ES2835856T3 - Patas de fase de convertidor de potencia, convertidor de potencia y método - Google Patents

Abstract

Una pata de fase de convertidor de potencia (220), que comprende: una célula interior (200) que comprende: un primer, un segundo, un tercer, un cuarto, un quinto y un sexto terminales de conexión interiores (235, 241, 239, 5 225, 229, 227); por lo menos un condensador (261) conectado entre el primer y el tercer terminales de conexión interiores (235, 239), y por lo menos un condensador (263) conectado entre el segundo y el tercer terminales de conexión interiores (241, 239), definiendo los condensadores (263) un módulo de condensadores interior (226); y una serie de elementos de conmutación interiores que incluyen un primer elemento de conmutación interior (228) conectado entre el primer y el cuarto terminales de conexión interiores (235, 225), un segundo elemento de conmutación interior (232) conectado entre el segundo y el quinto terminales de conexión interiores (241, 229) y un tercer elemento de conmutación interior (205) conectado entre el tercer y el sexto terminales de conexión interiores (239, 227); una célula exterior (201) que comprende: un primer, un segundo, un tercer, un cuarto, un quinto y un sexto terminales de conexión exteriores (211, 215, 216, 237 221, 219); por lo menos un condensador (212) conectado entre el primer y el tercer terminales de conexión exteriores (211, 216), y por lo menos un condensador (214) conectado entre el segundo y el tercer terminales de conexión exteriores (215, 216), definiendo los condensadores un módulo de condensadores exterior (210); y una serie de elementos de conmutación exteriores que incluyen un primer elemento de conmutación exterior (238) conectado entre el primer y el cuarto terminales de conexión exteriores (211, 237), un segundo elemento de conmutación exterior (242) conectado entre segundo y el quinto terminales de conexión exteriores (215, 221) y un tercer elemento de conmutación exterior (271) conectado entre el tercer y el sexto terminales de conexión exteriores (216, 219). en el que los elementos de conmutación interiores (228, 232, 205) están configurados para funcionamiento mutuamente excluyente por medio de un dispositivo de control; en el que los elementos de conmutación exteriores (238, 242, 271) están configurados para funcionamiento mutuamente excluyente por medio del dispositivo de control; y en el que el primer, segundo y tercer terminales de conexión interiores (235, 241, 239) de la célula interior (200) están conectados respectivamente al cuarto, quinto y sexto terminales de conexión exteriores (237, 221, 219) de la célula exterior (201), y el cuarto, quinto y sexto terminales de conexión interiores (225, 229, 227) de la célula interior (200) están conectados conjuntamente y a un bus de CA (260) para formar una estructura anidada.

Description

DESCRIPCIÓN

Patas de fase de convertidor de potencia, convertidor de potencia y método

I. Campo de la invención

La presente invención se refiere, en general, a topologías multinivel para dispositivos de conversión de potencia. En particular, la presente invención define patas de fase de convertidor de potencia, un procedimiento y un convertidor de potencia, destinados a proporcionar topologías multinivel más eficaces en aplicaciones de alta potencia.

II. Antecedentes

En la electrónica de potencia, la calidad de la potencia, la densidad de la potencia y la eficiencia están entre las consideraciones más significativas cuando se optimiza la conversión de una potencia a otra. Por ejemplo, la calidad de la potencia es un factor significativo cuando se interactúa con la red eléctrica y con máquinas eléctricas. Mantener una alta calidad de la potencia puede ser importante para evitar problemas, tales como polución por interferencia electromagnética (EMI, electromagnetic interference), parpadeo y una vida reducida de las máquinas eléctricas debido a armónicos de corriente elevados y tensiones de dv/dt. Los convertidores de potencia desempeñan una función importante en este proceso.

Existen, generalmente, dos procedimientos para conseguir una densidad y una calidad de la potencia elevadas en electrónica de potencia: el aumento de la frecuencia de conmutación y la topología multinivel. Aumentar la frecuencia de conmutación tiene una limitación, especialmente para convertidores de alta potencia y/o de media tensión, debido a las mayores pérdidas de semiconductores de potencia asociadas con una mayor frecuencia de conmutación y con el límite intrínseco de la velocidad de conmutación para dispositivos semiconductores de alta tensión y alta potencia. Por lo tanto, para aplicaciones de alta tensión y alta potencia, la topología multinivel es un enfoque más eficaz que aumentar la frecuencia de conmutación.

Las topologías de convertidor multinivel consiguen más fácilmente una alta calidad de la potencia y alta densidad a mayor eficiencia. Interaccionando con una carga y/o fuente eléctrica de CA, tal como la red de suministro y las máquinas eléctricas, los convertidores multinivel emulan formas de onda de salida de corriente alterna (CA) mediante proporcionar múltiples niveles de tensión a la salida del convertidor. Por consiguiente, la frecuencia de conmutación se puede reducir debido a armónicos de salida reducidos, como resultado de la salida multinivel. Varias topologías multinivel convencionales y soluciones de control se utilizan ampliamente en la industria.

Una topología multinivel convencional es una topología punto neutro fijo (NPC, neutral point clamped) de tres niveles, que ha sido el caballo de batalla en la industria durante una de cada, especialmente para una tensión de salida por debajo de 3,3 kV. Sin embargo, ampliar la tecnología NPC más allá de tres niveles, para conseguir una calidad de la potencia mayor o para aplicaciones de mayor tensión, representa una complejidad significativamente mayor, impráctica por lo tanto para una amplia utilización industrial.

Para conseguir más tres salidas multinivel, es necesario encontrar maneras de acoplar múltiples convertidores. Existen fundamentalmente dos maneras de acoplar múltiples convertidores - (a) acoplamiento a través de componentes magnéticos o (b) acoplamiento a través de condensadores (flotantes).

Existen dos enfoques (es decir, topologías) para acoplar múltiples convertidores a través de componentes magnéticos para conseguir convertidores multinivel. Un primer enfoque incluye múltiples convertidores, generalmente conectados en paralelo (o derivación), y acoplados con transformadores o reactores interfase. Este primer enfoque se controla con modulación de anchura de pulsos (PWM, pulse width modulation) entrelazada y produce múltiples niveles de tensión de salida. Los inconvenientes de este enfoque incluyen la circulación de corriente entre los convertidores acoplados en paralelo, que conduce en última instancia a mayores pérdidas, una menor utilización de los semiconductores y una mayor complejidad del control.

Un segundo enfoque incluye múltiples puentes H de una sola fase (tanto puentes H de dos niveles como de tres niveles) conectados en serie (o en cascada), donde cada uno de estos puentes H de una sola fase está conectado a enlaces de CC aislados. Debido al aislamiento galvánico proporcionado por un transformador de múltiples bobinas, los puentes H se pueden acoplar conjuntamente directamente con conexión en cascada para producir en consecuencia tensiones de salida multinivel. Sin embargo, los transformadores de múltiples bobinas son complejos y voluminosos. Asimismo, es difícil y costoso adaptar este enfoque para funcionamiento en cuatro cuadrantes.

Generalmente, para procesar una misma cantidad de potencia, los condensadores y los semiconductores de potencia tienden a tener mayor densidad y menor coste que los de los componentes magnéticos. Por lo tanto, en comparación con acoplar múltiples convertidores con componentes magnéticos, acoplar múltiples convertidores con condensadores (flotantes) proporciona mejor eficiencia y densidad de potencia a un coste menor.

Los convertidores multinivel modulares (MMC, modular multi-level converters) siguen siendo una topología adicional y ampliamente utilizada basada en condensadores. Una serie de puentes H modulares están en cascada directamente para proporcionar múltiples niveles de tensión de salida, teniendo cada uno sus propios condensadores de enlace de CC flotantes. Los niveles de tensión de estos enlaces de CC están estrechamente regulados, utilizando la corriente de carga entre múltiples fases de las patas de puentes en cascada. El tamaño de los condensadores de enlace de CC es inversamente proporcional a la frecuencia fundamental del correspondiente terminal de CA. Por lo tanto, esta solución no es óptima para aplicaciones de frecuencia baja y variable, tales como accionamientos de motor, debido a condensadores de enlace de CC flotantes bastante grandes.

Un enfoque mejor que los enfoques convencionales descritos anteriormente incluye acoplar múltiples convertidores juntos a través de condensadores flotantes para proporcionar múltiples niveles de tensión de salida. Las tensiones a través de los condensadores flotantes se regulan en cada ciclo de conmutación. De este modo, el tamaño del condensador es inversamente proporcional a la frecuencia de conmutación, en lugar de a la frecuencia fundamental de la carga o fuente de CA. Dado que la frecuencia de conmutación es habitualmente más de 30 a 50 veces mayor que la frecuencia fundamental, el tamaño del condensador flotante se puede reducir de manera efectiva. Por lo tanto, se puede conseguir un aumento adicional de la densidad de potencia y una reducción en coste.

La Patente US 2013/0272045 da a conocer un convertidor de fuente de tensión (VSC, voltage source converter) con una topología NPC donde se disponen conmutadores auxiliares en cada pata de fase

III. Resumen de las realizaciones

Dadas las deficiencias mencionadas anteriormente, se requieren procedimientos y sistemas mejorados para proporcionar salidas multinivel de conversión de potencia. Más particularmente, existe la necesidad de procedimientos y sistemas mejorados basados en condensadores, para convertir potencia de un tipo en otro La presente invención da a conocer una pata de fase de convertidor de potencia según la reivindicación 1, y una pata de fase de convertidor de potencia según la reivindicación 4. La presente invención da a conocer además un convertidor de potencia según la reivindicación 8. La presente invención da a conocer además un procedimiento de funcionamiento de una pata de fase de convertidor de potencia, según la reivindicación 9.

Las patas de fase de convertidor de potencia tienen una estructura de punto neutro pilotado (NPP, neutral point piloted) anidada. Estas estructuras de NPP son escalables a aplicaciones de mayor tensión que requieren salidas de más de tres niveles, simplemente duplicando la estructura de manera anidada.

Los condensadores flotantes, dentro de las estructuras NPP anidadas, son controlados y equilibrados activamente dentro de uno o varios ciclos de conmutación, para mantener sus niveles de tensión. De este modo, el tamaño de los condensadores es inversamente proporcional a la frecuencia de conmutación, no a la frecuencia fundamental del terminal de CA. Utilizando este enfoque, se pueden conseguir una calidad de la potencia y una densidad de potencia mayores. Las realizaciones incluyen otras ventajas, tales como redundancia de fallos con dispositivos en serie, equilibrio de condensadores flotantes, y detección más robusta/rápida de cortocircuitos y de sobretensión de dispositivos. Algunas realizaciones utilizan estados de conmutación redundantes para conseguir características de control adicionales, tales como regulación de tensiones de condensadores flotantes y/o compensación de tensiones térmicas de conmutadores de semiconductor de potencia en diferentes posiciones de conmutación.

Cada pata de fase comprende una célula interior y una célula exterior. Cada célula comprende tres elementos de conmutación.

Cada elemento de conmutación puede estar compuesto de múltiples dispositivos de semiconductor de potencia conectados en serie. La conexión en serie puede extender la tensión de funcionamiento de cada elemento de conmutación y mejorar la fiabilidad, reduciendo el esfuerzo de tensión de cada dispositivo semiconductor de potencia. Se proporciona un funcionamiento tolerante a fallos simplemente soslayando dispositivos de semiconductor averiados. Un subproducto de las técnicas de control dadas a conocer es la detección más rápida de fallos, tales como desaturación y sobretensión de conmutadores de semiconductor de potencia

IV. Breve descripción de los dibujos

La presente invención se muestra en los dibujos adjuntos, a cuyo través los numerales de referencia similares pueden indicar partes correspondientes o similares en las diversas figuras. Los dibujos tienen solamente la finalidad de mostrar realizaciones preferidas y no se debe considerar que limitan la invención. Dada la siguiente descripción habilitante de los dibujos, los aspectos nuevos de la presente invención deberán resultar evidentes para un experto en la materia.

La figura 1A es una ilustración de diagrama de bloques de una célula de NPP de ejemplo incluida dentro de un único convertidor de un sistema de conversión de potencia de ejemplo.

La figura 1B es una ilustración gráfica de un diagrama de temporización a modo de ejemplo, para señales generadas para controlar la célula de NPP representado en la figura 1A.

La figura 2A es una ilustración de diagrama de bloques a modo de ejemplo, de una célula de NPP interior.

La figura 2B es una ilustración gráfica de un diagrama de temporización para señales generadas para control, y una implementación a modo de ejemplo de la célula de NPP interior mostrada en la figura 2A.

La figura 2C es una ilustración de diagrama de bloques de una implementación de un conmutador de potencia utilizada dentro de elementos de conmutación, en la célula de NPP interior mostrada en la figura 2A.

La figura 3 es una ilustración de diagrama de bloques a modo de ejemplo de una célula de NPP exterior.

La figura 4 es una ilustración de diagrama de bloques a modo de ejemplo de una única pata de fase de convertidor de potencia de 5 niveles, de acuerdo con la presente invención, construida a partir de una combinación anidada de las células de NPP interior y exterior mostradas en las figuras 2A y 3.

La figura 5A es un diagrama de estado a modo de ejemplo, de estados de conmutación utilizados para controlar la pata de fase de convertidor de potencia a modo de ejemplo mostrada en la figura 4.

La figura 5B es una ilustración tabular de estados de conmutación a modo de ejemplo, para controlar la pata de fase de convertidor de potencia mostrada en la figura 4.

La figura 5C es una ilustración de diagramas de temporización a modo de ejemplo, junto con una forma de onda de salida a modo de ejemplo, asociados con los estados de conmutación de las figuras 5A y 5B.

La figura 5D es una ilustración de otro diagrama de temporización a modo de ejemplo.

La figura 6A es una ilustración de una primera trayectoria de flujo de estado de conmutación a través de las células de NPP interior y exterior.

La figura 6B es una ilustración de una segunda trayectoria de flujo de estado de conmutación (redundante) a través de la células de NPP interior y exterior de la figura 6A.

La figura 7 es una ilustración de diagrama de bloques de patas de fase de 5 niveles a modo de ejemplo, utilizadas en un convertidor multifase, de acuerdo con la presente invención.

La figura 8 es una ilustración de una pata de fase de convertidor de potencia de 7 niveles a modo de ejemplo, de acuerdo con la presente invención.

La figura 9 es una ilustración de diagrama de bloques a modo de ejemplo del sistema de conversión de potencia a modo de ejemplo.

La figura 10 es una ilustración de diagrama de bloques de un dispositivo de control y una pata de fase de convertidor de potencia de 5 niveles, de acuerdo con la presente invención.

La figura 11 es un diagrama de flujo de un procedimiento de ejemplo de la presente invención.

La figura 12 es una ilustración de diagrama de bloques de un sistema informático a modo de ejemplo, en el que se puede implementar la presente invención.

V. Descripción detallada de varias realizaciones

Si bien la presente invención se describe en la presente memoria con realizaciones ilustrativas para aplicaciones particulares, se deberá comprender que la invención no se limita a las mismas.

Salvo que se defina otra cosa, los términos técnicos y científicos utilizados en la presente memoria tienen el mismo significado que entiende normalmente un experto en la materia a la que pertenece la invención. Los términos "primero", "segundo" y similares, tal como se utilizan en la presente memoria no denotan ningún orden, cantidad o importancia, sino que se utilizan por el contrario para distinguir un elemento de otro. Asimismo, los términos "un" y "una" no indican una limitación de cantidad, sino que denotan la presencia de por lo menos uno de los elementos referenciados. El término "o" pretende ser inclusivo y significa alguno, varios o la totalidad de los elementos enumerados.

Se entiende que la utilización de "incluye", "comprende" o "tiene" y variaciones de los mismos en la presente memoria abarca los elementos enumerados a continuación y equivalentes de los mismos, así como elementos adicionales. Los términos "conectado" y "acoplado" no están limitados a conexiones o acoplamientos físicos o mecánicos, y pueden incluir cualesquiera conexiones o acoplamientos, ya sean directos o indirectos. Los términos "circuito", "circuitos" y "controlador" pueden incluir un único componente o bien una serie de componentes, que pueden ser componentes activos y/o pasivos y pueden opcionalmente estar conectados o acoplados de otro modo entre sí para proporcionar la función descrita.

En las diversas realizaciones, se consigue una conversión de potencia multinivel de manera que proporciona una mayor densidad y calidad de la potencia que los enfoques convencionales, a costes inferiores. En una realización, se da a conocer una estructura de NPP anidados multinivel para conseguir los múltiples niveles de tensión de salida, señales de control, salida de un controlador, activar/desactivar selectivamente componentes de convertidor internos para controlar los niveles de salida de tensión -aumentando los niveles a cinco, siete, nueve, once o más.

La estructura de NPP anidados se crea replicando estructuras de célula individuales, envolviendo una célula alrededor de la otra, formando una célula interior anidada dentro de una célula exterior. En estas estructuras de NPP anidadas, los dispositivos conmutadores, condensadores de enlace de CC y otros componentes internos se pueden configurar para funcionar a modo de cascada con el fin de producir los múltiples niveles de salida requeridos.

El controlador puede estar configurado para controlar el funcionamiento de los elementos de conmutación -activar (encender) y desactivar (apagar) conmutadores de potencia dentro de elementos de conmutación, uno por uno. Cada vez que un conmutador de potencia es activado, se expresa un nivel de tensión de salida en una de las células. Activar y desactivar los conmutadores de potencia permite un control preciso de la salida de niveles de tensión desde el convertidor.

Visión general de la estructura de célula

La figura 1A es una ilustración de diagrama de bloques de una célula de NPP básica de 3 niveles a modo de ejemplo 200 configurada para funcionar dentro de uno de los convertidores en un sistema de conversión de potencia a modo de ejemplo.

En el ejemplo de la figura 1A, la célula de NPP de 3 niveles 200 incluye elementos de conmutación 205, 228 y 232 que son controlables por medio de un dispositivo de control 140. El dispositivo de control 140 controla el funcionamiento de la célula de NPP 200 por medio de señales de control 106. Tal como entienden los expertos en la materia, el dispositivo de control 140 se puede acoplar a la célula de NPP 200 por medio de enlaces de comunicación inalámbricos, ópticos u otros similares.

Los condensadores flotantes 261 y 263 forman un módulo de condensadores (por ejemplo, enlace de CC 226). En las realizaciones, la célula de NPP 200 es anidable o conectable, en una disposición en cascada con otras células de NPP.

El elemento de conmutación 228 incluye terminales de conexión 225 (que tiene una orientación interior con respecto a la célula de NPP 200) y 235 (por ejemplo, en orientación exterior con respecto a la célula de NPP 200 y la orientación del elemento 228) en extremos respectivos. De manera similar, el elemento de conmutación 232 incluye terminales de conexión 229 (por ejemplo, interior) y 241 (por ejemplo, exterior) en extremos respectivos.

El elemento de conmutación 205 incluye terminales de conexión 227 (interior) y 239 (exterior) en extremos respectivos. El terminal de conexión 239 está formado por medio de la conexión de los condensadores flotantes 261 y 263. Una conexión de este tipo es a lo largo de la trayectoria formada por la conexión en serie de los condensadores flotantes 261 y 263. El otro terminal del condensador flotante 261 está acoplado con los terminales de conexión 235. De manera similar, el otro terminal del condensador flotante 263 está acoplado con el terminal de conexión 241. Los términos "interior" y "exterior" utilizados en la presente memoria tiene solamente propósitos ilustrativos.

El control de la célula de NPP 200 se consigue por medio de la manipulación de los elementos de conmutación 205, 228 y 232 en respuesta a las señales de control 106. Los estados de conmutación de los elementos de conmutación 205, 228 y 232 ocurren de manera mutuamente exclusiva. Es decir, cuando un elemento de conmutación dentro de una célula es activado (ACTIVADO), los otros elementos de conmutación dentro de dicha célula son desactivados (DESACTIVADO), con sustancialmente solapamiento cero entre los diversos estados de conmutación. Esta conmutación mutuamente excluyente facilita la producción eficiente de diferentes niveles de tensiones de salida. Por ejemplo, cuando el elemento de conmutación 228 está ACTIVADO, los elementos de conmutación 205 y 232 están DESACTIVADOS, y el primer terminal en cascada de salida 225 produce una tensión de salida de primer nivel Vp. Cuando el elemento de conmutación 232 está ACTIVADO, los elementos de conmutación 205 y 228 están DESACTIVADOS, y el terminal en cascada de salida 229 produce una tensión de salida de segundo nivel Vn.

De manera similar, cuando el elemento de conmutación 205 está ACTIVADO, los elementos de conmutación 228 y 232 están DESACTIVADOS, y el terminal en cascada de salida 227 proporciona una tensión de salida de tercer nivel V^mid, donde los niveles de salida son diferentes entre sí. Más específicamente, cada una de las tensiones de salida de diferente nivel (V^p, Vⁿ y V^mid) está asociada exclusivamente con un respectivo elemento de conmutación ACTIVADO. Este proceso de control se explica con mucho más detalle a continuación. De este modo, la célula de NPP 200 representa una topología de célula de NPP de 3 niveles.

Solamente a modo de ejemplo y no de limitación, cada uno de los elementos de conmutación 205, 228 y 232 se puede implementar como un conmutador de potencia, siendo cada uno controlable para permitir un flujo de corriente bidireccional. Los elementos de conmutación 228 y 232 pueden bloquear tensión unidireccional, mientras que el elemento de conmutación 205 puede bloquear tensión bidireccional. Alternativamente, tal como se muestra en el ejemplo de la figura 2A a continuación, uno o varios de los elementos de conmutación 228 y 232 se pueden implementar como dos o más conmutadores de potencia unidireccionales conectados en serie. El elemento de conmutación 205 se puede implementar con dos o más conmutadores de potencia unidireccionales conectados en serie en polaridad inversa. Tal como apreciarán los expertos en la materia, múltiples dispositivos de baja tensión conectados en serie proporcionan generalmente una mayor tensión total, que resiste una capacidad adecuada para necesidades de aplicaciones.

El número de conmutadores de potencia dentro de cada elemento de conmutación es un factor económico considerado en el coste de producción y la capacidad de un convertidor individual. De este modo, la presente invención no se limita a elementos de conmutación que incluyen solamente uno o dos conmutadores de potencia.

La figura 1B es una ilustración gráfica de un diagrama de temporización a modo de ejemplo 190 de señales de temporización generadas para controlar la célula de NPP 200 representada en la figura 1A. En la figura 1B, por ejemplo, en el tiempo t⁰ el conmutador de potencia 205 es activado (estado ACTIVADO), pasando de "0" a "1" y el conmutador de potencia 228 es desactivado (estado DESACTIVADO), pasando de "1" a "0". En el tiempo t¹, el conmutador de potencia 205 es desactivado, pasando de "1" a "0", y un conmutador de potencia 232 es activado, pasando de "0" a "1". La activación y la desactivación se controlan por medio de señales de accionamiento (discutidas en mayor detalle a continuación) que pueden ser generadas por un único dispositivo de control, tal como el dispositivo de control 140. Las realizaciones de la presente invención pueden producir asimismo un estado flotante en el que todos los conmutadores de potencia están apagados, o desconectados de todos los demás terminales de conexión.

La figura 2A es una ilustración de diagrama de bloques detallada de una implementación de la célula 200 representada en la figura 1A como una célula de NPP interior. La figura 2A representa asimismo accionadores de puerta asociados con los elementos de conmutación 228, 232 y 205. Los múltiples conmutadores de potencia en la célula de NPP interior 200 se controlan asimismo para realizar operaciones de conmutación de manera mutuamente excluyente. Tal como se muestra en la figura 2A, el elemento de conmutación 228 está configurado para ser conectado/desconectado de acuerdo con señales de accionamiento 309 proporcionadas desde un accionador de puerta 301. El elemento de conmutación 232 está configurado para ser conectado/desconectado de acuerdo con señales de accionamiento 315 proporcionadas desde un accionador de puerta 307.

El conmutador de potencia 234 (denominado asimismo conmutador secundario) está configurado para ser conectado/desconectado de acuerdo con señales de accionamiento de conmutación 311 proporcionadas desde un tercer accionador de puerta 303. El conmutador de potencia 236 (denominado asimismo segundo conmutador secundario) está configurado para ser conectado/desconectado de acuerdo con señales de accionamiento de conmutación 313 proporcionadas desde un accionador de puerta 305. Tal como se muestra en la figura 2C, las señales de accionamiento 311 y 313 suministradas a los conmutadores de potencia 234 y 236 funcionan de manera síncrona.

En la figura 2B, en un instante de tiempo tü, una primera señal de accionamiento 309 tiene un flanco descendente que indica que el elemento de conmutación 228 (S1) está cambiando del estado ACTIVADO al estado DESACTIVADO. En un instante de tiempo t⁰-y⁰, donde "y0-y7" son cuántos de tiempo finitos que ocurren antes o después del instante de tiempo "t". Por ejemplo, t⁰-y⁰ ocurre antes que t⁰, donde una primera parte del elemento de conmutación 205 (S2) (por ejemplo, conmutador de potencia 236) es activada por medio de una segunda señal de accionamiento 313.

En realidad, un experto la materia puede apreciar que en el instante de tiempo t⁰-y⁰, el elemento de conmutación 205 sigue controlado en un estado DESACTIVADO. El elemento de conmutación 205 está controlado en un estado ACTIVADO solamente cuando ambos conmutadores secundarios 234 y 236 están activados. En una cantidad finita de tiempo después de t⁰, por ejemplo en t⁰+y¹, una segunda parte (por ejemplo, el conmutador de potencia 234) del elemento de conmutación 205 se activa por medio de una tercera señal de accionamiento 311. En el instante de tiempo t⁰+y¹, el elemento de conmutación 205 cambia formalmente al estado DESACTIVADO.

Similarmente, en el instante de tiempo t¹-y², antes de t¹, la primera parte del elemento de conmutación 205 (S2) (conmutador de potencia 236) es desactivada durante un estado DESACTIVADO a través de la segunda señal de accionamiento 313. En un instante de tiempo t¹, una cuarta señal de accionamiento 315 cambia el elemento de conmutación 232 (S4) a un estado ACTIVADO. En un instante de tiempo t1+y3, la segunda parte del elemento de conmutación 205 (S3) (conmutador de potencia 234) cambia formalmente a un estado DESACTIVADO por medio de la tercera señal de accionamiento 311. Los expertos en la materia pueden apreciar que los cuantos de tiempo y0-y7 pueden todos tener valores diferentes. El proceso descrito anteriormente se repite para los estados restantes t2-t3. De este modo, los flancos ascendente y descendente de 228, 205 y 232 están sustancialmente no solapados.

La figura 2C es una ilustración de diagrama de bloques de un conmutador de potencia 228 de la figura 2A. El elemento de conmutación 228 se puede configurar para incluir cualquier tipo de conmutadores de potencia (interno a elementos de conmutación). Por ejemplo, los elementos de conmutación 238, 228, 232, 242 se pueden configurar para adaptarse de manera precisa a la configuración del elemento de conmutación 228.

Más específicamente, el elemento de conmutación 228 incluye un conmutador de potencia 316, un conmutador de potencia 318 y un n-ésimo conmutador de potencia 322, donde n es igual o mayor que dos. A modo de ejemplo, los conmutadores de potencia 316 y 318 están conectados en paralelo con respectivos diodos antiparalelos 324 y 326. El n-ésimo conmutador de potencia 322 está conectado en paralelo con un n-ésimo diodo antiparalelo 328. En algunas condiciones, cada conmutador de potencia se puede integrar con su correspondiente diodo antiparalelo para formar un único conmutador.

Dado que los conmutadores de potencia 316, 318 y el n-ésimo conmutador de potencia 322 están conectados en serie entre las líneas de CC 206 y 208, a cada uno de los conmutadores se aplica una parte de la tensión de CC. Por lo tanto, se pueden utilizar conmutadores de baja tensión nominal para sustituir un único conmutador de potencia 312, que tiene una alta tensión nominal. Tal como se muestra en la figura 2C, el conmutador de potencia único 312 está asimismo integrado con un diodo antiparalelo 314. Adicionalmente, un número mayor de conmutadores de potencia proporciona un mayor nivel de redundancia.

Solamente a modo de ejemplo y no de limitación, los conmutadores de potencia pueden estar fabricados de un transistor de efecto campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET, metal oxide semiconductor field effect transistor), un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, insulated gate bipolar transistor) y un tiristor conmutado por puerta integrada (IGCT, integrated gate commutated thyristor), por nombrar unos pocos.

La figura 3 es una ilustración de diagrama de bloques de una célula de NPP exterior 201. La figura 3 representa asimismo accionadores de puerta asociados con conmutadores de potencia dentro de cada uno de los elementos de conmutación 238, 242 y 271. Tal como se ha indicado anteriormente, los múltiples dispositivos en la célula de NPP exterior 201 se controlan para realizar operaciones de conmutación de manera mutuamente excluyente.

Más específicamente, el elemento de conmutación 238 está configurado para ser conectado/desconectado de acuerdo con señales de accionamiento de conmutación 325 proporcionadas desde un accionador de puerta 317. El elemento de conmutación 242 está configurado para ser conectado/desconectado de acuerdo con señales de accionamiento de conmutación 327 proporcionadas desde un accionador de puerta 319. El conmutador de potencia 244, dentro del elemento de conmutación 271, está configurado para ser conectado/desconectado de acuerdo con señales de accionamiento de conmutación 329 proporcionadas desde un accionador de puerta 321. El conmutador de potencia 246 está configurado para ser conectado/desconectado de acuerdo con señales de accionamiento 331 proporcionadas desde un accionador de puerta 323.

Las señales de accionamiento de conmutación 329 y 331 funcionan de manera síncrona y se generan desde un único controlador. Los instantes de conmutación de las señales de accionamiento 329 y 331 se ajustan para garantizar la conmutación adecuada de los elementos de conmutación 238 o 242, y para garantizar un tiempo muerto para evitar cortocircuitos de los condensadores flotantes. Por ejemplo, las señales de accionamiento 329 y 331 se pueden ajustar de manera correspondiente para una conmutación avanzada o una conmutación retardada de los conmutadores secundarios 246 y/o 244 en el elemento de conmutación 271 en un cuanto de tiempo sustancialmente pequeño con respecto a las señales de accionamiento suministradas al elemento de conmutación 238 o 242.

La figura 4 es un diagrama de bloques detallado de una pata de fase 220, según la presente invención. Tal como se ha indicado anteriormente, la pata de fase 220 está formada de una estructura de NPP anidada que incluye la célula de NPP exterior 201 envuelta alrededor de la célula de NPP interior 200. Los componentes, la estructura y el comportamiento operativo dentro de la célula interior 200 y la célula exterior 201 son virtualmente idénticos.

Esta técnica permite la expansión de la topología de 3 niveles de una célula de NPP básica para conseguir salidas que tienen cinco niveles (tal como en el caso de la pata de fase 220) o siete, nueve, once o más niveles.

En la figura 4, la célula de NPP exterior 201 incluye los condensadores 212 y 214. En la realización de la figura 4, los condensadores 212 y 214 forman un enlace de CC 210. En otras realizaciones, los condensadores 212 y 214 no tienen que configurarse para formar un enlace de CC. Los condensadores 212 y 214 son esencialmente idénticos a los condensadores 261 y 263 de la célula de NPP interior 200 como condensadores "flotantes". De manera similar, los conmutadores de potencia 238, 242, 244 y 246 de la célula exterior 201 son esencialmente equivalentes o idénticos a los conmutadores de potencia 228, 232, 234 y 236 de la célula de NPP interior 200.

En la figura 4, el elemento de conmutación 205 es un conmutador bidireccional que conduce corriente bidireccional y bloquea tensión bidireccional. Este se puede implementar como dos conmutadores de potencia unidireccionales acoplados en inversa 234 y 236. Sin embargo, la presente invención no se limita a esta implementación particular de conmutador de potencia. En la realización de la figura 4, los conmutadores de potencia 234 y 236 son controlables por medio del dispositivo de control 140 para permitir que fluyan a su través corrientes eléctricas con sentidos opuestos. Los elementos de conmutación 228 y 232 pueden conducir corriente bidireccional y bloquear tensión unidireccional.

Uno de los terminales 235 del elemento de conmutación 228 está acoplado a un terminal del módulo de condensadores 226 o, más específicamente, a un terminal del condensador flotante 261. Este acoplamiento permite que el terminal 235 funcione como un primer terminal en cascada de entrada. El otro terminal 225 del elemento de conmutación 228 funciona como un primer terminal en cascada de salida y se puede acoplar al terminal de salida Un terminal del elemento de conmutación 232 está acoplado a otro terminal del módulo de condensadores 226, más específicamente a un terminal del condensador flotante 263, permitiendo que el terminal 241 funcione como un segundo terminal en cascada de entrada. El terminal de conexión 229 funciona como un segundo terminal en cascada de salida y puede asimismo estar acoplado al terminal de salida 260.

Un terminal 239 del elemento de conmutación 205 está acoplado a un punto de conexión 239 del enlace de CC 226 y funciona como un tercer terminal en cascada de entrada. Otro terminal 227 del elemento de conmutación 205 funciona como un tercer terminal en cascada de salida y es asimismo acoplable al terminal de salida 260.

En una primera realización a modo de ejemplo, los terminales en cascada de entrada 235, 239 y 241 se pueden acoplar respectivamente a tres terminales en cascada de salida de otra célula de NPP (por ejemplo, la célula de NPP exterior 201). En esta primera realización a modo de ejemplo, la célula de NPP 200 es la célula de NPP interior y la célula de NPP 201 es la célula de NPP exterior, tal como se ha indicado anteriormente.

En una segunda realización a modo de ejemplo, los terminales en cascada de salida 225, 227 y 229 se pueden acoplar respectivamente a tres terminales en cascada de entrada de otra célula de NPP. Sin embargo, en esta segunda realización a modo de ejemplo, la célula de NPP 200 funciona como la célula de NPP exterior, y la otra célula de NPP funciona como la célula de NPP interior. La célula de NPP 201 podría funcionar similarmente como una célula de NPP interior. Anidar células de NPP en disposiciones en cascada permite la expansión del número de niveles de salida de tensión alcanzables.

Durante el funcionamiento y control de la célula de NPP interior 200, cuando se activa un elemento de conmutación, este entrega una tensión. Por ejemplo, cuando el elemento de conmutación 228 (orientado en la misma dirección que el elemento de conmutación 232) está activado, los terminales 235 y 225 conectan entre sí. Cuando el elemento de conmutación 205 está activado, los terminales 239 y 227 conectan entre sí. De manera similar, cuando el elemento de conmutación 232 está activado, los terminales 229 y 241 conectan entre sí.

Se consigue el control de las células activando y desactivando los elementos de conmutación de uno en uno. Con propósitos ilustrativos, los componentes dentro de la célula de NPP interior 200 tienen una designación de nivel S, y los componentes dentro de la célula de NPP exterior 201 tienen una designación de nivel T. Transitar de un estado de conmutación al siguiente estado de conmutación, dentro de respectivos niveles S y T, se consigue por medio de la coordinación de las señales de control 106 proporcionadas a cada célula desde el dispositivo de control 140. A modo de ejemplo, cada una de las señales de control 106 puede incluir múltiples señales de control enviadas simultáneamente a accionadores de puerta dentro de conmutadores de potencia individuales de cada elemento de conmutación, para todos los conmutadores de potencia en un nivel particular. Por ejemplo, una señal a los conmutadores de potencia dentro del elemento de conmutación 228 (S1), otra señal a 232 (S4) y una tercera señal al elemento de conmutación 205, incluyendo los conmutadores de potencia 236/234 (S2/S3). Asimismo, una señal a 238 (T1), otra señal a 242 (T4) y una tercera señal a 244/246 (T2/T3).

Este control de señales coordinado garantiza que no está ACTIVADO más de un elemento de conmutación en la célula de NPP interior 200 de nivel S en un momento dado. De manera similar, no hay más de un elemento de conmutación ACTIVADO en la célula de NPP exterior 201 de nivel T en un momento dado.

Las estructuras de células de NPP anidadas dentro de la pata de fase 220, combinadas con la utilización del dispositivo de control 140, producen tensiones de salida multinivel de calidad de la potencia y densidad de potencia superiores. La estructura de estas células de NPP anidadas se puede replicar, produciendo cada célula un número predeterminado de salidas, para expandir el número de niveles de salida de tensión.

Por ejemplo, y como una expansión de la discusión anterior en relación con la figura 1A, la célula de NPP interior 200 puede estar configurada y controlada para proporcionar una tensión de salida con tres niveles. Similarmente, la célula de NPP exterior 201 puede estar configurada y controlada para proporcionar una tensión de salida con tres niveles. El nivel de tensión de salida de la pata de fase con células de NPP anidadas seria 2*número de células+1, cuando ambas células de NPP interior y exterior son células de NPP de 3 niveles.

En la realización a modo de ejemplo de la figura 4, la pata de fase 220 proporciona una tensión de salida de 5 niveles. Más específicamente, y solamente a modo de ejemplo y no de limitación, los condensadores y los elementos de conmutación dentro de cada una de las células de NPP interior y exterior 200 y 201 están estructurados para tener seis terminales de conexión. Los terminales de conexión de una estructura de célula conectan con correspondientes terminales de conexión de la otra estructura de célula.

De manera similar a la disposición de la célula de NPP interior 200, la célula de NPP exterior 201 incluye elementos de conmutación 238, 242 y 271. El elemento de conmutación 238 tiene un terminal de conexión 237 (por ejemplo, interior) en un extremo y un terminal de conexión 211 (por ejemplo, exterior) en su otro extremo. A modo de ejemplo, el elemento de conmutación 242 está orientado en la misma dirección que el elemento de conmutación 238. El elemento de conmutación 242 tiene un terminal de conexión 221 (interior) en un extremo y 215 (exterior) en su otro extremo. El elemento de conmutación 271 incluye conmutadores de potencia 244 y 246 que están acoplados en inversa en serie.

Adicionalmente, el elemento de conmutación 271 tiene un terminal de conexión 219 (interior) en un extremo. Un terminal de conexión (exterior) del elemento de conmutación 271 está acoplado a un terminal de conexión 216 definido entre los condensadores 212 y 214 del módulo de condensadores 210. Además, los extremos del condensador 212 están acoplados a los dos terminales de conexión 211 y 216, respectivamente. De manera similar, dos extremos del segundo condensador 214 están acoplados a los dos terminales de conexión 216 y 215, respectivamente.

A modo de revisión, las estructuras de células de NPP anidadas se forman acoplando conjuntamente los terminales de conexión 237 y 235, acoplando conjuntamente los terminales de conexión 219 y 239 y acoplando conjuntamente los terminales de conexión 241 y 221. En otras realizaciones, se pueden realizar conexiones similares para formar una topología de convertidor de alto nivel conectando más de tres módulos de convertidor de seis terminales.

En la figura 4, los terminales de conexión 225, 227, 229 (es decir, terminales interiores) de la célula interior 200 están conectados al puerto de CA 260 para recibir o proporcionar tensión de CA. Adicionalmente, el terminal de conexión 211 está acoplado al puerto de CC 202 a través de la primera línea de CC 206. El terminal de conexión 215 está acoplado al puerto de CC 204 a través de la línea de CC 208. De este modo, los terminales de conexión 211 y 215 está configurados para recibir o proporcionar tensiones de CC.

La figura 5A es una ilustración de un diagrama de nivel de tensión de máquina de estado a modo de ejemplo, para dos células de NPP anidadas (célula de NPP interior 200 y célula de NPP exterior 201). En la figura 5A, un primer dígito dentro de cada óvalo 560 representa un estado de la célula de NPP exterior 201. Un segundo dígito dentro del óvalo 560 representa un estado de la célula de NPP interior 200. Tal como se representa en la figura 5A, por ejemplo, puede ocurrir que dos estados igualmente válidos produzcan los mismos niveles de tensión de salida de 1 y -1, respectivamente, tal como se muestra en mayor detalle a continuación haciendo referencia a las figuras 5B y 5C. La figura 5B es una ilustración tabular de estados de conmutación a modo de ejemplo, para controlar las células de NPP interior y exterior 200 y 201 configuradas en la pata de fase 220 de la figura 4. La pata de fase 220 se puede controlar para proporcionar una tensión de salida que tiene cinco niveles de tensión diferentes 501. Los niveles de tensión 501 se producen controlando selectivamente los conmutadores de la célula de NPP exterior 201 (conmutadores de nivel T) por medio de estados de conmutación 502, y los conmutadores de la célula de NPP interior 200 (conmutadores de nivel S) por medio de los estados de conmutación 504.

La figura 5C es una ilustración gráfica que incluye señales de temporización a modo de ejemplo 512 y 514 y la forma de onda de tensión de salida resultante 511. En la figura 5C, por ejemplo, las señales de temporización 512 son representativas de estados de conmutación 502 (ver la figura 5B) para los componentes dentro de la célula de NPP exterior 201. Similarmente, las señales de temporización 514 son representativas de estados de conmutación 504 para componentes dentro de la célula de NPP interior 200.

La aplicación secuencial de las señales de temporización 512 y 514 a las células de NPP exterior e interior 201 y 200 produce la tensión de salida que tiene múltiples niveles y un patrón seleccionable. Más específicamente, el patrón de la tensión de salida 511 puede parecerse al patrón sinusoidal. La forma de onda 511 se produce como una salida multinivel de una primera pata de fase 220 del convertidor multifase 700 mostrado en la figura 7. Se pueden conseguir otros patrones de forma de onda no sinusoidales, y estos están dentro del alcance de la presente invención.

A modo de ejemplo, en la ilustración de ejemplo de la figura 5C, las señales de temporización 512 se aplican por medio de respectivas señales de control 325, 327, 329 y 331, tal como se ha descrito anteriormente. De manera similar, las señales de temporización 514 se aplican por medio de las respectivas señales de control 309, 315, 311 y 313. Las señales de control mostradas en las figuras 5A y 5B pueden ser señales secundarias de las señales de control 106, generadas por el único dispositivo de control 140. Alternativamente, las señales de control mostradas en las figuras 5A y 5B se pueden generar mediante múltiples dispositivos de control.

La figura 5D es una ilustración de una forma de onda de tensión de salida 550 del convertidor multifase de acuerdo con las realizaciones. Tal como se muestra en la figura 5D, mediante la utilización de un convertidor que tiene una estructura de células de NPP anidadas y múltiples patas de fase, una pata de fase del convertidor puede proporcionar una tensión de salida que tiene cinco o más niveles en forma de una reproducción sustancial de la forma de onda de corriente alterna deseada.

En las realizaciones, la tensión del condensador flotante se mantiene utilizando estados de conmutación redundantes. Tal como se utiliza en la presente memoria, la expresión "estados de conmutación redundantes" significa que se puede proporcionar la misma salida de nivel comandada, mediante suministrar señales de conmutación con combinaciones diferentes de estados de conmutación, a la serie de conmutadores de potencia dentro del convertidor. La utilización de estados de conmutación redundantes permite seleccionar el patrón de pulsos de las señales de pulsos individuales de tal modo que se consiguen objetivos de control adicionales además de las formas de onda de tensión de salida deseadas. Dichos objetivos de control adicionales pueden incluir (a) regulación de tensión del condensador flotante a un valor predeterminado; y (b) compensación de la tensión térmica de los conmutadores de potencia en diferentes posiciones de conmutación.

La tensión de salida de las estructuras de células de NPP anidadas depende de en qué medida se puede regular a un valor predeterminado la tensión de los condensadores flotantes, tal como la tensión a través de los condensadores flotantes 261, 263. A modo de ejemplo, esta regulación se consigue controlando activamente la corriente que fluye a través de los condensadores flotantes, mediante la utilización de estados de conmutación redundantes para cargar y descargar el condensador flotante.

Más específicamente, la figura 6A es una ilustración de una trayectoria de flujo de corriente de una primera etapa a través de una pata de fase de convertidor de potencia genérica 600, similar a la pata de fase 220 de la figura 4. La figura 6B es una ilustración de una trayectoria de flujo de una segunda etapa a través de la pata de fase de convertidor de potencia 600 de la figura 6A.

A modo de antecedente, la salida de tensión final de una estructura de células de NPP anidadas, tal como la estructura de NPP anidada o la pata de fase 220 de la figura 4, es la suma de la salida de la célula de NPP exterior de 3 niveles 201 y la NPP de célula interior de 3 niveles 200. Es decir, la salida de tensión final es la suma de los estados de las dos células de NPP de 3 niveles. La utilización de estados de conmutación redundantes aprovecha la estructura interna de las células de NPP anidadas para conseguir objetivos adicionales de control y funcionamiento, tales como la regulación de la tensión del condensador flotante y/o la compensación de la tensión térmica en los conmutadores de potencia.

Por ejemplo, en la estructura de NPP anidada 220 para generar un "1" como la tensión en la salida 260, la salida de la célula de NPP exterior 201 y de la célula de NPP interior 200 pueden ser "1" y "0", respectivamente. Alternativamente, la salida puede ser "0" y "1", produciendo un nivel de tensión de salida idéntico. Sin embargo, las trayectorias de corriente que van a los correspondientes condensadores flotantes serían opuestas, provocando que una cargue, y la otra descargue el condensador flotante 602.

En la figura 6A, el condensador flotante 602 es un condensador a cuyo través existe la necesidad de regular características de funcionamiento en el mismo, tal como la tensión. Una primera trayectoria de corriente 604 representa la corriente que fluye al condensador flotante 602 y a una salida 606. Es decir, en la figura 6A, cuando se requiere un nivel de tensión de salida de "1" en el puerto de salida 606, se puede seleccionar la primera trayectoria de corriente 604 o bien una segunda trayectoria de corriente 608. Debido a la redundancia de estados de conmutación para manejar la serie de elementos de conmutación, se puede formar cualquiera de la primera o la segunda trayectorias de corriente 604 y 608 (ver la figura 6B), de tal modo que el condensador flotante 602 puede ser cargado y/o descargado para la regulación de su tensión.

Por ejemplo, señales de información de tensión del condensador flotante recibidas por un controlador 140' (descrito a continuación) pueden indicar que el condensador flotante 602 está en un estado de sobretensión o tiene una tensión mayor que un nivel de tensión predeterminado. Como resultado, el controlador se configura para generar las señales de pulsos individuales que tienen una primera combinación de estados de conmutación, representada en la figura 6B, para permitir que se descargue el condensador flotante 602.

Alternativamente, si las señales de información de tensión del condensador flotante recibidas por el controlador indicaran que el condensador flotante 602 está en un estado de subtensión o tiene una tensión menor que un valor predeterminado. En este caso, el generador del patrón de pulsos está configurado para generar las señales de pulsos individuales con una segunda combinación de estados de conmutación, tal como se representa en la figura 6A, para permitir que se cargue el condensador flotante 602. Por consiguiente, las tensiones en el condensador flotante 602 y el condensador flotante 610 se pueden regular dinámicamente en cada ciclo de conmutación.

La figura 7 es una ilustración de diagrama de bloques a modo de ejemplo de un convertidor multifase 700 formado por tres patas de fase independientes 220, 250 y 280, de acuerdo con la presente invención. La pata de fase 220 incluye la célula de NPP de 3 niveles 200 de la figura 1A configurada como una célula de NPP interior envuelta dentro de una célula de NPP exterior 201. Cada una de las patas de fase 220, 250 y 280 es una sola fase (por ejemplo, desplazamiento de fase de 120° entre sí) de un convertidor multifase. Con propósitos de ilustración y simplificación, la figura 7 se explica en el contexto del convertidor 700. Se proporcionaron más detalles de estructuras de células anidadas en la explicación anterior, en particular en la explicación de la figura 4 anterior. En la figura 7, cada una de las patas de fase 220, 250, 280 está acoplada entre una primera y una segunda línea de CC 206 y 208 para recibir una tensión de CC de un enlace de CC 210 y proporcionar una tensión de salida de CA en correspondientes puertos de salida 260, 265 y 285. Aunque la siguiente discusión detallada trata principalmente la primera pata de fase 220, la discusión atañe igualmente a las patas de fase 250 y 280. De este modo, no se proporcionará en este caso una discusión detallada de las patas de fase 250 y 280.

Las patas de fase 220, 250 y 280 proporcionan correspondientes tensiones de CA de primera, segunda y tercera fase a través de puertos de salida 260, 265 y 285, respectivamente. A modo de ejemplo, las tensiones de CA de la primera, la segunda y la tercera fase pueden estar desplazadas entre sí en 120 grados.

Cuando el convertidor 700 se implementa como un convertidor de CA-CC, los puertos de salida 260, 265 y 285 se pueden configurar alternativamente como puertos de entrada de CA para recibir tensiones de CA de entrada. De manera similar, el primer y el segundo puertos 202 y 204 se pueden configurar como puertos de salida de CC para tensiones de CC de salida. Para conversiones de CC-CA y de CC-CC, dichos puertos se pueden configurar y conectar correspondientemente de manera similar.

La figura 8, por ejemplo, es una ilustración de una estructura de NPP anidada de 7 niveles a modo de ejemplo 800, de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención. Es decir, la estructura de NPP (por ejemplo, pata de fase) 800 puede producir una tensión de salida de 7 niveles. La estructura de NPP 800, de acuerdo con las estructuras de célula de NPP descritas anteriormente, incluye las células de NPP 200 y 201, descritas anteriormente. Sin embargo, la estructura 800 incluye asimismo una tercera célula de NPP -una célula de NPP exterior 203. Por lo tanto, la estructura 800 incluye tres células de NPP de 3 niveles básicas en una disposición anidada.

La figura 9 es una ilustración de diagrama de bloques de un sistema de conversión de potencia a modo de ejemplo 900 en el que se pueden practicar las realizaciones de la presente invención. El sistema 900 incluye una topología de NPP anidada. En la figura 9, el sistema 900 es un sistema de conversión multinivel para conseguir una calidad de la potencia y una densidad de potencia mayores. El sistema 900 incluye un módulo de convertidor de potencia 120 acoplado al dispositivo de control 140.

El módulo de convertidor de potencia a modo de ejemplo 120 incluye un primer convertidor 122, un dispositivo de almacenamiento de energía/enlace de CC 124 y un segundo convertidor 700. Solamente a modo de ejemplo, el primer convertidor 122 convierte una primera potencia de CA 102 de un primer dispositivo de potencia, tal como un dispositivo de potencia 110 (por ejemplo, la red eléctrica), en potencia de CC 123 (por ejemplo, tensión de CC). Los convertidores 122 y 700 pueden incluir por lo menos una célula de NPP de 3 niveles básica configurada en una topología anidada tal como se ha explicado anteriormente haciendo referencia a las figuras 1A a 2B.

Un componente de enlace de CC dentro del dispositivo 124 puede incluir uno o varios condensadores para filtrar la salida de tensión de CC 123 del primer convertidor 122 para suministrar una tensión de CC filtrada al segundo convertidor 700. En el módulo de convertidor de potencia a modo de ejemplo 120, el segundo convertidor 700 convierte la tensión de CC filtrada en una segunda tensión de CA 104 (explicada en mayor detalle a continuación). La segunda tensión de CA 104 es entregada a un segundo dispositivo de potencia, tal como una carga de potencia 130 (por ejemplo, un motor eléctrico de CA).

Más específicamente, el sistema de conversión de potencia 900 incluye por lo menos una célula de NPP de 3 niveles configurada en una estructura anidada que proporciona una conversión de potencia multinivel más eficiente para alta potencia y asimismo para aplicaciones de frecuencia baja y variable. En el ejemplo de la figura 9, la potencia eléctrica de frecuencia fija 102 (por ejemplo, CA de 50 o 60 hercios) se convierte en una potencia eléctrica de frecuencia variable 104. La potencia eléctrica de frecuencia variable 104 se suministra a la carga de potencia 130 (por ejemplo, tal como un motor). El sistema de conversión de potencia 900 puede incluir asimismo un componente de almacenamiento de energía dentro del dispositivo 124, para almacenar la potencia de CC proporcionada desde el primer convertidor 122.

La figura 10 es una ilustración de diagrama de bloques 1000 de un dispositivo de control 140' y una estructura de células de NPP anidadas 220 construida para implementar la técnica de estado de conmutación redundante indicada anteriormente. El sistema de la figura 10 está configurado para equilibrar tensiones de condensador flotante regulando activamente la corriente que fluye a través de los condensadores flotantes 261, 263 del módulo de condensadores 226 mediante la utilización de estados de conmutación redundantes.

En la figura 10, el dispositivo de control 140' es similar al dispositivo de control 140 de las figuras 1A y 9. El dispositivo de control 140', sin embargo, incluye funcionalidad adicional para implementar el proceso de estados redundantes explicado anteriormente.

El dispositivo de control 140' incluye un modulador de orden superior 1002 configurado para generar señales de pulsos multinivel iniciales 1003 mediante uno o varios procedimientos de modulación. Las señales de pulsos multinivel iniciales 1003 no son transmitidas directamente para accionar la pata de fase anidada 220. En su lugar, las señales de pulsos multinivel iniciales 1003 se utilizan para generar señales de pulsos individuales que, a su vez, se utilizan para accionar una serie de elementos de conmutación de la pata de fase 220.

De este modo, la pata de fase 220 puede proporcionar una corriente y/o tensión de salida con una forma de onda correspondiente a la forma de onda de las señales de pulsos multinivel iniciales 1003. Por ejemplo, el modulador de orden superior 1002 se puede configurar para generar las señales de pulsos multinivel iniciales 1003 con cinco, siete, nueve, once o más niveles, en correspondencia con la salida de la pata de fase 220.

En una realización, el modulador 1002 está configurado para generar las señales de pulsos multinivel iniciales 1003 mediante un procedimiento de modulación de múltiples portadoras tal como, por ejemplo, un procedimiento de modulación por anchura de pulsos desplazados por nivel (LSPWM, level-shifted pulse width modulation).

En otras realizaciones, el modulador de orden superior 1002 se puede configurar para generar las señales de pulsos multinivel iniciales 1003 utilizando otros procedimientos de modulación bien conocidos en la técnica.

En la figura 10, el modulador 1002 puede recibir una señal de comandos 106' proporcionada desde un generador de señales de comando 1004. La señal de comando 106' puede incluir una señal de comando de tensión que tiene una forma de onda correspondiente a la de una tensión deseada. Por ejemplo, la señal de comando de tensión 106' puede tener una forma de onda sinoidal correspondiente a una tensión de salida de CA deseada de la célula anidada 220. La señal de comando 106' puede incluir asimismo una señal de comando de frecuencia, indicativa de una frecuencia de salida deseada.

En las realizaciones, el modulador de orden superior 1002 puede recibir asimismo múltiples señales portadoras 1008 proporcionadas desde un generador de señales portadoras 1006. Por ejemplo, el generador de señales portadoras 1006 puede generar múltiples señales portadoras, teniendo cada señal portadora un perfil de forma de onda específico (por ejemplo, triangular, dientes de sierra, etc.). En el caso del procedimiento LSPWM, las señales portadoras 1008 están separadas entre sí para definir un rango de modulación lineal para la señal de comando 106'.

En el sistema a modo de ejemplo de la figura 10, las tensiones (V^fc212, V^fc214, V^fc261 y V^fc263) de los condensadores flotantes 261, 263 se pueden obtener directamente en tiempo real utilizando uno o varios sensores de tensión (no mostrados) en asociación con los condensadores flotantes. Estas tensiones en tiempo real se proporcionan al controlador 140' por medio de señales de información de tensión 1010 y 1012. En otras realizaciones, las tensiones de condensador flotante (V^fc212, V^fc214, V^fc261 y V^fc263) se pueden obtener indirectamente mediante cálculo o predicción. El generador de pulsos 1000 proporciona señales de control de señales de control de primer y segundo nivel 1014 y 1016, respectivamente, para controlar el funcionamiento de las células de NPP anidadas 200 y 201 para sintetizar la tensión de salida deseada, consiguiendo al mismo tiempo objetivos de control adicionales, tales como la regulación de tensiones a través de condensadores flotantes (V^fc212, V^fc214, V^fc261 y V^fc263) y/o la compensación de tensiones térmicas de los conmutadores de potencia.

En la estructura anidada 220 de la figura 10, cuando se desea una serie de niveles de tensión de salida, tales como los niveles de tensión 501 de la figura 5C, se puede aplicar la técnica de estados de conmutación redundantes explicada anteriormente. Por ejemplo, debido a la redundancia de estados de conmutación para hacer funcionar los conmutadores de potencia dentro de la célula de NPP interior 200 y la célula de NPP exterior 201, se pueden formar una serie de trayectorias de corriente. Estas trayectorias de corriente permiten que la corriente pase a través de conmutadores de circuito seleccionados, de tal modo que el condensador flotante 261, 263 se puede cargar y/o descargar para mantener sus tensiones a niveles predeterminados. Esta operación puede ocurrir dentro de los principios operativos de los dispositivos de conmutación de nivel S y de nivel T explicados anteriormente, por ejemplo, con respecto a las figuras 5A y 5B.

La figura 11 es un diagrama de flujo de un procedimiento a modo de ejemplo 1100 para practicar una realización de la presente invención. En la figura 11, el procedimiento 1100 está dispuesto para controlar una salida de un sistema de conversión de potencia que incluye dos o más células de NPP. Cada una de las dos o más células de NPP contiene una serie de elementos de conmutación.

Para facilitar la descripción, una o varias etapas u operaciones incluidas en el procedimiento 1100 están agrupadas en bloques. Sin embargo, un experto en la materia comprenderá fácilmente que las operaciones descritas en cada bloque se pueden llevar a cabo de manera independiente, secuencial o asíncrona, sin apartarse del alcance de la presente invención.

El procedimiento 1100 incluye un primer bloque 1102 que comprende controlar secuencialmente cada uno de la serie de elementos de conmutación en una primera de las células de NPP, por medio de primeras señales de control, siendo la etapa de controlar secuencialmente sensible a un primer estado de conmutación. El procedimiento 1100 incluye además un segundo bloque 1104 que comprende controlar secuencialmente cada uno de la serie de elementos de conmutación en la segunda célula de NPP por medio de segundas señales de control, siendo el control de la segunda célula de NPP sensible a un segundo estado de conmutación. El procedimiento 1100 incluye además un bloque 1106, cuando uno de los elementos de conmutación de la primera o la segunda células de NPP está ACTIVADO, todos los demás elementos de conmutación dentro de la respectiva célula están DESACTIVADOS.

La figura 12 es una ilustración de diagrama de bloques de un sistema informático a modo de ejemplo 1200 en el que se pueden implementar aspectos de la presente invención. El sistema informático 1200 incluye uno o varios procesadores, tal como el procesador 1204. El procesador 1204 puede ser un procesador de propósito general, tal como una unidad central de proceso (CPU, central processing unit) o un procesador de propósito especial, tal como una unidad de procesador de gráficos (GPU, graphics processor unit). El procesador 1204 está conectado a una infraestructura de comunicación 1206 (por ejemplo, un bus de comunicaciones, una barra de cruce o una red). Varias realizaciones de software se describen en términos de este sistema informático a modo de ejemplo. Después de leer esta descripción, resultará evidente para un experto en la materia o materias relevantes cómo implementar la invención utilizando otros sistemas informáticos y/o arquitecturas.

El sistema informático 1200 puede incluir un sistema de procesamiento de gráficos 1202 que realiza simulaciones físicas y tareas de proceso de gráficos para entregar imágenes a una pantalla asociada 1230. El sistema informático 1200 incluye asimismo una memoria principal 1208, preferentemente memoria de acceso aleatorio (RAM, random access memory), y puede incluir asimismo una memoria secundaria 1210.

La memoria secundaria 1210 puede incluir, por ejemplo, una unidad de disco duro 1212 y/o una unidad de almacenamiento extraíble 1214, que representa una unidad de disco flexible, una unidad de cinta magnética, una unidad de disco óptico, etc. La unidad de almacenamiento extraíble 1214 lee desde una unidad de almacenamiento extraíble 1218 y/o escribe en la misma. La unidad de almacenamiento extraíble 1218 representa una unidad de bus serie universal (USB, universal serial bus), unidad flash, cinta magnética, disco óptico, etc., en la que lee y escribe la unidad de almacenamiento extraíble 1214. Tal como se apreciará, la unidad de almacenamiento extraíble 1218 incluye un medio de almacenamiento utilizable por ordenador, que tiene almacenados en el mismo software informático y/o datos.

En realizaciones alternativas, la memoria secundaria 1210 puede incluir otros dispositivos similares para permitir que se carguen en el sistema informático 1200 programas informáticos u otras instrucciones. Dichos dispositivos pueden incluir, por ejemplo, una unidad de almacenamiento extraíble 1222 y una interfaz 1220. Ejemplos de esto pueden incluir un cartucho de programa y una interfaz de cartucho, un chip de memoria extraíble (tal como una memoria de sólo lectura programable borrable (EPROM, erasable programmable read only memory), o memoria de sólo lectura programable (PROM, programmable read only memory)) y un zócalo asociado, y otras unidades de almacenamiento extraíble 1222 e interfaces 1220, que pueden permitir que se transfieran software y datos desde la unidad de almacenamiento extraíble 1222 al sistema informático 1200.

El sistema informático 1200 puede incluir asimismo una interfaz de comunicaciones 1224. La interfaz de comunicaciones 1224 permite que se transfieran software y datos entre el sistema informático 1200 y dispositivos externos. Ejemplos de interfaz de comunicaciones 1224 pueden incluir un módem, una interfaz de red (tal como una tarjeta Ethernet), un puerto de comunicaciones, una ranura y una tarjeta de la sección internacional de tarjetas de memoria informática personales (PCMCIA, personal computer memory card International Association), etc.

El software y los datos transferidos por medio de la interfaz de comunicaciones 1224 están en forma de señales 1228 que pueden ser electrónicas, electromagnéticas, ópticas u otras señales que pueden ser recibidas por la interfaz de comunicaciones 1224. Estas señales 1228 son proporcionadas a la interfaz de comunicaciones 1224 por medio de una trayectoria de comunicaciones (por ejemplo, canal) 1226. Este canal 1226 lleva señales 1228 y se puede implementar utilizando alambre o cable, fibra óptica, una línea telefónica, un enlace celular, un enlace de radiofrecuencia (RF) y otros canales de comunicaciones.

En este documento, los términos "medio de programa informático" y "medio utilizable por ordenador" se utilizan para referirse en general a medios tales como una unidad de almacenamiento extraíble 1214, un disco duro instalado en una unidad de disco duro 1212 y señales 1228. Estos productos de programa informático proporcionan software al sistema informático 1200.

Los programas informáticos (denominados asimismo lógica de control informática) se almacenan en una memoria principal 1208 y/o en una memoria secundaria 1210. Pueden asimismo recibirse programas informáticos por medio de la interfaz de comunicaciones 1224. Dichos programas informáticos, cuando son ejecutados, habilitan el sistema informático 1200 para llevar a cabo características de la presente invención, tal como se ha explicado en la presente memoria. Por consiguiente, dichos programas informáticos representan controladores del sistema informático 1200.

En una realización donde la invención se implementa utilizando software, el software puede almacenarse en un producto de programa informático y cargarse en el sistema informático 1200 utilizando la unidad de almacenamiento extraíble 1214, el disco duro 1212 o la interfaz de comunicaciones 1224. La lógica de control (software), cuando es ejecutada por el procesador 1204, hace que el procesador 1204 lleve a cabo las funciones de la invención que se describen en la presente memoria.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Una pata de fase de convertidor de potencia (220), que comprende:

una célula interior (200) que comprende:

un primer, un segundo, un tercer, un cuarto, un quinto y un sexto terminales de conexión interiores (235, 241,239, 225, 229, 227);

por lo menos un condensador (261) conectado entre el primer y el tercer terminales de conexión interiores (235, 239), y por lo menos un condensador (263) conectado entre el segundo y el tercer terminales de conexión interiores (241, 239), definiendo los condensadores (263) un módulo de condensadores interior (226); y

una serie de elementos de conmutación interiores que incluyen un primer elemento de conmutación interior (228) conectado entre el primer y el cuarto terminales de conexión interiores (235, 225), un segundo elemento de conmutación interior (232) conectado entre el segundo y el quinto terminales de conexión interiores (241, 229) y un tercer elemento de conmutación interior (205) conectado entre el tercer y el sexto terminales de conexión interiores (239, 227);

una célula exterior (201) que comprende:

un primer, un segundo, un tercer, un cuarto, un quinto y un sexto terminales de conexión exteriores (211, 215, 216, 237221,219);

por lo menos un condensador (212) conectado entre el primer y el tercer terminales de conexión exteriores (211, 216), y por lo menos un condensador (214) conectado entre el segundo y el tercer terminales de conexión exteriores (215, 216), definiendo los condensadores un módulo de condensadores exterior (210); y

una serie de elementos de conmutación exteriores que incluyen un primer elemento de conmutación exterior (238) conectado entre el primer y el cuarto terminales de conexión exteriores (211, 237), un segundo elemento de conmutación exterior (242) conectado entre segundo y el quinto terminales de conexión exteriores (215, 221) y un tercer elemento de conmutación exterior (271) conectado entre el tercer y el sexto terminales de conexión exteriores (216, 219).

en el que los elementos de conmutación interiores (228, 232, 205) están configurados para funcionamiento mutuamente excluyente por medio de un dispositivo de control;

en el que los elementos de conmutación exteriores (238, 242, 271) están configurados para funcionamiento mutuamente excluyente por medio del dispositivo de control; y

en el que el primer, segundo y tercer terminales de conexión interiores (235, 241, 239) de la célula interior (200) están conectados respectivamente al cuarto, quinto y sexto terminales de conexión exteriores (237, 221, 219) de la célula exterior (201), y el cuarto, quinto y sexto terminales de conexión interiores (225, 229, 227) de la célula interior (200) están conectados conjuntamente y a un bus de CA (260) para formar una estructura anidada.

2. Una pata de fase de convertidor de potencia según la reivindicación 1, en la que el primer, segundo y tercer terminales de conexión exteriores de la célula exterior (201) son conectables a terminales de conexión de una segunda célula exterior (203).

3. Una pata de fase de convertidor de potencia (220) según la reivindicación 1, en la que el primer y el segundo terminales de conexión exteriores (211, 215) de la célula exterior (201) son conectables a un primer y un segundo buses de CC (206, 208) de un convertidor de potencia.

4. Una pata de fase de convertidor de potencia (220), que comprende:

una célula interior (200) que comprende:

un primer, un segundo, un tercer, un cuarto, un quinto y un sexto terminales de conexión interiores (235, 241,239, 225, 229, 227);

por lo menos un condensador (261) conectado entre el primer y el tercer terminales de conexión interiores (235, 239), y por lo menos un condensador (263) conectado entre el segundo y el tercer terminales de conexión interiores (241, 239), definiendo los condensadores un módulo de condensadores interior (226); y

una serie de elementos de conmutación interiores que incluyen un primer elemento de conmutación interior (228) conectado entre el primer y el cuarto terminales de conexión interiores (235, 225), un segundo elemento de conmutación interior (232) conectado entre el segundo y el quinto terminales de conexión interiores (241, 229) y un tercer elemento de conmutación interior (205) conectado entre el tercer y el sexto terminales de conexión interiores (239, 227);

una célula exterior (201) que comprende:

un primer, un segundo, un tercer, un cuarto, un quinto y un sexto terminales de conexión exteriores (211,215, 216, 237, 221,219);

por lo menos un condensador (212) conectado entre el primer y el tercer terminales de conexión exteriores (211, 216), y por lo menos un condensador (214) conectado entre el segundo y el tercer terminales de conexión exteriores (215, 216), definiendo los condensadores un módulo de condensadores exterior (210); y

una serie de elementos de conmutación exteriores que incluyen un primer elemento de conmutación exterior (238) conectado entre el primer y el cuarto terminales de conexión exteriores (211, 237), un segundo elemento de conmutación exterior (242) conectado entre segundo y el quinto terminales de conexión exteriores (215, 221) y un tercer elemento de conmutación exterior (271) conectado entre el tercer y el sexto terminales de conexión exteriores (216, 219).

en el que los elementos de conmutación interiores (228, 232, 205) están configurados para funcionamiento mutuamente excluyente por medio de un dispositivo de control;

en el que los elementos de conmutación exteriores (238, 242, 271) están configurados para funcionamiento mutuamente excluyente por medio del dispositivo de control; y

en el que el primer y el segundo terminales de conexión exteriores (211, 215) de la célula exterior (201) son conectables respectivamente a un primer y un segundo buses de CC (206, 208) de un convertidor de potencia, y el cuarto, quinto y sexto terminales de conexión exteriores (237, 221, 219) de la célula exterior (201) están conectados respectivamente al primer, segundo y tercer terminales de conexión interiores (235, 241, 239) de la célula interior (200) para formar una estructura anidada.

5. Una pata de fase de convertidor de potencia según la reivindicación 4, en la que el cuarto, quinto y sexto terminales de conexión interiores de la célula interior son conectables a terminales de conexión de una segunda célula interior.

6. Una pata de fase de convertidor de potencia (220) según la reivindicación 4, en la que el cuarto, quinto y sexto terminales de conexión interiores (225, 229, 227) de la célula interior (200) están conectados conjuntamente y a un bus de CA (260).

7. Una pata de fase de convertidor de potencia (220) según cualquier reivindicación anterior, en la que las células interior y exterior (200, 201) están configuradas para producir cooperativamente una salida multinivel, que incluye opcionalmente tres o más niveles.

8. Un convertidor de potencia que comprende:

un primer bus de CC (206);

un segundo bus de CC (208);

por lo menos una pata de fase de convertidor de potencia (220, 250, 280) según cualquier reivindicación anterior, conectada entre el primer y el segundo buses de CC (206, 208).

9. Un procedimiento de funcionamiento de una pata de fase de convertidor de potencia (220) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que (i) antes de que uno en particular de los elementos de conmutación pase a estar inactivo, uno de los uno o varios conmutadores de potencia de otro elemento de conmutación pasa a estar activo, y (ii) después de que dicho uno en particular de los elementos de conmutación pase a estar inactivo, otro de los uno o varios conmutadores de potencia del otro elemento de conmutación pasa a estar activo.

10. Un procedimiento según la reivindicación 9, en el que el otro elemento de conmutación pasa estar activo cuando todos los conmutadores de potencia están activos.