ES2851675T3 - Convertidor CC-CC bidireccional - Google Patents
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Abstract
El convertidor (100) CC-CC bidireccional, que comprende: un primer circuito terminal (101), un segundo circuito terminal (103), un circuito transformador (105), un primer lado de alta tensión (107), que comprende un primer circuito de puente (113) y acoplado a dicho primer circuito terminal (101), y un segundo lado de baja tensión (109), acoplado a dicho segundo circuito terminal (103); en donde dicho primer lado de alta tensión (107) y dicho segundo lado de baja tensión (109) están acoplados entre sí por medio de dicho circuito transformador (105), y dicho primer lado de alta tensión (107) comprende un circuito de tanque resonante (111) acoplado entre dicho primer circuito de puente (113) de dicho primer lado de alta tensión (107) y un lado de alta tensión de dicho circuito transformador (105); en donde dicho circuito de tanque resonante (111) comprende: una primera rama que comprende, una primera capacitancia Cr1 y una primera inductancia Lr1 acopladas en serie entre sí, caracterizado por que el circuito de tanque resonante (111) comprende, además: una segunda rama, que comprende una segunda inductancia Lr2 y una segunda capacitancia Cr2 acopladas en serie entre sí, y una tercera rama, que comprende una tercera capacitancia Cr3 y una tercera inductancia Lr3 acopladas en serie entre sí; en donde dicha primera rama, segunda rama y tercera rama están acopladas a un nodo común (C); en donde dicha segunda rama está acoplada entre dicho nodo común (C) y un primer terminal de dicho lado de alta tensión de dicho circuito transformador (105); en donde dicha tercera rama está acoplada entre dicho nodo común (C) y un segundo terminal de dicho lado de alta tensión de dicho circuito transformador (105); y en donde la primera rama está acoplada en serie con la segunda rama.
Description
DESCRIPCIÓN
Convertidor CC-CC bidireccional
Campo técnico
La presente invención se refiere a un convertidor CC-CC bidireccional. Además, la invención también se refiere a un sistema que comprende, como mínimo, dos de dichos convertidores CC-CC bidireccionales.
Antecedentes
Las tendencias en el desarrollo de los convertidores de corriente continua a corriente continua directos bidireccional aislados (IBDC - Isolated Bidirectional Direct Current-Direct Current (DC-DC - Direct Current, en inglés) Converters, en inglés) son de tensión de entrada y salida amplia (WIWO - Wide Input-Wide-Output, en inglés) para una eficiencia muy alta, alta densidad de potencia y bajo coste. Los convertidores CC-CC resonantes son una tecnología adecuada para lograr una alta eficiencia debido a su característica intrínseca para lograr una conmutación suave (conmutación de tensión cero, ZVS (Zero Voltage Switching, en inglés) y conmutación de corriente cero, ZCS (Zero Current Switching, en inglés)). Además, en estos circuitos es posible aumentar la frecuencia de conmutación para reducir el tamaño de los componentes reactivos.
Los convertidores CC-CC bidireccionales comunes y ampliamente utilizados que se encuentran en la industria hoy en día son el puente activo dual (DAB - Dual Active Bridge, en inglés) y los convertidores resonantes, debido a su disponibilidad para lograr una alta eficiencia.
Sin embargo, todavía quedan inconvenientes con respecto a los convertidores resonantes convencionales en funcionamiento bidireccional (es decir, modo directo e inverso), por ejemplo, principalmente la característica de ganancia de tensión en el modo de funcionamiento inverso. Además, la alta corriente alterna en el lado de baja tensión del filtro de salida da como resultado altas pérdidas de potencia y un gran volumen del filtro, si se va a utilizar la tecnología actual.
Con los circuitos topológicos bidireccionales descritos de acuerdo con las soluciones convencionales, la tensión de corriente en los componentes resonantes en el lado de baja tensión es alta y compromete la eficiencia del convertidor. Asimismo, con los circuitos topológicos bidireccionales descritos de acuerdo con las soluciones convencionales, no es posible lograr tensión WIWO y alta eficiencia. Además, es muy difícil conseguir nuevos circuitos topológicos con un número reducido de componentes activos (semiconductores controlados), donde se requiere alta fiabilidad y rendimiento en sistemas de conversión de energía bidireccionales.
Wei Chen et al. describe un “Fully soft-switched bidirectional resonant DC-DC converter with a new CLLC tank.” en la Conferencia y Exposición de Electrónica de Potencia Aplicada (en inglés, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC). El documento WO 2013/186991 A1 da a conocer un dispositivo de conversión de potencia eléctrica.
Compendio
Un objetivo de la invención es proporcionar un concepto que mitigue o resuelva los inconvenientes y problemas de las soluciones convencionales.
Otro objetivo de la presente invención es proporcionar convertidores bidireccionales mejorados para aplicaciones de tensión WIWO en sistemas de potencia.
Las realizaciones de la invención se definen por el objeto de las reivindicaciones independientes.
Otros aspectos de la invención se describen en las reivindicaciones dependientes.
De acuerdo con la presente invención, el objetivo mencionado anteriormente y otros se consiguen con un convertidor CC-CC bidireccional, de acuerdo con la reivindicación 1.
Los circuitos de puente del presente convertidor pueden comprender conmutadores activos de acuerdo con una forma de implementación.
Con los convertidores de acuerdo con las realizaciones de la presente invención, se puede lograr una variación muy alta de la tensión de entrada y salida, una variación de frecuencia estrecha para la regulación de la tensión, alta eficiencia, alta densidad de potencia y bajo coste debido, como mínimo, a los siguientes puntos. El actual convertidor tiene un diseño simplificado y más eficiente debido a la colocación del tanque resonante en el lado de alta tensión. Esto también reducirá la tensión actual y, en consecuencia, las pérdidas del convertidor.
Además, no se necesitan elementos de almacenamiento de energía en el lado de baja tensión del convertidor para obtener ZVS. Las realizaciones de la presente invención pueden proporcionar ZVS y ZCS en ambos sentidos del convertidor.
Asimismo, se proporciona una mayor fiabilidad debido al menor número de controladores síncronos para los semiconductores del lado de baja tensión, pero también debido a la referencia común que se puede usar.
El consumo de energía interno necesario también se reduce con el presente diseño de circuito, lo que aumentará la eficiencia de los convertidores de acuerdo con la presente invención, en comparación con los convertidores convencionales.
De acuerdo con la invención, el circuito de tanque resonante comprende: una primera rama, que comprende una primera capacitancia On y una primera inductancia Ln, acopladas en serie entre sí, una segunda rama, que comprende una segunda inductancia Lo y una segunda capacitancia O ¡2 , acopladas en serie entre sí, una tercera rama, que comprende una tercera capacitancia Co y una tercera inductancia Lo, acopladas en serie entre sí; en donde dicha primera rama, segunda rama y tercera rama están acopladas a un nodo común (C); en donde dicha segunda rama está acoplada entre dicho nodo común y un primer terminal de dicho lado de alta tensión de dicho circuito transformador; en donde dicha tercera rama está acoplada entre dicho nodo común y un segundo terminal de dicho lado de alta tensión de dicho circuito transformador; y en el que la primera rama está acoplada en serie con la segunda rama. Esto se puede denotar como un inductor-condensador-inductor-condensador-inductor-condensador o tanque resonante de tipo 3LC. Por lo tanto, se necesita un número menor de semiconductores activos en el lado de alta tensión y en el lado de baja tensión. Además, la característica de ganancia de tensión es mayor de 1, solo con componentes pasivos, y el modo de funcionamiento elevador y reductor (boost y buck, en inglés) es posible.
De acuerdo con un segundo aspecto,
un primer terminal de la primera capacitancia On forma un primer terminal (conexión) de dicho circuito de tanque resonante;
un segundo terminal de la primera capacitancia Od está conectado a un primer terminal de la primera inductancia Ln]
un segundo terminal de la primera inductancia Ld está conectado a un primer terminal de la segunda inductancia Ln y a un primer terminal de la tercera inductancia Lo ;
un segundo terminal de la segunda inductancia Ln está conectado a un primer terminal de la segunda capacitancia O*;
un segundo terminal de la segunda capacitancia On forma un segundo terminal (conexión) de dicho circuito de tanque resonante;
un segundo terminal de la tercera inductancia Ln está conectado a un primer terminal de la tercera capacitancia Oo ;
un segundo terminal de la tercera capacitancia Oo forma un tercer terminal (conexión) de dicho circuito de tanque resonante.
De acuerdo con un tercer aspecto, dicho primer terminal (conexión) de dicho circuito de tanque resonante y dicho tercer terminal (conexión) de dicho circuito de tanque resonante están conectados a dicho primer circuito de puente; y dicho segundo terminal (conexión) de dicho circuito de tanque resonante y dicho tercer terminal (conexión) de dicho circuito de tanque resonante están conectados al lado de alta tensión de dicho transformador.
De acuerdo con un cuarto aspecto, dicho primer circuito de puente es un puente completo, y dicho segundo lado de baja tensión comprende un puente completo adicional acoplado a un lado de baja tensión de dicho circuito transformador, o dicho primer circuito de puente es un medio puente y dicho segundo lado de baja tensión comprende un puente completo acoplado a un lado de baja tensión de dicho circuito transformador, o dicho primer circuito de puente es un medio puente, dicho segundo lado de baja tensión comprende un circuito de contrafase (PP, push-pull, en inglés) conectado al lado de baja tensión del circuito transformador y dicho transformador. El circuito comprende en su lado de baja tensión un segundo devanado que comprende una toma central, o dicho primer circuito de puente es un medio puente y dicho segundo lado de baja tensión comprende un circuito de contrafase con un autotransformador conectado al lado de baja tensión del circuito transformador. Por ello, el presente circuito de tanque resonante se puede agregar a cualquier topología de convertidor para diferentes aplicaciones.
De acuerdo con un quinto aspecto, como mínimo. dos de dicha primera inductancia Ln, dicha segunda inductancia Ln y dicha tercera inductancia Lo están acopladas magnéticamente entre sí en un núcleo magnético común. De ese modo, se puede reducir el número de componentes en el circuito de tanque resonante.
De acuerdo con un sexto aspecto, un segundo filtro está acoplado entre un terminal positivo y uno negativo del segundo circuito terminal. De este modo, se puede eliminar el ruido en el lado de baja tensión del convertidor.
De acuerdo con un séptimo aspecto, un primer filtro está acoplado en paralelo con dicho primer terminal y dicho primer circuito de puente. De este modo, se puede eliminar el ruido en el lado de alta tensión del convertidor.
De acuerdo con un octavo aspecto de la invención, el mencionado y otro objetivo se logra con un sistema convertidor CC-CC bidireccional que comprende dos o más convertidores CC-CC bidireccionales de acuerdo con el primer aspecto o con cualquier forma de implementación del primer aspecto, en el que dichos dos o más convertidores CC-CC bidireccionales están entrelazados entre sí, es decir, los convertidores CC-CC bidireccionales están acoplados entre sí en diferentes configuraciones.
El entrelazado consiste en accionar dos o más convertidores CC-CC en paralelo y accionar los conmutadores de los circuitos puente de cada convertidor CC-CC respectivo con diferencia de fase entre sí. De este modo, se puede minimizar la corriente de ondulación resultante en la entrada y la salida del sistema entrelazado.
Se prefiere entrelazar dos o más de los presentes convertidores para aplicaciones de alta potencia. Además, el entrelazado de dos o más convertidores reduce el número de condensadores necesarios para el filtro de salida cuando se usa el control de cambio de fase. También se aprecia que los presentes convertidores pueden estar entrelazados en una variedad de configuraciones en serie y en paralelo diferentes bien conocidas en la técnica.
De acuerdo con un noveno aspecto, dichos primeros lados de alta tensión de dichos dos o más convertidores CC-CC bidireccionales están acoplados en serie entre sí.
De acuerdo con un décimo aspecto, dichos primeros lados de alta tensión de dichos dos o más convertidores CC-CC bidireccionales están acoplados en paralelo entre sí.
De acuerdo con un undécimo aspecto, dichos segundos lados de baja tensión de dichos dos o más convertidores CC-CC bidireccionales están acoplados en serie entre sí.
De acuerdo con un duodécimo aspecto, dichos segundos lados de baja tensión de dichos dos o más convertidores CC-CC bidireccionales están acoplados en paralelo entre sí.
Cabe señalar que otras aplicaciones y ventajas del actual convertidor y sistema serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos están destinados a aclarar y explicar diferentes realizaciones de la presente invención, en las que:
- la figura 1 muestra un convertidor CC-CC bidireccional de acuerdo con una realización de la presente invención;
- la figura 2 muestra un convertidor CC-CC bidireccional CLLC de acuerdo con un ejemplo útil para comprender la presente invención;
- las figuras 3a y 3b muestran las características de ganancia de tensión para el modo directo e inverso para el convertidor CC-CC bidireccional CLLC tal como el mostrado en la figura 2;
- las figuras 4a-4c muestran otros convertidores CC-CC bidireccionales CLLC adicionales de acuerdo con ejemplos útiles para comprender la presente invención;
- la figura 5 muestra un convertidor CC-CC bidireccional 3LC de acuerdo con una realización de la presente invención;
- las figuras 6a y 6b muestran las características de ganancia de tensión para el modo directo e inverso para el convertidor CC-CC bidireccional 3LC tal como el mostrado en la figura 5;
- las figuras 7a-7c muestran otro convertidor CC-CC bidireccional 3LC adicional de acuerdo con realizaciones de la presente invención;
- las figuras 8a y 8b muestran dos tanques resonantes 3LC diferentes que pueden ser usados con las realizaciones mostradas en las figuras 5 y 7a-7c;
- la figura 9 muestra un sistema convertidor CC-CC bidireccional de acuerdo con un ejemplo útil para comprender la presente invención que comprende convertidores CC-CC bidireccionales CLLC; y
- la figura 10 muestra un sistema convertidor CC-CC bidireccional de acuerdo con una realización de la presente invención que comprende convertidores CC-CC bidireccionales 3LC.
Descripción detallada
La figura 1 muestra un diagrama de bloques simplificado de un convertidor 100 CC-CC bidireccional de acuerdo con un ejemplo útil para comprender la presente invención. Con referencia a la figura 1, el convertidor 100 CC-CC bidireccional comprende un (primer) circuito terminal 101 de alta tensión (HV - High Voltage, en inglés) (por ejemplo, de conexión) de un lado de HV 107, un (segundo) circuito terminal 103 de baja tensión (LV - Low Voltage, en inglés) (por ejemplo, de conexión) de un lado de LV 109 y un circuito transformador 105. El lado de HV 107 está acoplado al primer circuito terminal 101 del convertidor 100 CC-CC, y el lado LV 109 está acoplado al segundo circuito terminal 103 del convertidor 100 CC-CC.
Además, el lado de HV 107 y el lado de LV 109 están acoplados entre sí por medio del mencionado circuito transformador 105. Además, el lado de HV 107 comprende un circuito de tanque resonante 111 acoplado entre un primer circuito de puente 113 del lado de HV 107 y un lado de HV del transformador (circuito) 105. Los circuitos terminales 101 y 103 del convertidor 100 y las diferentes formas de implementación de este convertidor 100 que se describen a continuación, comprenden típicamente un terminal positivo (para aplicar o proporcionar un potencial positivo) y un terminal negativo (por ejemplo, para aplicar o proporcionar un potencial negativo o GND). Estos terminales positivo y negativo son típicamente terminales de conexión adaptados para ser conectados a uno o más de otros dispositivos. En el sentido directo (entrada de alta tensión - salida de baja tensión) del convertidor 100, el primer circuito terminal 101 forma la entrada del convertidor 100 y el segundo circuito terminal 103 forma una salida del convertidor 100. En el sentido inverso (baja tensión de entrada-alta tensión de salida) del convertidor 100, el segundo circuito terminal 103 forma una entrada del convertidor 100 y el primer circuito terminal 101 forma una salida del convertidor 100.
El lado de alta tensión y el lado de baja tensión significan que en el lado de alta tensión normalmente se aplican / se proporcionan tensiones comparativamente más altas en comparación con el lado de baja tensión.
De acuerdo con un ejemplo útil para comprender la presente invención, el circuito de tanque resonante 111 es del tipo Condensador-Inductor-Inductor-Condensador (CLLC). La figura 2 muestra un convertidor 200 CC-CC bidireccional de acuerdo con un ejemplo útil para comprender la presente invención con un tanque resonante 111 CLLC. El convertidor 200 CC-CC bidireccional forma una posible forma de implementación del convertidor 100 CC-CC bidireccional tal como el mostrado en la figura 1.
En el convertidor 200 CC-CC bidireccional CLLC, en la figura 2 se muestra un ejemplo de un tanque resonante 111 CLLC implementado en el lado HV 107 del convertidor CC-CC bidireccional. Entre las características de este circuito de tanque resonante se encuentran la posibilidad de lograr un rango de tensión WIWO en modo directo y una ganancia de tensión aceptable en modo inverso, pero también alta eficiencia y alta densidad de potencia.
Con referencia a la figura 2, el circuito de tanque resonante 111 de acuerdo con el ejemplo CLLC comprende una primera capacitancia Cu, una primera inductancia Ln, una segunda capacitancia Cr2, y una segunda inductancia Ln.
Un primer terminal de la primera capacitancia Cu forma un primer terminal (conexión) T1 del circuito de tanque resonante 111 CLLC. Un segundo terminal de la primera capacitancia Cd está conectado a un primer terminal de la primera inductancia Ld. Un segundo terminal de la primera inductancia Ld está conectado a un primer terminal de la segunda capacitancia Cn y a un primer terminal de la segunda inductancia Lr 2 . Además, un segundo terminal de la segunda inductancia L& forma un tercer terminal (conexión) T3 del circuito de tanque resonante 111. Un segundo terminal de la segunda capacitancia Cr 2 forma un (segundo) terminal de conexión T2 del circuito 111 del tanque resonante CLLC.
Además, el lado de HV 107 comprende un primer circuito 113 de puente completo acoplado entre el primer circuito terminal 101 de HV y el circuito de tanque resonante 111.
El primer terminal de conexión T1 del circuito de tanque resonante 111 está conectado entre el tercer S3 y el cuarto S4 conmutadores del primer circuito de puente 113. El tercer terminal de conexión T3 del circuito de tanque resonante 111 está conectado entre el primer S1 y el segundo S2 conmutadores del primer circuito de puente 113. El segundo terminal de conexión T2 del circuito de tanque resonante 111 está conectado a un primer terminal del lado de HV (por ejemplo, un primer extremo de un primer devanado) del circuito transformador 105, y el tercer terminal de conexión T3 del circuito de tanque resonante 111 está conectado a un segundo terminal del lado de HV (de un segundo extremo del primer devanado) del circuito transformador 105.
En otras palabras, el circuito resonante 111 CLLC de acuerdo con este ejemplo comprende una primera rama que comprende una primera capacitancia Cu y una primera inductancia Ld acopladas en serie entre sí, una segunda capacitancia Cn y una segunda inductancia Ln. La primera rama, dicha segunda inductancia Ln y dicha segunda capacitancia están acopladas a un nodo común C. Dicha segunda capacitancia Cr 2 está acoplada entre dicho nodo común C y el primer terminal de dicho lado de alta tensión de dicho circuito transformador 105. Dicha segunda inductancia Ln está acoplada entre dicho nodo común C y el segundo terminal de dicho lado de alta tensión de dicho circuito transformador 105.
Los valores para las diferentes capacitancias e inductancias del presente tanque resonante 111 dependen de la aplicación concreta.
El lado de HV 107 incluye el primer circuito terminal 101 que está conectado a los primer y segundo terminales de un primer filtro 117 implementado como una capacitancia Chv en este ejemplo concreto. En detalle, el primer filtro 117 está conectado entre el terminal positivo y el terminal negativo del primer circuito terminal 101.
Los primer y segundo terminales del primer filtro 117 están conectados a su vez a un terminal positivo y aun terminal negativo del circuito de puente completo 113, respectivamente. El circuito de puente completo 113 comprende los conmutadores S1, S2, S3 y S4 implementados como transistores Mosfet de canal N en este ejemplo. Sin embargo, también son posibles otras implementaciones para los conmutadores (tales como transistor bipolar de puerta aislada, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, en inglés); transistor de efecto de campo de silicio de óxido metálico, MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor, en inglés); transistor de efecto de campo de puerta de unión, JFET (Junction Gate Field Effect Transistor, en inglés); tiristor de desconexión de puerta, GTO (Gate Turn Off Thyristor, en inglés)).
Los conmutadores S1, S2, S3 y S4 mencionados del circuito de puente completo 113 del lado de HV son seguidos por el circuito de tanque resonante CLLC 111 descrito anteriormente que, a su vez, está conectado al lado de HV del circuito transformador 105. El circuito transformador 105 acopla magnéticamente el lado de alta tensión 107 y el lado de baja tensión 109 del dispositivo convertidor 200.
Además, los primer y segundo terminales del lado de LV (por ejemplo, los extremos de un segundo devanado) del (circuito) transformador 105 están conectados a un segundo circuito de puente completo 115 del lado de LV 109. El segundo circuito de puente completo 115 incluye el primer Sr1, el segundo Sr2, el tercer Sr3 y el cuarto Sr4 conmutadores. Unos terminales de conexión positivo y negativo del segundo circuito de puente completo 115 están conectados a primer y segundo terminales de un segundo filtro 119 del lado de LV 109 que, en este ejemplo, están implementados como una capacitancia Clv. Finalmente, el primer y segundo terminales del segundo filtro 119 están conectados al segundo circuito terminal 103 del actual convertidor CC-CC 200. En detalle, el primer filtro 117 está conectado entre el terminal positivo y el terminal negativo del segundo circuito terminal 103.
Las características de ganancia de tensión tanto para el modo directo (mostrado en la figura 3a) como inverso (mostrado en la figura 3b) de este ejemplo concreto en la figura 2 se muestran en las figuras 3a y 3b.
El eje y representa la tensión y el eje x representa la frecuencia. Tal como se puede ver en los gráficos de las figuras 3a y 3b, la frecuencia de resonancia natural del tanque resonante es igual en ambos sentidos. En el modo inverso, la característica de ganancia de tensión es limitada y altamente dependiente del factor de calidad Q que depende de los valores de los componentes en el circuito de tanque resonante 111 (en las figuras 3a y 3b se muestran Q = 10, 2 y 0,1). Sin embargo, este es un problema relacionado con el diseño y dependerá de la elección de los valores para los componentes (parámetros) del tanque resonante y de la aplicación.
Basándose en la configuración del lado de LV 107 del convertidor descrito anteriormente, son posibles diferentes formas de implementación topológica del convertidor CC-CC bidireccional que se ilustran en las figuras 4a a 4c. Estas formas de implementación se refieren a las configuraciones del primer circuito de puente 113 y el segundo circuito de puente 105, respectivamente.
En el convertidor 210 mostrado en la figura 4a, el primer circuito de puente 113 en el lado de HV 107 se implementa como un circuito de medio puente (HB - Half Bridge) y el segundo circuito de puente 115 en el lado de LV 109 se implementa como un circuito de puente completo (FB - Full Bridge, en inglés).
El circuito de HB 113 en el lado de HV 107 de la figura 4a comprende un primer S1 y un segundo S2 conmutadores; una primera CB1 y una segunda CB2 capacitancias (CB1 y CB2 pueden formar parte del circuito de tanque resonante en ciertas aplicaciones cuando el primer circuito de puente tiene esta configuración de HB); y un primer Dc1 y un segundo Dc2 diodos de sujeción. El primer terminal de conexión T1 del circuito de tanque resonante 111 está conectado entre una conexión en serie de la primera capacitancia CB1 en paralelo con el primer diodo de sujeción Dc1 y la segunda capacitancia CB2 en paralelo con el segundo diodo de sujeción Dc2. El tercer terminal de conexión T3 del circuito de tanque resonante 111 está conectado entre la conexión en serie del primer conmutador S1 y el segundo conmutador S2.
El circuito de FB en el lado de LV 109 en la figura 4a está configurado de la misma manera que el circuito de FB en la figura 2, tal como se describió anteriormente.
En el convertidor 220 tal como el mostrado en la figura 4b, el primer circuito de puente 113 en el lado de HV 107 está implementado como un circuito de medio puente (tal como el de la figura 4a). Además, el lado de LV 107 del convertidor 220 comprende, en lugar de un circuito de puente, un circuito autotransformador de contrafase 116.
El circuito autotransformador de PP 116 en el lado de LV en la figura 4b comprende los conmutadores Sr1, Sr2 y un autotransformador 123. El autotransformador 123 tiene dos devanados (primer y segundo devanados) en un núcleo común. El primer devanado está conectado al primer conmutador Sr1 y el segundo devanado está conectado al
segundo conmutador Sr2. El punto medio del autotransformador 123 está conectado a un terminal positivo del lado de LV. El punto común de Sr1 y Sr2 está conectado a un terminal negativo del lado de LV. Además, el primer terminal del lado de LV (por ejemplo, un primer extremo de un segundo devanado) del transformador 105 está conectado entre el primer devanado 123 del autotransformador y el primer conmutador Sr1. El segundo terminal del lado de LV (por ejemplo, un segundo extremo del segundo devanado) del transformador 105 está conectado entre el segundo devanado 123 del autotransformador y el segundo conmutador Sr2.
En el convertidor 230 mostrado en la figura 4c, el primer circuito de puente 113 está implementado como circuito de HB. Además, el convertidor 230 comprende en su lado de LV, en lugar de un circuito de puente, un circuito de contrafase (PP) 118. El circuito de PP 118 comprende un primer conmutador Sr1 y un segundo conmutador Sr2. En el ejemplo mostrado en la figura 4c, el primer conmutador Sr1 y el segundo conmutador Sr2 están implementados a modo de ejemplo como Mosfets de N canales. El circuito de transformador 105 se implementa como un transformador que comprende en su lado de HV un primer devanado conectado con su primer extremo al segundo terminal T2 y su segundo extremo al tercer terminal T3 del circuito de tanque resonante 111. Además, en el lado de LV el transformador comprende un segundo devanado que tiene un primer extremo, una toma central y un segundo extremo. Un primer terminal del primer conmutador Sr1 (por ejemplo, un terminal de drenaje) está conectado al segundo extremo del segundo devanado. Un primer terminal del segundo conmutador Sr2 (por ejemplo, un terminal de drenaje) está conectado al primer extremo del segundo devanado. Los segundos terminales (por ejemplo, terminales de fuente) del primer conmutador Sr1 y el segundo conmutador Sr2 están conectados juntos a un terminal negativo del segundo circuito terminal 103. Además, la toma central del transformador está conectada al terminal positivo del segundo circuito terminal 103. Un segundo filtro Clv está conectado entre el terminal negativo y el positivo del segundo circuito terminal 103.
De acuerdo con una realización de la presente invención, el circuito de tanque 111 es de tres tipos inductorcondensador, es decir, inductor-condensador-inductor-condensador-inductor-condensador, denominado 3LC en la presente invención. La figura 5 muestra un tanque resonante 111 3LC implementado en el lado de alta tensión 107 de un convertidor 300 CC-CC bidireccional de acuerdo con una realización de la presente invención, que forma una posible forma de implementación del convertidor 100. Entre las características de este circuito de tanque resonante 111 se encuentra la posibilidad de lograr una ganancia de tensión adecuada en modo inverso, pero también alta eficiencia y alta densidad de potencia. Otro efecto importante es que el rango de tensión WIWO se puede lograr con una variación de frecuencia muy estrecha.
Desde la izquierda en la figura 5, el lado de HV 107 incluye un primer circuito terminal 101 del lado de HV que está conectado al primer y segundo terminales de un primer filtro 117 implementado como capacitancia en este ejemplo, Chv. Los primer y segundo terminales del primer filtro 117 están conectados a su vez a un terminal positivo y a un terminal negativo del circuito de FB 113 tal como el descrito anteriormente. Los conmutadores S1, S2, S3 y S4 mencionados del circuito de FB 113 del lado de HV van seguidos del circuito de tanque resonante 111 3LC. El circuito de FB está acoplado a los terminales de conexión T1 y T3 del circuito de tanque resonante 111. Además, el circuito de tanque resonante 111 está conectado al lado de LV del circuito transformador 105 a través de los terminales de conexión T2 y T3. El circuito transformador 105 acopla magnéticamente el lado de alta tensión 107 y el lado de baja tensión 109 del presente convertidor 300.
En el ejemplo mostrado en la figura 5, el lado de LV 109 del convertidor 300 está implementado como un circuito de contrafase 118 (que comprende los conmutadores Sr1, Sr2 en combinación con el circuito transformador 105 que tiene el segundo devanado con toma central (tal como se muestra en la figura 4c). Por tanto, el convertidor 300 se diferencia del convertidor 230 en que el circuito de tanque resonante 111 en el convertidor 300 está implementado como un tanque resonante 3LC.
Alternativamente, también sería posible una implementación con un circuito autotransformador de contrafase 116 en el lado de LV 109 (tal como se muestra en la figura 4b).
La figura 8a muestra una configuración propuesta de tanque resonante 111 de 3LC para su uso en realizaciones de la presente invención, que comprende una primera capacitancia Cu , una primera inductancia Ln, una segunda inductancia La, una segunda capacitancia Ca, una tercera inductancia Lr3 y una tercera capacitancia Cr3. Un primer terminal de la primera capacitancia Cn forma un primer terminal de conexión T1 del circuito de tanque resonante 111 3LC. Un segundo terminal de la primera capacitancia Cu está conectado a un primer terminal de la primera inductancia Ln. Un segundo terminal de la primera inductancia Ln está conectado a un primer terminal de la segunda inductancia La y a un primer terminal de la tercera inductancia Lr3. Un segundo terminal de la segunda inductancia La está conectado a un primer terminal de la segunda capacitancia Cr 2 . Un segundo terminal de la segunda capacitancia Ca forma un segundo terminal de conexión T2 del circuito de tanque resonante 111. Un segundo terminal de la tercera inductancia Lr3 está conectado a un primer terminal de la tercera capacitancia Cr3. Un segundo terminal de la tercera capacitancia Cr3 forma un tercer terminal de conexión T3 del circuito de tanque resonante 111. Tal como se puede ver en la figura 8a, las tres inductancias Ln, Lr 2 , La están todas conectadas a un nodo común C.
En otras palabras, la configuración propuesta del tanque resonante 3LC que se muestra en la figura 8a comprende una primera rama, que comprende una primera capacitancia Cn y una primera inductancia Ln acopladas en serie entre sí, una segunda rama, que comprende una segunda inductancia La y una segunda capacitancia Cr2, una tercera rama,
que comprende una tercera capacitancia Co y una tercera inductancia Lo acopladas en serie entre sí. La primera rama está acoplada en serie con la segunda rama, y la tercera rama está acoplada entre un nodo común C de la primera rama y la segunda rama y el tercer terminal T3 del circuito de tanque resonante 111. El segundo T2 y el tercer T3 terminal del circuito de tanque resonante 111 deben estar acoplados al lado de alta tensión del circuito transformador 105. Los valores para las diferentes capacitancias e inductancias del presente tanque resonante 111 dependen de la aplicación concreta.
Las características de este tanque resonante 111 son únicas, ya que aumenta la ganancia de tensión en ambos sentidos para que sea mayor que 1, que es la ganancia obtenida a la frecuencia resonante. Esta característica hace posible lograr una variación de tensión WIWO.
Las características de ganancia de tensión para el modo directo e inverso se muestran en la figura 6a (modo directo) y 6b (modo inverso) para el convertidor 300 CC-CC bidireccional 3LC tal como se muestra en la figura 5. El eje y representa la tensión y el eje x representa la frecuencia. Tal como se puede ver en los gráficos de las figuras 6a y 6b, la frecuencia de resonancia natural del tanque es igual en ambos sentidos. El efecto introducido por la red LC paralela (Lo y Co ) hace que la ganancia cambie de 0 a infinito de una manera muy brusca. El valor final depende del factor de calidad Q (en las figuras 6a y 6b se muestran Q = 10, 2, 0,1). Esto da como resultado una alta ganancia, pero también es importante mencionar que las características de este convertidor son las mismas que las del tanque resonante LLC estándar para ambos sentidos. Esto garantiza que el convertidor siempre funcionará en el punto de transferencia de potencia más óptimo en los modos directo e inverso.
En la figura 8b, se ilustra una integración magnética de la primera Ln y la segunda Lo inductancias del circuito de tanque resonante 111 que usa el mismo núcleo magnético. Esto simplifica la construcción del circuito de tanque resonante 111 3LC del presente convertidor y también reduce el número de componentes. Sin embargo, todos los inductores del circuito de tanque resonante 111 podrían estar integrados en un solo componente magnético.
Basados en el tanque resonante 111 de 3LC, se tienen diferentes circuitos topológicos de convertidor que se ilustran (además del mostrado en la figura 5) en las figuras 7a a 7c de acuerdo con realizaciones adicionales de la presente invención.
Los circuitos de FB, HB y PP de las figuras 7a a 7c están configurados de la misma manera que los circuitos de FB, HB y PP en las realizaciones mostradas en las figuras 2, 4a, 4b. La figura 7a muestra una implementación de puente completo - puente completo para los circuitos de puente 113, 115 tal como la mostrada en la figura 2. La figura 7b muestra una implementación de medio puente - puente completo para los circuitos de puente 113, 115 tal como la mostrada en la figura 4a. La figura 7c muestra una implementación de medio puente - circuito de contrafase con autotransformador para el circuito de puente 113 y el lado de LV 109 tal como la mostrada en la figura 4b.
Para aplicaciones de alta potencia, se prefiere entrelazar dos o más convertidores CC-CC de realizaciones de la presente invención para obtener un sistema convertidor CC-CC bidireccional.
Por ejemplo, una posible configuración es tener una conexión en serie de los lados de HV 107a, 107b, ..., 107n de los convertidores CC-CC y una conexión en paralelo de los lados de LV 109a, 109b, 109n de los convertidores CC-CC. Este establecimiento de configuración se ilustra en los sistemas de las figuras 9 y 10, respectivamente. El convertidor CC-CC único puede ser de cualquier tipo de acuerdo con las realizaciones de la presente invención.
Otras configuraciones para la conexión de los convertidores individuales del sistema 1000 son: en paralelo en el lado de HV 107 y en serie en el lado de LV 109, en serie en el lado de HV 107 y en serie en el lado de LV 109, y en paralelo en el lado de HV 107 y en paralelo en el lado de LV 109.
La figura 9 muestra un sistema convertidor CC-CC 900 de acuerdo con un ejemplo útil para comprender la presente invención en el que el circuito de tanque resonante 111 de cada convertidor CC-CC en el sistema 900 es del tipo CLLC, tal como se explicó anteriormente. En detalle, la figura 9 muestra un entrelazado de una pluralidad de convertidores 200 tal como se muestra en la figura 2. En este sistema 900, los lados de alta tensión 107a, ..., 107n de los convertidores están conectados en serie entre un terminal de HV positivo y un terminal de HV negativo del sistema 900. Los lados de LV 109a, ..., 109n de los convertidores están conectados en paralelo a un terminal de LV positivo y a un terminal de LV negativo del sistema 900.
La figura 10 muestra un sistema 1000 de convertidor CC-CC de acuerdo con una realización de la presente invención en el que el circuito de tanque resonante 111 de cada convertidor del sistema 1000 es del tipo 3LC, tal como se explicó anteriormente. En detalle, la figura 10 muestra un entrelazado de una pluralidad de convertidores 300 tal como se muestra en la figura 5. En este sistema 1000, los lados de HV 107a, ..., 107n de los convertidores están conectados en serie entre un terminal de HV positivo y un terminal de HV negativo del sistema 1000. Los lados de LV 109a, ..., 109n de los convertidores están conectados en paralelo a un terminal de LV positivo y a un terminal de LV negativo del sistema 1000.
Aunque el ejemplo de 10 mostró un entrelazado de los convertidores CC-CC 200 y 300, otras realizaciones también incluyen un entrelazado de los otros convertidores CC-CC introducidos en este documento de acuerdo con realizaciones de la invención.
Finalmente, se debe comprender que la presente invención no está limitada a las realizaciones descritas anteriormente, sino que también se refiere e incorpora todas las realizaciones dentro del alcance de las reivindicaciones independientes adjuntas.
Claims (10)
1. El convertidor (100) CC-CC bidireccional, que comprende:
un primer circuito terminal (101),
un segundo circuito terminal (103),
un circuito transformador (105),
un primer lado de alta tensión (107), que comprende un primer circuito de puente (113) y acoplado a dicho primer circuito terminal (101), y
un segundo lado de baja tensión (109), acoplado a dicho segundo circuito terminal (103); en donde
dicho primer lado de alta tensión (107) y dicho segundo lado de baja tensión (109) están acoplados entre sí por medio de dicho circuito transformador (105), y
dicho primer lado de alta tensión (107) comprende un circuito de tanque resonante (111) acoplado entre dicho primer circuito de puente (113) de dicho primer lado de alta tensión (107) y un lado de alta tensión de dicho circuito transformador (105);
en donde dicho circuito de tanque resonante (111) comprende:
una primera rama que comprende, una primera capacitancia Cn y una primera inductancia En acopladas en serie entre sí,
caracterizado por que el circuito de tanque resonante (111) comprende, además:
una segunda rama, que comprende una segunda inductancia Lr2 y una segunda capacitancia Cr 2 acopladas en serie entre sí, y
una tercera rama, que comprende una tercera capacitancia Cr3 y una tercera inductancia La acopladas en serie entre sí;
en donde dicha primera rama, segunda rama y tercera rama están acopladas a un nodo común (C);
en donde dicha segunda rama está acoplada entre dicho nodo común (C) y un primer terminal de dicho lado de alta tensión de dicho circuito transformador (105);
en donde dicha tercera rama está acoplada entre dicho nodo común (C) y un segundo terminal de dicho lado de alta tensión de dicho circuito transformador (105); y
en donde la primera rama está acoplada en serie con la segunda rama.
2. El convertidor (100) CC-CC bidireccional de acuerdo con la reivindicación 1, en el que:
un primer terminal de la primera capacitancia Cu forma un primer terminal (T1) de dicho circuito de tanque resonante (111);
un segundo terminal de la primera capacitancia Cn está conectado a un primer terminal de la primera inductancia Ln ; un segundo terminal de la primera inductancia Ln está conectado a un primer terminal de la segunda inductancia La y a un primer terminal de la tercera inductancia La;
un segundo terminal de la segunda inductancia La está conectado a un primer terminal de la segunda capacitancia Ca]
un segundo terminal de la segunda capacitancia Ca. forma un segundo terminal (T2) de dicho circuito de tanque resonante (111);
un segundo terminal de la tercera inductancia Lr3 está conectado a un primer terminal de la tercera capacitancia Ca; un segundo terminal de la tercera capacitancia Ca forma un tercer terminal (T3) de dicho circuito de tanque resonante (111).
3. El convertidor (100) CC-CC bidireccional de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicho primer terminal (T1) de dicho circuito de tanque resonante (111) y dicho tercer terminal (T3) de dicho circuito de tanque resonante (111) están conectados a dicho primer circuito de puente (113);
y dicho segundo terminal (T2) de dicho circuito de tanque resonante (111) y dicho tercer terminal (T3) de dicho circuito de tanque resonante (111) están conectados al lado de alta tensión de dicho circuito transformador (105).
4. El convertidor (100) CC-CC bidireccional de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que
dicho primer circuito de puente (113) es un puente completo y dicho segundo lado de baja tensión (109) comprende un puente completo adicional acoplado a un lado de baja tensión de dicho circuito transformador (105), o
dicho primer circuito de puente (113) es un medio puente y dicho segundo lado de baja tensión (109) comprende un puente completo acoplado a un lado de baja tensión de dicho circuito de transformador (105), o
dicho primer circuito de puente (113) es un medio puente, dicho segundo lado de baja tensión (109) comprende un circuito de contrafase conectado al lado de baja tensión del circuito transformador (105) y dicho circuito transformador (105) comprende en su lado de baja tensión un segundo devanado que comprende una toma central, o
dicho primer circuito de puente (113) es un medio puente y dicho segundo lado de baja tensión (109) comprende un circuito de contrafase con un autotransformador conectado al lado de baja tensión del circuito transformador (105).
5. El convertidor (100) CC-CC bidireccional de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que, como mínimo, dos de dicha primera inductancia Ln, dicha segunda inductancia L 2 y dicha tercera inductancia Lr3 están acopladas magnéticamente entre sí en un núcleo magnético común.
6. El convertidor (100) CC-CC bidireccional de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, un segundo filtro (119) acoplado entre un terminal positivo y uno negativo del segundo circuito terminal (103).
7. El convertidor (100) CC-CC bidireccional de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, un primer filtro (117) acoplado en paralelo con dicho primer circuito de puente (113).
8. El sistema convertidor CC-CC bidireccional (900; 1000) que comprende dos o más convertidores CC-CC bidireccionales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos dos o más convertidores CC-CC bidireccionales están entrelazados entre sí.
9. El sistema convertidor CC-CC bidireccional (900; 1000) de acuerdo con la reivindicación 8, en el que los primeros lados de alta tensión (107a, 107b, ..., 107n) de dichos dos o más convertidores CC-CC bidireccionales están acoplados en serie entre sí; o acoplados en paralelo entre sí.
10. El sistema convertidor CC-CC bidireccional (900; 1000) de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, en el que los segundos lados de baja tensión (109a, 109b, ..., 109n) de dichos dos o más convertidores CC-CC bidireccionales están acoplados en serie entre sí; o acoplados en paralelo entre sí.
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