4 en los respectivos intervalos de conduccion, excitados de manera complementaria.
En el intervalo t5-t6, el estado de los conmutadores vuelve a ser el del intervalo t3-t4, pero con un aumento gradual del tiempo de conduccion (es decir, el ciclo de trabajo) del conmutador IGBT3 y una disminucion correspondiente gradual del tiempo de conduccion (es decir, el ciclo de trabajo) del conmutador IGBT4.
Como en el caso del circuito de la figura 1, la disposicion en serie de los conmutadores IGBT1, IGBT2 e IGBT3, IGBT4 permite tener una condicion especialmente favorable en terminos de reduccion de las perdidas de conmutacion por efecto de la tension nominal mas baja en los conmutadores IGBT1 e IGBT5, con respecto a lo que ocurre en otras tipologfas de convertidores de CC/CA multinivel conocidos en la tecnica.
La ventaja es especialmente significativa considerando que el tiempo de conmutacion de estos conmutadores (tl-t2 para IGBT1 en la media onda positiva y t4-t5 para IGBT4 en la media onda negativa) es mas largo que el tiempo de conmutacion de los interruptores IGBT2 e IGBT3.
Ha de entenderse que el concepto en donde se basan los disenos de los circuitos de las figuras 1 y 4 tambien pueden extenderse a una configuracion con un mayor numero de niveles de tension, debido a que la estructura del circuito es modular.
Cabe senalar que el dibujo solo muestra un ejemplo proporcionado a modo de demostracion practica de la invencion, el cual puede variar en formas y disposiciones sin apartarse, sin embargo, del alcance del concepto subyacente de la invencion. Cualquier numero de referencia en las reivindicaciones adjuntas se proporciona para facilitar la lectura de las reivindicaciones con referencia a la descripcion y al dibujo, y no limita el alcance de proteccion representado por las reivindicaciones.
Claims (14)
1. Un convertidor de CC/CA multinivel, que comprende:
- una entrada (5, 7; 105, 107) de tension continua conectable a una fuente (3; 103) de tension continua, con una primera conexion (5; 105) y una segunda conexion (7; 107) entre las cuales se puede aplicar una tension (Vi) de entrada, situando un neutro (N) entre la primera y la segunda conexion (7, 9; 107, 109);
- un medio puente con un primer conmutador (21; IGBT2) controlado y un segundo conmutador (25; IGBT3) controlado entre los cuales se situa una salida (U) del convertidor;
- una primera rama (15; 115) de conexion entre el primer conmutador (21; IGBT2) controlado y dicha primera conexion (5; 105) y una segunda rama (17; 117) de conexion entre el segundo conmutador (25; IGBT3) controlado y dicha segunda conexion (7; 107), dicha primera rama (15; 115) de conexion y dicha segunda rama (17; 117) de conexion conectan dicho medio puente a dicha entrada (5, 7; 105, 107);
- un tercer conmutador (59; IGBT1) controlado asociado a dicho primer conmutador (21; IGBT2), controlado conectable en serie a dicho primer conmutador controlado para generar una tension de salida que exceda un primer valor (Vi/2) lfmite;
- un cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado asociado a dicho segundo conmutador (25; IGBT3) controlado, conectable en serie a dicho segundo conmutador controlado para generar una tension de salida por debajo de un segundo valor (-Vi/2) lfmite;
- un primer regulador (51; 151) de tension asociado a dicho tercer conmutador (59; IGBT1) controlado y un segundo regulador (53; 153) de tension asociado a dicho cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado;
en donde dicho primer regulador (51; 151) de tension esta situado para regular la tension a traves de un primer condensador (63; 163) y dicho segundo regulador (53; 153) de tension situado para regular la tension a traves de un segundo condensador (65; 165); en donde: dicho tercer conmutador (59; IGBT1) controlado esta conectado (55; 155) entre una primera placa de dicho primer condensador (63; 163) y dicho primer conmutador (21; IGBT2) controlado; y en donde dicho cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado esta conectado (57; 157) entre una primera placa de dicho segundo condensador (65; 165) y dicho segundo conmutador controlado (25; IGBT3) controlado.
2. Un convertidor segun la reivindicacion 1, en donde entre la primera y la segunda conexion (5, 7; 105, 107) se situa un par de condensadores (9, 11; 109, 111) en serie, entre los cuales se situa el neutro (N) del circuito.
3. Un convertidor segun la reivindicacion 1 o 2, en donde: dicho primer conmutador (21; IGBT2) controlado y dicho tercer conmutador (59; IGBT1) controlado estan conectados a una segunda placa de dicho primer condensador (63; 163) a traves de dicha primera rama (15; 115) de conexion; y en donde dicho segundo conmutador (25; IGBT3) controlado y dicho cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado estan conectados a una segunda placa de dicho segundo condensador (65; 165) a traves de dicha segunda rama (17; 117) de conexion.
4. Un convertidor segun una o mas de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos primero, segundo, tercero y cuarto conmutadores (21, 25, 59, 61; IGBT2, IGBT3, IGBT1, IGBT4) controlados son excitados de modo que:
- las tensiones de salida entre un valor (Vi/2) lfmite positivo y un valor (-Vi/2) lfmite negativo se generan al conmutar dicho primer y dicho segundo conmutador (21, 25; IGBT2, IGBT3) controlado a una frecuencia de conmutacion, manteniendo el tercer y el cuarto conmutador (59, 61; IGBT1, IGBT4) controlado constantemente abiertos;
- las tensiones de salida por encima de dicho valor lfmite positivo se generan conmutando el tercer conmutador (59; IGBT1) controlado a una frecuencia de conmutacion y manteniendo dicho primer conmutador (21; IGBT2) controlado constantemente en conduccion;
- las tensiones de salida por debajo de dicho valor lfmite negativo (-Vi/2) se generan al conmutar el cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado a una frecuencia de conmutacion que mantiene dicho segundo conmutador (25; IGBT3) controlado constantemente en conduccion.
5. Un convertidor segun una o mas de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha primera rama (15) de conexion comprende un primer diodo (19) y dicha segunda rama (17) de conexion comprende un segundo diodo (23), dicho primer y dicho segundo diodo que estan orientados en direcciones opuestas.
6. Un convertidor segun la reivindicacion 5, en donde entre la salida y el neutro se situan una primera conexion (31) de sujecion y una segunda conexion (33) de sujecion, cada una de las cuales incluye un primer conmutador (35) de sujecion respectivo y un segundo conmutador (39) de sujecion en serie a un primer diodo (37) respectivo y un
segundo diodo (41), los conmutadores y los diodos de las dos conexiones de sujecion estan dispuestos en antiparalelo.
7. Un convertidor segun la reivindicacion 6, en donde dicho primer y segundo conmutador (35, 37) de sujecion son excitados en funcion del signo de la tension de salida, estando el primer conmutador (35) de sujecion en conduccion y estando el segundo conmutador (39) de sujecion abierto en la media onda negativa de la tension de salida, estando el primer conmutador (35) de sujecion abierto y estando el segundo conmutador (39) de sujecion en conduccion en la media onda positiva de la tension de salida.
8. Un convertidor segun una o mas de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos primero, segundo, tercero y cuarto conmutadores (21, 25, 59, 61) controlados son excitados de modo que:
- los valores de tensiones de salida entre un valor (Vi/2) lfmite positivo y un valor (-Vi/2) lfmite negativo se generan al conmutar dicho primero y segundo conmutador (21, 25) controlado de manera complementaria a una frecuencia de conmutacion con ciclo de trabajo variable mientras dicho tercer y cuarto interruptor (59, 61) controlado se mantienen abiertos;
- los valores de tension de salida que exceden dicho valor (Vi/2) lfmite positivo se generan al conmutar dicho tercer conmutador (59) controlado a una frecuencia de conmutacion con ciclo de trabajo variable, mientras que dicho primer conmutador (21) controlado se mantiene cerrado y dicho segundo conmutador (25) controlado se mantiene abierto;
- los valores de tension de salida por debajo de dicho valor (-Vi/2) lfmite negativo se generan al conmutar dicho cuarto conmutador (61) controlado a dicha frecuencia de conmutacion con ciclo de trabajo variable, manteniendo dicho segundo conmutador (25) controlado cerrado y dicho primer conmutador (21) controlado abierto.
9. Un convertidor segun una o mas de las reivindicaciones 1 a 4, en donde dicha primera rama (115) de conexion comprende un quinto conmutador (IGBT5) y dicha segunda rama (117) de conexion comprende un sexto conmutador (IGBT9) controlado.
10. Un convertidor segun la reivindicacion 9, en donde dicho quinto y dicho sexto conmutador (IGBT5; IGBT9) controlado son excitados con una senal de excitacion PWM con ciclo de trabajo variable durante una porcion respectivamente de la media onda positiva y de la media onda negativa de la tension de salida.
11. Un convertidor segun la reivindicacion 9 o 10, en donde dichos primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto conmutadores (IGBT2, IGBT3; IGBT1; IGBT4, IGBT5, IGBT9) controlados son excitados de modo que:
- los valores de tension de salida entre un valor (Vi/2) lfmite positivo y un valor (-Vi/2) lfmite negativo se generan al conmutar dicho primer y dicho segundo conmutador (IGBT2; IGBT3) controlado de manera complementaria, a una frecuencia de conmutacion con ciclo de trabajo variable, manteniendose el tercer y el cuarto conmutador (IGBT1; IGBT4) controlado abiertos y manteniendose el quinto y el sexto conmutador (IGBT5, IGBT9) controlados cerrados; - los valores de tension de salida que exceden dicho valor (Vi/2) lfmite positivo se generan al conmutar dicho tercer conmutador (IGBT1) controlado y dicho quinto conmutador (IGBT5) controlado de manera complementaria a una frecuencia de conmutacion con un ciclo de trabajo variable, manteniendo dicho primer conmutador (IGBT2) controlado cerrado;
- los valores de tension de salida por debajo de dicho valor (-Vi/2) lfmite negativo se generan al conmutar dicho cuarto conmutador (IGBT4) controlado y dicho sexto conmutador (IGBT9) controlado de manera complementaria a una frecuencia de conmutacion con un ciclo de trabajo variable, manteniendose dicho segundo conmutador (IGBT3) controlado cerrado.
12. Un convertidor segun la reivindicacion 11, en donde cuando la tension de salida excede dicho valor (Vi/2) lfmite positivo, dicho segundo conmutador (IGBT3) controlado se mantiene abierto y cuando la tension de salida esta por debajo de dicho valor (-Vi/2) lfmite negativo dicho primer conmutador (IGBT2) controlado se mantiene abierto.
13. Un convertidor segun una o mas de las reivindicaciones 4, 8, 11 o 12, en donde dicho valor (Vi/2) lfmite positivo de la tension de salida es igual a la mitad de la tension (Vi) de entrada y dicho valor (-Vi/2) lfmite negativo de la tension de salida es igual a la mitad de la tension (-Vi/2) de entrada con su signo invertido.
14. Un metodo para convertir una tension continua en una tension alterna con un valor de pico que excede el valor maximo de la tension (Vi) continua, por medio de un conmutador de CC/CA que comprende:
- un medio puente (21, 25; IGBT2, IGBT3) conectado a una entrada de tension continua (5, 7: 105, 107) y que comprende un primer conmutador (21; IGBT2) controlado y un segundo conmutador (25; IGBT3) controlado entre los cuales se situa una conexion (U) de salida;
- un tercer conmutador (59; IGBT1) controlado y un cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado;
- un primer regulador (51; 151) de tension asociado a dicho tercer conmutador (59; IGBT1) controlado y un segundo regulador (53; 153) de tension asociado a dicho cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado;
en donde:
- los valores de tension de salida entre un valor (Vi/2) lfmite positivo y un valor (-Vi/2) lfmite negativo se generan al excitar dicho primer y dicho segundo conmutador (21, 25; IGBT2, IGBT3) controlado con una senal de conmutacion PWM con ciclo de trabajo variable, manteniendose dicho tercer conmutador (59; IGBT1) controlado y dicho cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado abiertos;
- los valores de tension de salida que exceden dicho valor (Vi/2) lfmite positivo son generados por dicho primer conmutador (21; IGBT2) controlado y dicho tercer conmutador (59; IGBT1) controlado en serie, manteniendose el primer conmutador (21; IGBT2) controlado siempre en conduccion y excitandose el tercer conmutador (59; IGBT1) controlado con una senal de conmutacion PWM con ciclo de trabajo variable;
- los valores de tension de salida por debajo de dicho valor (-Vi/2) lfmite negativo son generados por dicho segundo conmutador (25; IGBT3) controlado y dicho cuarto conmutador (61; IGBT4) controlado en serie, manteniendose el segundo conmutador controlado siempre en conduccion y excitandose el cuarto conmutador controlado con una senal de conmutacion PWM con ciclo de trabajo variable.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/IT2010/000169 WO2011132206A1 (en) | 2010-04-19 | 2010-04-19 | Multi-level dc/ac converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2714215T3 true ES2714215T3 (es) | 2019-05-27 |
Family
ID=43618733
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES10726607T Active ES2714215T3 (es) | 2010-04-19 | 2010-04-19 | Convertidor de CC/CA multinivel |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9030857B2 (es) |
| EP (1) | EP2561606B1 (es) |
| JP (1) | JP5521112B2 (es) |
| CN (1) | CN102918759B (es) |
| ES (1) | ES2714215T3 (es) |
| WO (1) | WO2011132206A1 (es) |
Families Citing this family (41)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102011085559A1 (de) * | 2011-11-02 | 2013-05-02 | Robert Bosch Gmbh | Spannungswandler mit einer ersten Parallelschaltung |
| WO2013080465A1 (ja) * | 2011-11-30 | 2013-06-06 | パナソニック 株式会社 | インバータ装置の制御方法及びインバータ装置 |
| CN102437759B (zh) * | 2012-01-18 | 2016-01-06 | 朱秋花 | 一种高效率的并网逆变电路 |
| US9413268B2 (en) | 2012-05-10 | 2016-08-09 | Futurewei Technologies, Inc. | Multilevel inverter device and method |
| KR101350532B1 (ko) * | 2012-06-29 | 2014-01-15 | 전남대학교산학협력단 | 멀티 레벨 컨버터, 이를 갖는 인버터 및 이를 갖는 태양광 전원 공급 장치 |
| CN102891611B (zh) * | 2012-06-30 | 2014-10-08 | 华为技术有限公司 | 五电平功率变换器及其控制方法、控制装置 |
| CN102820801A (zh) * | 2012-08-24 | 2012-12-12 | 华为技术有限公司 | 一种多电平逆变器及其控制方法 |
| CN102904471B (zh) * | 2012-09-27 | 2015-03-25 | 华为技术有限公司 | 一种逆变器和供电设备 |
| US9941813B2 (en) | 2013-03-14 | 2018-04-10 | Solaredge Technologies Ltd. | High frequency multi-level inverter |
| KR101791288B1 (ko) | 2013-06-05 | 2017-10-27 | 엘에스산전 주식회사 | 멀티 레벨 인버터 |
| CN104253471B (zh) * | 2013-06-28 | 2017-02-22 | 比亚迪股份有限公司 | 电动汽车的充电系统及电动汽车的充电控制方法 |
| CN103346690B (zh) | 2013-07-05 | 2016-03-30 | 华为技术有限公司 | 一种多电平逆变器及供电系统 |
| DE102013213986B4 (de) * | 2013-07-17 | 2016-02-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Dreipunkt-Stromrichter |
| US9252681B2 (en) * | 2013-08-30 | 2016-02-02 | General Electric Company | Power converter with a first string having controllable semiconductor switches and a second string having switching modules |
| CN103475249B (zh) * | 2013-09-11 | 2016-08-17 | 华为技术有限公司 | 一种多电平逆变器 |
| DE102013219679A1 (de) | 2013-09-30 | 2015-04-02 | Robert Bosch Gmbh | Gleichspannungswandler und Verfahren zum Ansteuern eines Gleichspannungswandlers |
| US9190934B2 (en) * | 2014-03-06 | 2015-11-17 | Futurewei Technologies, Inc. | Multilevel hybrid inverter and operating method |
| US9385628B2 (en) * | 2014-03-17 | 2016-07-05 | Futurewei Technologies, Inc. | Multilevel inverter device and operating method |
| US9318974B2 (en) | 2014-03-26 | 2016-04-19 | Solaredge Technologies Ltd. | Multi-level inverter with flying capacitor topology |
| FR3019699B1 (fr) * | 2014-04-03 | 2016-05-13 | Schneider Toshiba Inverter Europe Sas | Convertisseur de puissance multi-niveaux |
| FR3021173B1 (fr) * | 2014-05-13 | 2016-06-24 | Schneider Toshiba Inverter Europe Sas | Convertisseur de puissance multi-niveaux |
| EP3143687A1 (en) * | 2014-05-16 | 2017-03-22 | ABB Schweiz AG | Multi level inverter |
| CN104009663B (zh) * | 2014-05-22 | 2017-02-22 | 南京南瑞继保电气有限公司 | 一种适用于大容量模块化多电平换流器及协调控制方法 |
| CN105991021B (zh) * | 2015-02-02 | 2020-07-07 | 山特电子（深圳）有限公司 | 双向dc-dc变换器 |
| CN106159992B (zh) * | 2015-04-28 | 2019-02-12 | 台达电子企业管理（上海）有限公司 | 电力供应系统及电力变换装置 |
| US10205407B2 (en) * | 2015-09-16 | 2019-02-12 | sonnen GmbH | Inverter device, energy storage system and method of controlling an inverter device |
| US10833584B2 (en) | 2015-11-12 | 2020-11-10 | Empower Semiconductor, Inc. | Boot-strapping systems and techniques for circuits |
| EP3381117B1 (en) | 2015-11-24 | 2022-03-23 | ABB Schweiz AG | Four-level power converter |
| WO2017150989A1 (en) * | 2016-02-29 | 2017-09-08 | University Of Waikato | Electrical inverter assembly |
| CN206272519U (zh) * | 2016-11-23 | 2017-06-20 | 艾默生网络能源有限公司 | 一种多电平逆变器 |
| US9985526B1 (en) * | 2017-06-30 | 2018-05-29 | Empower Semiconductor | Switching regulator with self biasing high voltage swing switch stack |
| US10097109B1 (en) * | 2017-07-19 | 2018-10-09 | Futurewei Technologies, Inc. | Three-level voltage bus apparatus and method |
| CN110998346B (zh) * | 2017-08-03 | 2023-03-21 | 康明斯有限公司 | Pwm控制的负载的开路负载诊断 |
| CN111133669B (zh) * | 2017-09-25 | 2021-10-15 | 华为技术有限公司 | 混合多电平逆变器 |
| EP3462594B1 (en) | 2017-10-02 | 2022-01-05 | FIMER S.p.A. | Five-level converter |
| CN110707953A (zh) * | 2018-07-10 | 2020-01-17 | 施耐德电气It公司 | 准五电平逆变器 |
| ES2767473B2 (es) * | 2018-12-17 | 2020-11-03 | Power Electronics Espana S L | Convertidor dc/dc en "l" |
| EP3713073A1 (de) * | 2019-03-19 | 2020-09-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Stromrichter und verfahren zu dessen regelung |
| WO2020219857A1 (en) * | 2019-04-25 | 2020-10-29 | Magna International Inc. | Motor drive topologies for traction and charging in electrified vehicles |
| US11201562B1 (en) * | 2019-06-23 | 2021-12-14 | Purdue Research Foundation | Soft-switching voltage-edge-rate-limiting power inverter |
| CN110429815B (zh) | 2019-07-19 | 2021-04-20 | 华为技术有限公司 | 升压电路以及升压电路的控制方法 |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4203151A (en) * | 1978-09-21 | 1980-05-13 | Exxon Research & Engineering Co. | High-voltage converter circuit |
| US5684688A (en) * | 1996-06-24 | 1997-11-04 | Reliance Electric Industrial Company | Soft switching three-level inverter |
| DE19945864A1 (de) * | 1999-04-20 | 2000-10-26 | Abb Patent Gmbh | ARCP Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter |
| EP1047180A3 (de) * | 1999-04-20 | 2001-04-11 | ABBPATENT GmbH | ARCP Dreipunkt- oder Mehrpunktstromrichter |
| DE10020537A1 (de) | 2000-04-27 | 2001-12-13 | Fachhochschule Konstanz Fachbe | Solarwechselrichter |
| US7099169B2 (en) * | 2003-02-21 | 2006-08-29 | Distributed Power, Inc. | DC to AC inverter with single-switch bipolar boost circuit |
| US7040391B2 (en) * | 2003-06-30 | 2006-05-09 | Baker Hughes Incorporated | Low harmonic diode clamped converter/inverter |
| JP2007028860A (ja) * | 2005-07-21 | 2007-02-01 | Hitachi Ltd | 電力変換装置及びこれを備えた鉄道車輌 |
| DE102006010694B4 (de) | 2006-03-08 | 2010-01-07 | Refu Elektronik Gmbh | Wechselrichterschaltung für erweiterten Eingangsspannungsbereich |
| US7688048B2 (en) * | 2007-02-21 | 2010-03-30 | American Power Conversion Corporation | 3-phase high power UPS |
| DE102007038959A1 (de) * | 2007-08-14 | 2009-02-26 | Sma Solar Technology Ag | Wechselrichter |
| TWI390827B (zh) * | 2008-09-22 | 2013-03-21 | Ablerex Electronics Co Ltd | 具中性點之雙向直流／直流電壓轉換裝置及應用該電壓轉換裝置的不斷電系統 |
| FR2942088B1 (fr) * | 2009-02-11 | 2011-03-11 | Converteam Technology Ltd | Onduleur de tension a 3n-4 niveaux |
| US8184460B2 (en) * | 2009-05-28 | 2012-05-22 | General Electric Company | Solar inverter and control method |
| US8582331B2 (en) * | 2009-07-20 | 2013-11-12 | Vincotech Holdings S.à.r.l. | Inverter topologies usable with reactive power |
| US8498137B2 (en) * | 2009-12-11 | 2013-07-30 | Magna International, Inc. | Boost multilevel inverter system |
-
2010
- 2010-04-19 JP JP2013505600A patent/JP5521112B2/ja active Active
- 2010-04-19 ES ES10726607T patent/ES2714215T3/es active Active
- 2010-04-19 EP EP10726607.4A patent/EP2561606B1/en active Active
- 2010-04-19 US US13/642,456 patent/US9030857B2/en active Active
- 2010-04-19 WO PCT/IT2010/000169 patent/WO2011132206A1/en active Application Filing
- 2010-04-19 CN CN201080066292.9A patent/CN102918759B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US9030857B2 (en) | 2015-05-12 |
| US20130094260A1 (en) | 2013-04-18 |
| WO2011132206A1 (en) | 2011-10-27 |
| JP2013526247A (ja) | 2013-06-20 |
| JP5521112B2 (ja) | 2014-06-11 |
| EP2561606B1 (en) | 2018-12-05 |
| CN102918759A (zh) | 2013-02-06 |
| EP2561606A1 (en) | 2013-02-27 |
| CN102918759B (zh) | 2015-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2714215T3 (es) | Convertidor de CC/CA multinivel | |
| ES2690675T3 (es) | Operación de un convertidor de tres niveles | |
| ES2541772T3 (es) | Circuito inversor monofásico para acondicionar y convertir energía eléctrica de corriente continua en energía eléctrica de corriente alterna | |
| ES2318555T3 (es) | Inversor. | |
| US9401664B2 (en) | Circuits and techniques for interfacing with an electrical grid | |
| ES2354614T3 (es) | Procedimiento para la conversión de una tensión continua procedente de una fuente de tensión continua, en especial una fuente de tensión continua fotovoltaica, en una tensión alterna. | |
| ES2671138T3 (es) | Dispositivo conversor que comprende al menos cinco niveles de tensión continua y alimentación ininterrumpida provista de dicho dispositivo | |
| US9812949B2 (en) | Poly-phase inverter with independent phase control | |
| ES2881925T3 (es) | Sistema de alimentación solar intercambiable de alta eficiencia | |
| ES2954855T3 (es) | Sistema y procedimiento para conversión de potencia | |
| US8638581B2 (en) | Inverter capable of providing reactive power | |
| US10063162B2 (en) | Multi level inverter | |
| ES2798770T3 (es) | Inversor fotovoltaico con convertidores de retroceso conectados con entradas en paralelo y salidas en serie que alimentan un convertidor de red de puente completo | |
| ES2870473T3 (es) | Modulación por ancho de pulsos (PWM) para inversores de potencia de múltiples niveles | |
| US10498258B2 (en) | Multi-level medium-voltage power converter device having an AC output | |
| RU2007149319A (ru) | Функционирование инверторов с перемодуляцией | |
| US20140078802A1 (en) | Dc/ac inverter to convert dc current/voltage to ac current/voltage | |
| KR20100012019A (ko) | 태양 발전 설비용 변환기 장치 및 그 작동방법 | |
| ES2381657T3 (es) | Dispositivo de multicelda para conversión de energía | |
| ES2769404T3 (es) | Elevador/inversor de 3 niveles integrado para acoplamiento de red de fuentes CC, planta de generación de energía y procedimiento operativo | |
| KR20210004589A (ko) | 멀티 레벨 컨버터 | |
| CN110741545B (zh) | 高效电功率转换 | |
| ES2212619T3 (es) | Ondulador para alimentar corrientes sinusoidales en una red de corriente alterna. | |
| Thamizharasan et al. | A modular multilevel inverter with cascaded half bridge cells | |
| ES2608255B1 (es) | Convertidor DC-DC con salida bipolar y uso del mismo para conexión de un sistema de generación distribuida a una red DC Bipolar |