ES2913635T3 - Célula convertidora de puente activo dual con inductor de transferencia de energía dividida para el equilibrado de corriente optimizado en el transformador de frecuencia media (MFT) - Google Patents

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Abstract

Un convertidor de CC/CC de puente activo dual, que comprende a) un primer enlace (10) de CC; b) una primera pluralidad de N puentes convertidores conectados al primer enlace (10) de CC; c) un transformador (2141) que tiene un lado primario y un lado secundario; d) el lado primario del transformador que comprende una segunda pluralidad de M>1 devanados primarios, cada uno de la pluralidad de devanados primarios tiene un primer y un segundo terminal; caracterizado por e) una primera pluralidad de N inductores (LDAB1) de transferencia de energía que tiene cada uno un primer extremo y un segundo extremo, en donde los segundos extremos están conectados entre sí a través de un nodo (C) común en donde f) cada uno de la primera pluralidad de inductores (LDAB1) de transferencia de energía está conectado entre dicho nodo (C) común y un puente convertidor diferente a través del primer tendido; y g) cada primer terminal de los M devanados primarios está conectado al nodo (C) común a través de una segunda pluralidad de inductores (LDAB2) de transferencia de energía y en donde los segundos terminales de toda la pluralidad de devanados primarios están conectados entre sí.

Description

DESCRIPCIÓN
Célula convertidora de puente activo dual con inductor de transferencia de energía dividida para el equilibrado de corriente optimizado en el transformador de frecuencia media (MFT)
Campo de la invención
La invención pertenece al campo de la electrónica de potencia. Se refiere a un convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con la reivindicación de patente independiente.
Antecedentes de la invención
Los transformadores que manejan alta corriente (varios 100 A y más, en particular por encima de 200 A) a altas frecuencias de varios kilohercios (en particular por encima de 3 kHz o mucho más) son muy difíciles de construir componentes a bajo coste y/o listos para usar debido a varios efectos que son despreciables a frecuencias más bajas, en particular a frecuencias por debajo de 1 kHz, y/o para corrientes bajas, en particular corrientes por debajo de 100 A. Las aplicaciones típicas que involucran frecuencias y/o corrientes tan altas son transformadores de frecuencia media como se utiliza con frecuencia en transformadores de estado sólido, especialmente para SST configurados como convertidores de CA/CC para energía distribuida conectada a la red de media tensión (MT) como en
Carga rápida de vehículos eléctricos (EV)
Solar fotovoltaica (FV)
Sistemas de almacenamiento de energía de batería (BESS)
Eólica terrestre y marina
Centro de datos
pero también transformadores sin requisitos de aislamiento de MT, como los que se utilizan con frecuencia en convertidores de CC/CC de baja tensión y alta potencia con aislamiento galvánico que se requieren en el polo de carga de los cargadores rápidos de vehículos eléctricos. Un ejemplo particular de dichos convertidores de CC/CC son los convertidores de puente activo dual, como se describe a modo de ejemplo en la publicación de solicitud de patente suiza CH 707533 A2 o publicación de solicitud de patente de EE. UU. Ch 2018/0159435 A1, los cuales se incluyen aquí por referencia en su totalidad. Otro ejemplo es el documento EP 3046241.
Para mantener pequeñas las pérdidas de alta frecuencia en las bobinas de los transformadores, una forma es emplear alambre litz para formar los devanados de las bobinas. Si bien el alambre litz es varias veces más caro que el alambre de cobre sólido se puede comprar "listo para usar" para corrientes de CA de hasta 100 - 200 A (raíz cuadrada media, rms). El alambre litz consta de una gran cantidad de hilos transpuestos, generalmente hechos de cobre, y está disponible comercialmente en secciones transversales totales de hasta 0,5 cm2 que permite una corriente máxima en el intervalo de 100 - 200 Arms (asumiendo un factor de llenado de entre 0,4 y 0,9, en particular de al menos aproximadamente 0,8, y una densidad de corriente de 2,5 ... 5 A/mm2). Las corrientes más grandes, como son típicas en las aplicaciones enumeradas anteriormente, requieren secciones transversales más grandes y serán cada vez más difíciles de doblar. El alambre litz generalmente no está hecho de aluminio porque con el aluminio es extremadamente difícil contactar de manera fiable todos los hilos en un terminal de alambre (por ejemplo, 900 hilos de 0,2 mm de diámetro cada uno en el alambre litz de cobre mencionado anteriormente). El alambre litz de cobre es al menos 2 a 4 veces más caro que el cobre sólido, y el cobre es alrededor de 3 veces más caro que el aluminio. Para corrientes más altas (> 100 A), como son típicas en las aplicaciones enumeradas anteriormente, deben estar en paralelo varios alambres litz de cobre, lo que a menudo da como resultado, debido al flujo de dispersión entre los cables en paralelo, corrientes circulantes, lo que puede aumentar significativamente las pérdidas.
Para la optimización y/o minimización del esfuerzo de fabricación y los recursos necesarios, los devanados de lámina de aluminio y/o el cobre sólido, como los que se emplean comúnmente en los transformadores de 50 Hz, serían una opción preferida para las bobinas. A alta frecuencia, las pérdidas en el devanado de una lámina aumentan significativamente debido a los efectos superficiales y de proximidad. Si se emplea una sola lámina, la frecuencia define un espesor de lámina requerida, una corriente deseada o requerida define una altura de lámina, y esto da como resultado una altura de transformador. Para corrientes grandes y frecuencias altas, la forma del transformador se desviará mucho de una forma de cubo, lo que dará como resultado un peso mucho mayor, pérdidas en el núcleo y mayores requisitos en recursos y esfuerzo (se requiere un volumen de núcleo más alto).
Si se emplean láminas paralelas, se puede reducir la altura de una lámina individual, pero debido al campo de dispersión entre láminas paralelas, se pueden inducir fuertes corrientes circulantes, lo que aumenta significativamente las pérdidas (el mismo efecto que con el alambre paralelo).
En ambos diseños, alambre litz y lámina de cobre, un problema principal son las corrientes circulantes entre los conductores paralelos que aumentan las pérdidas en los devanados, a menudo significativamente, lo que reduce la potencia nominal del transformador y/o aumenta significativamente el coste del transformador (USD/kW). En aplicaciones prospectivas de energía distribuida como carga rápida de vehículos eléctricos, energía solar fotovoltaica, sistemas de almacenamiento de energía de baterías, eólica o centros de datos, el transformador de frecuencia media (MFT) es un componente clave. Para corrientes más altas (en particular por encima de 100 A), el simple aumento de la tecnología de 50/60 Hz y/o el empleo de alambre litz disponible en el mercado.......o alambre laminado de bajo coste da como resultado enormes pérdidas debido a las corrientes circulantes inducidas de alta frecuencia que reducen significativamente el rendimiento del transformador.
La generación de corrientes circulantes, en particular en una configuración de dos o más láminas de alambre u otros conductores que forman devanado conectados en paralelo, cada devanado que comprende una pluralidad de espiras, puede entenderse como sigue: Cada una de las espiras está expuesta a un campo dispersión magnética, p. ej. en una ventana de devanados formada por un núcleo del transformador. Los alambres litz paralelos que forman devanados individuales que están conectados a los terminales de entrada y salida del transformador forman un bucle que está expuesto al campo de dispersión magnético. El campo magnético de dispersión cambia con la frecuencia operativa de la MFT, lo que da como resultado una tensión que impulsa una corriente circulante en este bucle. La corriente circulante se suma a una corriente nominal en el MFT, lo que puede dar como resultado que un hilo litz lleve más de la mitad de la corriente nominal y que el paralelo lleve, en consecuencia, menos de la mitad de la corriente nominal. Si la corriente circulante es lo suficientemente grande, un hilo litz puede transportar más que una corriente nominal total, y luego el paralelo lleva una corriente negativa (desfasada 180°). De esta forma, no solo se reduce efectivamente la sección transversal de cobre total disponible en un 50%, sino que se introducen pérdidas adicionales y la potencia de salida máxima de la MFT se reduce en un factor de dos o más.
Las soluciones de última generación para limitar las corrientes circulantes requieren componentes adicionales, mayor esfuerzo de fabricación y espacio adicional, y pueden generar problemas adicionales. Una solución de última generación, la transposición de alambres o láminas conectados en paralelo, como por ejemplo los proporcionados por alambres paralelos retorcidos entre sí o entrelazados o entrecruzados de otro modo, requiere un esfuerzo de fabricación adicional, especialmente para los devanados de lámina, lo que conduce a una mayor longitud efectiva del alambre, exhibe una eficiencia limitada en los MFT con solo unas pocas vueltas de devanado y puede conducir a desafíos de aislamiento de alta tensión, p. ej. debido a heterogeneidades geométricas en la proximidad de las ubicaciones de transposición. Alternativamente, se pueden añadir filtros de modo común entre los alambres o láminas paralelas. Sin embargo, esto requiere componentes adicionales, por lo que puede conducir a un mayor coste y un mayor esfuerzo de fabricación, y requiere espacio adicional y/u otros recursos.
Es un objetivo de la invención permitir la supresión eficiente de corrientes circulantes en convertidores de CC a CC de puente activo dual. También es un objetivo de la invención permitir proporcionar un método para bloquear completamente la corriente circulante cambiando la topología del convertidor de CC/CC de puente activo dual sin ningún componente o recurso adicional.
Compendio de la invención
Estos objetivos se logran mediante un convertidor de CC/CC de puente activo dual con una combinación de características según la reivindicación de patente independiente. Otras realizaciones de ejemplo son evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes y la siguiente descripción en combinación con los dibujos adjuntos.
Un convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con la invención comprende un primer enlace de CC, que comprende preferiblemente un primer condensador de enlace de CC; un puente convertidor conectado al primer enlace de CC; un transformador, preferiblemente un transformador de frecuencia media, que tiene un lado primario y un lado secundario; el lado primario del transformador que comprende una pluralidad de M>1 devanados primarios, cada uno de la pluralidad de devanados primarios tiene un primer y un segundo terminal; en donde el convertidor de CC/CC de puente activo dual comprende además una primera pluralidad de M inductores de transferencia de energía; y en donde para cada uno de los M devanados primarios, se conecta uno diferente de la primera pluralidad de inductores de transferencia de energía entre dicho puente de devanado primario y el puente convertidor.
El puente convertidor puede considerarse como parte de un convertidor o inversor de CC/CA que tiene una entrada conectada al primer enlace de CC, que a su vez puede estar conectado a una red a través de un convertidor, o a una fuente de energía eléctrica de CC como un panel solar fotovoltaico. o un BESS, en DONDE el convertidor de CC/CA está configurado para proporcionar una tensión y/o corriente CA en una salida de dicho convertidor de CC/CA.
El transformador puede considerarse como parte de un circuito intermedio de CA que tiene un lado de entrada y/o primario conectado a la salida de dicho convertidor de CC/CA. El circuito intermedio de CA puede incluir elementos adicionales, en particular inductores, conectados en paralelo con la entrada o una salida o lado secundario del circuito intermedio de CA, o en serie entre la entrada o salida del circuito intermedio de CA y el transformador. El transformador puede, en particular, estar provisto de un solo devanado primario y/o un solo devanado secundario, pero en general comprenderá una pluralidad de devanados primarios y/o una pluralidad de devanados secundarios.
El lado de salida y/o secundario del circuito intermedio de CA se puede conectar a una entrada de un convertidor de CA/CC configurado para convertir una salida de corriente y/o tensión de CA por el circuito intermedio de CA en una tensión de CC y/o un (intermitente) ) corriente CC en una salida del convertidor de CA/CC, que a su vez puede conectarse, a través de un segundo puente convertidor, a un segundo enlace de CC, que comprende preferiblemente un segundo condensador de enlace de CC, en el que puede conectarse una carga. Si el convertidor está adaptado para un funcionamiento bidireccional, en particular permitiendo un flujo de energía eléctrica bidireccional, la carga también puede actuar, al menos temporalmente, como una fuente generadora.
El primer enlace de CC puede proporcionar al menos dos niveles de tensión, en particular un nivel cero o neutral y un nivel positivo. El primer enlace de CC también puede, en particular, proporcionar un nivel positivo, un nivel cero o neutral y un nivel de tensión negativa
El convertidor de CC/CC de puente activo dual puede comprender más de un puente convertidor, en particular un total de N>1 puentes convertidores, conectados en paralelo al primer enlace de CC, y puede comprender además una segunda pluralidad de N inductores de transferencia de energía y un nodo común, con cada uno de la segunda pluralidad de N inductores de transferencia de energía conectado entre uno de los puentes convertidores y el nodo común; y cada uno de la primera pluralidad de M inductores de transferencia de energía está conectado entre el nodo común y el primer terminal de uno diferente de la pluralidad de devanados primarios
El puente convertidor o los puentes convertidores pueden ser, en particular, puentes activos de topología arbitraria que pueden aplicar al menos uno de los dos niveles de tensión proporcionados por el primer enlace de CC a la entrada, en particular a los terminales de entrada, del circuito intermedio de CA. Esto puede incluir medios puentes, puentes completos, puentes fijados en estrella y cualquier tipo de topología de varias etapas. Por ejemplo, un puente de tres puntos permite la aplicación de una tensión positiva, una tensión negativa y una tensión cero a la entrada del circuito intermedio de CA.
Así, el puente convertidor o los puentes convertidores pueden comprender una pluralidad de interruptores, y sus correspondientes conexiones conmutadas, que permiten establecer e interrumpir conexiones entre la entrada del circuito intermedio AC y cada uno de los niveles de tensión. Los interruptores pueden, en particular, operar bajo control, por una unidad de control, sistema de control o controlador, que puede ser interno al convertidor de CC/CA, o puede proporcionarse externamente. El control puede ser, en particular, un control de circuito cerrado.
Preferiblemente, si están presentes una pluralidad de puentes convertidores conectados en paralelo al primer enlace de CC, todos ellos tienen una topología idéntica. Preferiblemente, los conmutadores correspondientes de todos los puentes convertidores están configurados para operar de manera al menos esencialmente sincronizada. En particular, el controlador o sistema de control puede conmutar todos los interruptores correspondientes al menos esencialmente simultáneamente, y puede apagar todos los interruptores correspondientes al menos esencialmente simultáneamente.
Los interruptores pueden ser, en particular, interruptores semiconductores que incluyen transistores, en particular BJT (transistores de unión bipolar), MOSFET (transistores de efecto de campo semiconductor de óxido metálico), IGBT (transistores bipolares por puerta integrada); o tiristores, en particular GTO (tristores de apagado por puerta) GCT (tristor conmutado por puerta) o IGCT (tristores conmutados por puerta integrada).
Los aspectos descritos anteriormente, así como otros aspectos de la invención, se harán evidentes y se dilucidarán con referencia a las realizaciones descritas en combinación con los dibujos a continuación.
Breve descripción de los dibujos
El objeto de la invención se explicará con más detalle en el siguiente texto con referencia a ejemplos de realización que se ilustran en los dibujos adjuntos.
La Fig. 1 ilustra un convertidor de puente activo dual (DAB) de CC/CC básico de la técnica anterior.
La Fig. 2 muestra un esquema de un convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con una realización de la invención.
La Fig. 3 muestra un esquema de un convertidor de CC/CC de puente activo dual de ejemplo de acuerdo con otra realización de la invención.
La Fig. 4 muestra un esquema de un convertidor de CC/CC de puente activo dual de ejemplo de acuerdo con otra realización más de la invención.
En principio, los símbolos de referencia idénticos en las figuras indican características o elementos idénticos.
Descripción detallada de las realizaciones de ejemplo
La figura 1a) ilustra un convertidor 1 de CC/CC de puente activo dual básico (DAB) de la técnica anterior que puede considerarse como un posible punto de partida para la presente invención. El convertidor 12 de CC/CA está configurado para convertir una tensión y/o corriente de CC de una fuente de CC, preferiblemente que comprende un condensador de enlace de CC, conectado a su entrada en una tensión y/o corriente de CA de frecuencia media, es decir, preferiblemente en un intervalo de frecuencia entre 500Hz y 500kHz. Dicha tensión y/o corriente de CA se alimenta a un circuito 14 intermedio de CA que comprende un transformador 141, en particular un transformador de frecuencia media (MFT), dicho transformador que comprende un lado primario y un lado secundario, y que proporciona aislamiento galvánico entre dichos lados. El transformador puede, entre otras cosas, estar caracterizado por inductancias LM y LM' acopladas y una inductancia Ls parásita, con su devanado o devanados lateral primario conectados al convertidor de CC/CA a través de un inductor, a veces denominado inductor de transferencia de energía, que tiene una inductancia Ldab. El transformador transforma la tensión y/o la corriente en su lado primario de manera conocida en una tensión y/o corriente en el lado secundario. Dicha tensión y/o corriente del lado secundario es posteriormente convertido por el convertidor 16 de CA/CC, en una tensión y/o corriente de CC en la salida de dicho convertidor 16 CA/CC. Un inductor opcional conectado entre el lado secundario del transformador y el convertidor de CA/CC tiene preferiblemente una inductancia L'dab que preferiblemente es al menos esencialmente idéntica a Ldab, en particular para una relación de espiras de transformador de 1:1. El convertidor 12 de CC/CA puede, en particular, comprender una pluralidad de interruptores semiconductores dispuestos en una configuración de medio puente correspondiente a la que se muestra en la Fig. 1b), o dispuestos en una configuración de puente completo correspondiente a la que se muestra en la Fig. 1c). Asimismo, el convertidor 16 de CA/CC puede, en particular, comprender una pluralidad de interruptores semiconductores dispuestos en una configuración de medio puente correspondiente a la que se muestra en la Fig. 1b), o dispuestos en una configuración de puente completo correspondiente a la que se muestra en Fig. 1c).
La Fig. 2 muestra un esquema de un convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con una realización de la invención. El convertidor comprende un primer enlace 10 de CC, un convertidor 112 de CC/CA que comprende un par de interruptores S1 y S2 semiconductores, un circuito 114 intermedio de CA, un convertidor 116 de CA/CC y un segundo enlace 18 de CC. Se proporcionan dos devanados paralelos tanto en el lado 1001 primario como en el lado 1002 secundario del transformador, y los inductores Ldab y L'dab de transferencia de energía se han dividido y distribuido entre los devanados paralelos, y cada devanado tiene un inductor de transferencia de energía con inductancia Ldab/2 o L'dab/2, respectivamente para el lado primario y secundario. También se muestra, simplemente como información básica, una fuente de tensión conectada al primer enlace 10 de CC, una carga resistiva conectada al segundo enlace 18 de CC y caracterizada por una resistencia Rcarga, y (en gris) una red 19 de reluctancia de un núcleo y un flujo de dispersión del transformador.
La Fig. 3 muestra un esquema de un convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con otra realización de la invención. La bobina primaria comprende una pluralidad de M=2 devanados paralelos, es decir, devanados conectados eléctricamente en paralelo, con cada devanado formado por un alambre de transformador, y en donde cada alambre o devanado está conectado al nodo C común a través de uno individual de una segunda pluralidad (M=2) de inductores Ldab2. El convertidor comprende un primer enlace 10 de CC, un convertidor 212 de CC/CA que comprende una pluralidad de interruptores S1, S2, S3, ..., S6 semiconductores, un circuito 214 intermedio de CA, un convertidor 216 de CA/CC y un segundo enlace 18 de CC. El convertidor comprende una pluralidad de medios puentes activos que están conectados al primer enlace 10 de CC único, mientras que cada una de sus salidas está conectada a través de un individual uno de una primera pluralidad (N=3) de inductores Ldab1 y el nodo C común a una bobina primaria de un transformador 2141 de frecuencia media, dicho transformador que proporciona, entre otras cosas, el aislamiento galvánico entre el lado primario y el secundario de dicho transformador. Proporcionar un nodo C común como un único punto de acoplamiento, donde los inductores Ldab1 e inductores Ldab2 están todos conectados, permite optimizar los interruptores de semiconductores y los alambres del transformador de forma independiente. Las inductancias de todos los inductores de la primera pluralidad de inductores Ldab1 pueden ser al menos esencialmente idénticos entre sí, en particular para una relación de espiras de transformador de 1:1. De manera similar, las inductancias de todos los inductores de la segunda pluralidad de inductores Ldab2 pueden ser al menos esencialmente idénticos entre sí, aunque no necesariamente a las inductancias de la primera pluralidad de inductores Ldab1. También se muestra, simplemente como información básica, una fuente de tensión conectada al primer enlace 10 de CC, una carga resistiva conectada al segundo enlace 18 de CC y caracterizada por una resistencia Rcarga, y (en gris) una red 19 de reluctancia de un núcleo y un flujo de dispersión del transformador 2141.
La Fig. 4 muestra un esquema de un convertidor de CC/CC de puente activo dual de ejemplo de acuerdo con otra realización más de la invención. El convertidor comprende un primer enlace 10 de CC, un convertidor 312 de CC/CA, un circuito 314 intermedio de CA, un convertidor 316 de CA/CC y un segundo enlace 18 de CC. El convertidor 312 de CC/CA de del convertidor de CC/CC de puente dual activo comprende una pluralidad de N medios puentes activos, donde N es un múltiplo entero de un número M de devanados primarios en paralelo del transformador, o viceversa, para la elección de ejemplo de N=M=2. Como puede verse, los inductores Ldab1 de transferencia de energía no están conectados entre sí en sus lados del transformador, sino que están conectados cada uno directamente a un devanado del transformador sin la presencia de un nodo C común como en la realización anterior. Nuevamente las inductancias de todos los inductores Ldab1 de transferencia de energía pueden ser al menos esencialmente idénticos entre sí, en particular para una relación de espiras de transformador de 1:1.
En las realizaciones que se muestran en las Figs. 2 a 4, los inductores Ldab1 de transferencia de energía y - si está presente - Ldab2 reemplaza el inductor Ldab de transferencia de energía de la Fig. 1a), y actúan conjuntamente como inductores de transferencia de energía de los circuitos 114, 214 y 314 intermedios. Dichos inductores de transferencia de energía pueden, por lo tanto, considerarse como inductores de transferencia de energía dividida, actuando cada uno de dichos inductores individualmente como inductores de transferencia de energía parciales.
La conexión de los devanados del transformador en paralelo a través de inductores de transferencia de energía dividida evita que circulen corrientes en el devanado del transformador que, de lo contrario, generarían enormes pérdidas en los MFT y/o reducirían significativamente el rendimiento del convertidor.
Además, si el convertidor de CC/CC de puente activo dual comprende una pluralidad de N>1 medios puentes activos, la corriente a través de cada medio puente activo o pata de puente ya no está definida por parásitos del módulo de potencia, distribuciones de temperatura no homogéneas y/o características de semiconductores (que no son perfectamente iguales para todos los chips) como consecuencia de la presencia de inductores de transferencia de energía parcial, sino por los inductores de transferencia de energía dividida (que tienen, en un intervalo definido, una desviación máxima limitada de una inductancia de referencia, p. ej., 5%). Esto hace que una distribución de corriente sea homogénea y estable sin requerir medidas o esfuerzos adicionales.
En todas las realizaciones que se muestran, el lado secundario del convertidor de CC/CC (como se muestra en el lado derecho de las Figs. 2 a 4) puede incorporarse alternativamente de manera análoga al lado primario de la misma o de cualquier otra realización.
Las características ventajosas de un convertidor de CC/CC de doble puente activo según la invención son:
No se requieren componentes adicionales. Dividir el inductor de transferencia de energía como se propone mantiene el tamaño total del inductor, en particular una inductancia total/sumada, sin cambios.
Se puede usar un MFT con una sola salida o terminal lateral secundario que conecte internamente todos los devanados paralelos, p. ej. en el caso de devanados hechos de lámina, en particular lámina de bajo coste, más fácil de construir y al mismo tiempo capaz de cumplir con los estrictos requisitos de aislamiento para aplicaciones de alto tensión.
La potencia eléctrica máxima y/o nominal por MFT puede incrementarse, debido a un aumento de la corriente máxima que puede manejar un solo MFT. Esto es clave para construir un MFT económicamente eficientes. En MFT de mayor potencia (y por lo tanto más grandes), se reduce, en un sentido relativo, un esfuerzo de aislamiento, en particular un volumen requerido para un aislamiento suficiente. Una forma alternativa de proporcionar mayor potencia a través de una corriente más alta sería conectar en paralelo un convertidor resonante completo o celdas de convertidor de puente activo dual en un SST, o incluso conectar en paralelo un SST completos y, por lo tanto, el número de MFT requerido. Pero esto no aumentaría el nivel de potencia de las MFT individuales.
Las corrientes circulantes en los devanados de transformadores paralelos que se construyen a partir de alambres paralelos se suprimen de manera eficiente debido a los inductores de transferencia de energía dividida que bloquean dichas corrientes; esto también habilita el empleo de alambres litz más comunes de menor sección transversal, lo que es probablemente potencialmente más barato y puede fabricarse usando esfuerzos y recursos reducidos.
Permite la realización de bajo coste de celdas convertidoras de CC/CC de puente activo dual, empleando y/o habilitando interruptores de semiconductores de potencia listos para usar para aplicaciones de alta corriente simplemente añadiendo medios puentes adicionales.
No hay limitación teórica de un número (N o N') de puentes convertidores en paralelo, es decir, interruptores de semiconductores de potencia.
Permite la realización de bajo coste de celdas convertidoras resonantes y puentes activos duales utilizando interruptores de semiconductores de banda ancha para aplicaciones de alta corriente, que de otro modo serían cada vez más difíciles debido a las velocidades de conmutación rápidas y al tamaño de chip más pequeño (en comparación con los interruptores de semiconductores de banda no ancha).
Simple, robusto, no requiere control de equilibrio de corriente activa.
Concepto muy general para convertidores de CC/CC de puente activo dual que tienen que manejan con cientos de amperios; no solo celdas en SST conectados a la red de MT, sino también para aplicaciones de alta potencia y baja tensión, como p.ej. requerido en diversas topologías de cargador rápido de vehículos eléctricos. Las realizaciones preferidas de la presente invención, en particular como se describe anteriormente, se pueden realizar como se detalla en las realizaciones de acuerdo con los elementos enumerados a continuación, ventajosamente en combinación con una o más de las características detalladas anteriormente, o de acuerdo con las reivindicaciones como se presentan más abajo.
Un convertidor de CC/CC de puente activo dual, que comprende
un primer enlace 10 de CC, que comprende preferentemente un primer condensador de enlace de CC;
un puente convertidor conectado al primer enlace de CC;
un transformador, preferiblemente un transformador de frecuencia media, que tenga un lado primario y un lado secundario;
el lado primario del transformador que comprende una pluralidad de M>1 devanados primarios, teniendo cada uno de la pluralidad de devanados primarios tiene un primer y un segundo terminal; caracterizado por
una primera pluralidad de M inductores de transferencia de energía; en donde
para cada uno de los M devanados primarios, se conecta uno diferente de la primera pluralidad de inductores de transferencia de energía entre dicho puente de devanado primario y el puente convertidor.
Un convertidor de CC/CC de puente activo dual, que comprende
un primer enlace de CC, que comprende preferentemente un primer condensador de enlace de CC;
un convertidor CC/CA conectado al primer enlace de CC y que comprende:
un puente convertidor conectado al primer enlace de CC;
un circuito intermedio de CA conectado al convertidor de CC/CA y que comprende
un transformador, preferiblemente un transformador de frecuencia media, que tenga un lado primario y un lado secundario;
el lado primario que comprende una pluralidad de M>1 devanados primarios;
una primera pluralidad de M inductores de transferencia de energía; en donde
para cada uno de los devanados primarios, se conecta uno diferente de la primera pluralidad de inductores de transferencia de energía entre dicho puente de devanado primario y el puente convertidor;
un convertidor de CA/CC conectado al lado secundario del circuito intermedio de CA,
un segundo enlace de CC, que comprende preferiblemente un segundo condensador de enlace de CC, conectado a una salida del convertidor de CA/CC.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con la realización anterior, en donde
dicho convertidor de CC/CC de doble puente activo comprende una primera pluralidad de N>1 puentes convertidores, en particular un total de N>1 puentes convertidores, conectados en paralelo al primer enlace de CC; y
el convertidor comprende además una segunda pluralidad de N inductores de transferencia de energía, en donde cada uno de la segunda pluralidad de N inductores de transferencia de energía está conectado entre uno de los puentes convertidores y un nodo (C) común;
cada uno de la primera pluralidad de M inductores de transferencia de energía está conectado entre el nodo común y el primer terminal de uno diferente de la pluralidad de devanados primarios.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, en donde cada uno de los puentes convertidores es un medio puente inversor que comprende un primer terminal de entrada y un segundo terminal de entrada, una salida de puente inversor (alternativamente conectable conductivamente al primer o segundo terminal de entrada por medio de una pluralidad de interruptores semiconductores), en donde para cada medio puente inversor, uno diferente de la primera pluralidad de inductores de transferencia de energía está conectado en serie con la salida del puente inversor.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, con una pluralidad O de nodos comunes con O < N y O < M, en particular un total de O nodos comunes; en donde cada uno de la primera pluralidad de N inductores de transferencia de energía está conectado entre uno de los puentes convertidores y uno de los nodos comunes;
cada uno de la segunda pluralidad de M inductores de transferencia de energía está conectado entre uno de los nodos comunes y el primer terminal de uno diferente de la pluralidad de devanados primarios.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, en donde M t N, preferiblemente M < N
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con la realización enumerada bajo el primer y segundo elemento, en donde el convertidor comprende una primera pluralidad de M>1 puentes convertidores, en donde los puentes convertidores y los devanados primarios están conectados en pares a través de un diferente uno de la primera pluralidad de inductores de transferencia de energía conectados entre cada par conectado que comprende uno de los puentes convertidores y uno de los devanados primarios.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, en donde cada uno de los puentes convertidores es un medio puente inversor que comprende un primer terminal de entrada y un segundo terminal de entrada, una salida de puente inversor (alternativamente conectable conductivamente al primer o segundo terminal de entrada por medio de una pluralidad de interruptores semiconductores),
cada inductor de transferencia de energía tiene un primer terminal y un segundo terminal, y en donde
para cada medio puente inversor, el primer terminal de cada uno de los respectivos de la pluralidad de inductores de transferencia de energía está conectado a la salida del puente inversor respectivo, y
el segundo terminal de cada uno de los inductores de transferencia de energía de la primera pluralidad de M inductores de transferencia de energía está conectado a un devanado primario diferente.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, en donde cada uno de los puentes convertidores es un medio puente inversor que comprende un primer terminal de entrada y un segundo terminal de entrada, una salida de puente inversor (alternativamente conectable conductivamente al primer o segundo terminal de entrada por medio de una pluralidad de interruptores semiconductores),
cada inductor de transferencia de energía tiene un primer terminal y un segundo terminal, y en donde
para cada medio puente inversor, el primer terminal de cada uno de los respectivos de la pluralidad de inductores de transferencia de energía está conectado a la salida del puente inversor respectivo, y
los segundos terminales de todos los inductores de transferencia de energía de la segunda pluralidad de N inductores de transferencia de energía están conectados entre sí en el nodo común.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, en el que los segundos terminales de toda la pluralidad de devanados primarios están conectados entre sí.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, en donde el primer enlace de CC tiene un terminal positivo y un terminal negativo,
los primeros terminales de entrada de todos los medios puentes del inversor están conectados al terminal positivo, y los segundos terminales de entrada de todos los medios puentes del inversor están conectados al terminal negativo. El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, en donde el primer enlace de CC tiene además un terminal neutro y los segundos terminales de toda la pluralidad de devanados primarios están conectados al terminal neutro.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, que comprende, además
un segundo enlace de CC, que comprende preferentemente un segundo condensador de enlace de CC.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, que comprende, además
un segundo puente convertidor conectado al segundo enlace de CC;
el lado secundario del transformador que comprende una pluralidad de M'>1 devanados secundarios, cada uno de la pluralidad de devanados secundarios tiene un primer y un segundo terminal;
una tercera pluralidad de M' inductores de transferencia de energía; y en donde
para cada uno de los M' devanados secundarios, uno diferente de la tercera pluralidad de inductores de transferencia de energía está conectado entre dicho puente de devanado secundario y el segundo puente convertidor.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, con una segunda pluralidad de N'>1 puentes convertidores, en particular un total de N'>1 puentes convertidores, conectados en paralelo al segundo enlace de CC; en donde
el convertidor comprende además una cuarta pluralidad de N' inductores de transferencia de energía, en donde para cada puente convertidor de la segunda pluralidad de N'>1 puentes convertidores, uno diferente de la cuarta pluralidad de inductores de transferencia de energía está conectado entre dicho puente convertidor y la pluralidad de devanados secundarios.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, con una segunda pluralidad de N'>1 puentes convertidores conectados en paralelo al segundo enlace de CC;
el convertidor comprende además una cuarta pluralidad de N' inductores de transferencia de energía, en donde
cada uno de la cuarta pluralidad de N' inductores de transferencia de energía está conectado entre uno de los puentes convertidores y otro nodo (C) común;
cada uno de la tercera pluralidad de M' inductores de transferencia de energía está conectado entre el nodo común adicional y el primer terminal de uno diferente de la pluralidad de devanados secundarios.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, en donde
cada uno de la primera pluralidad de N>1 puentes convertidores es un puente inversor;
el lado secundario del transformador comprende al menos un devanado secundario; comprendiendo además el convertidor:
una segunda pluralidad de N'>1 puentes rectificadores conectados en paralelo al segundo enlace de CC;
una cuarta pluralidad de N’ inductores de transferencia de energía, en donde
para cada puente rectificador, se conecta uno diferente de la cuarta pluralidad de inductores de transferencia de energía entre dicho puente rectificador y la pluralidad de devanados secundarios.
El convertidor de CC/CC de puente activo dual de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, en donde los puentes convertidores de la primera pluralidad de N>1 puentes convertidores son puentes activos, configurados preferiblemente para operar de manera al menos esencialmente sincronizada, y si están presentes , los puentes convertidores de la segunda pluralidad de puentes convertidores también son puentes activos, preferiblemente configurados para operar de manera al menos esencialmente sincronizada.
A menos que se especifique lo contrario, una conexión, en particular entre dos entidades cualesquiera, incluidos en particular nodos, puntos, terminales, elementos, dispositivos, etc. o combinaciones de estos, se refiere a una conexión conductora de electricidad, en particular establecida por un alambre, cable, barra colectora, una pista conductora, trazo o línea en, p. ej. una placa de circuito (impreso), soldadura, etc. La conexión eléctricamente conductora es preferiblemente al menos sustancialmente directa, en particular sin ningún elemento discreto, como, en particular, resistencias, condensadores, inductores u otros elementos o dispositivos pasivos o activos conectados entre las entidades conectadas. La conexión eléctricamente conductora tiene por lo tanto una resistencia, capacitancia e inductancia al menos esencialmente despreciables, preferiblemente al menos una resistencia, capacitancia e inductancia esencialmente nulas. En particular, la resistencia, capacitancia e inductancia de la conexión eléctricamente conductora son exclusivamente parásitas por naturaleza. Además, la resistencia, capacitancia e inductancia de la conexión eléctricamente conductora son significativamente menores (preferiblemente por un factor de 1/100, 1/1000 o 1/10000) que las resistencias, capacitancias e impedancias de resistencias, condensadores o inductores, respectivamente, conectados por la conexión conductora de electricidad, y/o compuesta por un circuito o red eléctrica que comprende la conexión conductora de electricidad.
A menos que se especifique lo contrario, una conexión eléctrica o conexión eléctrica es idéntica a la conexión definida anteriormente.
A menos que se especifique lo contrario, si se dice que dos entidades, incluidos en particular nodos, puntos, terminales, elementos, dispositivos, etc. o combinaciones de estos, están conectadas, conectadas eléctricamente o para estar conectadas (eléctricamente) entre sí, existe una conexión como se define anteriormente. entre las dos entidades.
A menos que se especifique lo contrario, si se dice que una primera y una segunda entidad, incluidos en particular un primer y un segundo nodo, punto, terminal, elemento, dispositivo, etc., o combinaciones de los mismos, están conectadas a través de una tercera entidad, que incluye en particular un tercer nodo, punto, terminal, elemento, dispositivo, o con tal tercera entidad (en) medio, existe una conexión como la descrita anteriormente entre la primera y la tercera entidad así como entre la tercera y la segunda entidad. Sin embargo, no existe ninguna conexión como la descrita anteriormente, en particular ninguna conexión al menos sustancialmente directa entre la primera y segundas entidades. Si se especifica explícitamente, el tercer elemento también puede ser en particular una conexión, en particular un conductor, alambre, cable, barra colectora, etc. En tal caso, se puede suponer que no existe ninguna conexión como la descrita anteriormente distinta de la especificada.
A menos que se afirme lo contrario, se asume que, a lo largo de esta solicitud de patente, una afirmación a = b implica que |a-b|/(|a|+|b|) < 10, preferiblemente |a-b|/(|a|+|b|) < 100, en donde a y b pueden representar variables arbitrarias como se describe y/o define en cualquier parte de esta solicitud de patente, o como conoce de otro modo un experto en la materia. Además, una afirmación de que a es al menos aproximadamente igual o al menos aproximadamente idéntica a b implica que a = b, preferiblemente a = b. Además, a menos que se afirme lo contrario, se supone que, a lo largo de esta solicitud de patente, una afirmación a >> b implica que a > 10b, preferiblemente a > 100b; y una afirmación a << b implica que 10a < b, preferiblemente 100a < b.
A menos que se afirme lo contrario, N, M, O, N', M', O', se utilizan a lo largo de esta solicitud de patente para representar números enteros.
Esta descripción y los dibujos adjuntos que ilustran aspectos y realizaciones de la presente invención no deben considerarse como limitantes de las reivindicaciones que definen la invención protegida. En otras palabras, aunque la invención ha sido ilustrada y descrita en detalle en los dibujos y la descripción anterior, dicha ilustración y descripción deben considerarse ilustrativas o de ejemplo y no restrictivas. Se pueden realizar diversos cambios mecánicos, de composición, estructurales, eléctricos y operativos sin apartarse del espíritu y alcance de esta descripción y las reivindicaciones. En algunos casos, los circuitos, estructuras y técnicas bien conocidos no se han mostrado en detalle para no oscurecer la invención. Por lo tanto, se entenderá que los expertos en la materia pueden realizar cambios y modificaciones dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones. En particular, la presente invención cubre realizaciones adicionales con cualquier combinación de características de realizaciones diferentes y/o individuales como se ha descrito anteriormente y a continuación. Las realizaciones de acuerdo con la invención pueden, en particular, incluir características, elementos, aspectos, etc. complementarios y/o adicionales no mostrados en los dibujos o descritos anteriormente.
La divulgación también cubre todas las características adicionales que se muestran en las figuras, individualmente, aunque es posible que no se hayan descrito en la descripción anterior o siguiente. Además, las alternativas individuales de las realizaciones descritas en la Figura y la descripción y las alternativas individuales de las características de estas pueden excluirse del objeto de la invención o del objeto divulgado. La divulgación comprende un objeto que consta de las características definidas en las reivindicaciones o las realizaciones de ejemplo, así como un objeto que comprende dichas características.
Además, en las reivindicaciones la palabra "que comprende" no excluye características complementarias o adicionales, elementos, etapas, etc., y el artículo indefinido "un" o "una" no excluye una pluralidad. Una sola unidad o etapa puede cumplir las funciones de varias características enumeradas en las reivindicaciones. El mero hecho de que determinadas medidas se mencionen en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinación de estas medidas no pueda utilizarse con ventaja. Los términos "esencialmente", "sobre", "aproximadamente" y similares en relación con un atributo, propiedad o valor en particular también comprenden exactamente el atributo, la propiedad o el valor, respectivamente, como se afirma. El término "aproximadamente" o "alrededor de" en el contexto de un valor numérico o intervalo dado se refiere a un valor o intervalo que está, p. ej., dentro del 20 %, dentro del 10 %, dentro del 5 % o dentro del 2 % del valor dado o intervalo, y, en particular, también comprende el valor o intervalo exacto como se afirma. Los componentes descritos como acoplados o conectados pueden acoplarse directamente eléctrica o mecánicamente, o pueden acoplarse indirectamente a través de uno o más componentes intermedios. Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no se interpretará como una limitación del alcance.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Un convertidor de CC/CC de puente activo dual, que comprende
a) un primer enlace (10) de CC;
b) una primera pluralidad de N puentes convertidores conectados al primer enlace (10) de CC;
c) un transformador (2141) que tiene un lado primario y un lado secundario;
d) el lado primario del transformador que comprende una segunda pluralidad de M>1 devanados primarios, cada uno de la pluralidad de devanados primarios tiene un primer y un segundo terminal; caracterizado por
e) una primera pluralidad de N inductores (LDAB1) de transferencia de energía que tiene cada uno un primer extremo y un segundo extremo, en donde los segundos extremos están conectados entre sí a través de un nodo (C) común en donde
f) cada uno de la primera pluralidad de inductores (LDAB1) de transferencia de energía está conectado entre dicho nodo (C) común y un puente convertidor diferente a través del primer tendido; y
g) cada primer terminal de los M devanados primarios está conectado al nodo (C) común a través de una segunda pluralidad de inductores (Ldab2) de transferencia de energía y en donde los segundos terminales de toda la pluralidad de devanados primarios están conectados entre sí.
2. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según la reivindicación 1, en donde la entrada de dicha pluralidad de N>1 puentes convertidores están conectados en paralelo al primer enlace (10) de CC.
3. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada uno de los puentes convertidores es un medio puente inversor que comprende un primer terminal de entrada y un segundo terminal de entrada, una salida de puente inversor, alternativamente conectable de forma conductiva al primero o al segundo terminal de entrada por medio de una pluralidad de interruptores semiconductores, en donde para cada medio puente inversor, uno diferente de la primera pluralidad de inductores (LDAB1) de transferencia de energía está conectado en serie con la salida del puente inversor.
4. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según la reivindicación 2 o 3, que comprende, además a) una pluralidad O de nodos comunes con O < N y O < M, y en donde
b) cada una de la primera pluralidad de N l inductores de transferencia de energía están conectados entre uno de los puentes convertidores y uno de los nodos comunes;
c) cada una de la segunda pluralidad de M inductores de transferencia de energía están conectados entre uno de los nodos comunes y el primer terminal de uno diferente de la pluralidad de devanados primarios.
5. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en donde M t N, preferiblemente M < N.
6. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según la reivindicación 1, en donde los puentes convertidores y los devanados primarios están conectados en pares a través de uno diferente de la primera pluralidad de inductores de transferencia de energía conectados entre cada par conectado que comprende uno de los puentes convertidores y uno de los devanados primarios.
7. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en donde a) cada uno de los puentes convertidores es un medio puente inversor que comprende un primer terminal de entrada y un segundo terminal de entrada, una salida de puente inversor (alternativamente conectable conductivamente al primer o segundo terminal de entrada por medio de una pluralidad de interruptores semiconductores);
b) cada inductor de transferencia de energía tiene un primer terminal y un segundo terminal; y en donde c) para cada medio puente inversor, el primer terminal de cada uno de los respectivos de la pluralidad de inductores de transferencia de energía está conectado a la salida del puente inversor respectivo; y
d) los segundos terminales de todos los inductores de transferencia de energía de la segunda pluralidad de N inductores de transferencia de energía están conectados entre sí en el nodo común.
8. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde a) cada uno de los puentes convertidores es un medio puente inversor que comprende un primer terminal de entrada y un segundo terminal de entrada, una salida de puente inversor (alternativamente conectable conductivamente al primer o segundo terminal de entrada por medio de una pluralidad de interruptores semiconductores); b) cada inductor de transferencia de energía tiene un primer terminal y un segundo terminal, y en donde c) para cada medio puente inversor, el primer terminal de cada uno de los respectivos de la pluralidad de inductores de transferencia de energía está conectado a la salida del puente inversor respectivo; y
d) el segundo terminal de cada uno de los inductores de transferencia de energía de la primera pluralidad de M Los inductores de transferencia de energía están conectados a un devanado primario diferente.
9. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde a) el primer enlace de CC tiene un terminal positivo y un terminal negativo;
b) los primeros terminales de entrada de todos los medio puentes inversores están conectados al terminal positivo; y c) los segundos terminales de entrada de todos los medios puentes inversores están conectados al terminal negativo.
10. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer enlace de CC tiene además un terminal neutro y los segundos terminales de toda la pluralidad de devanados primarios están conectados al terminal neutro.
11. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además
a) un segundo enlace de CC, que comprende preferentemente un segundo condensador de enlace de CC.
12. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según la reivindicación 11, que comprende, además
a) un segundo puente convertidor conectado al segundo enlace de CC;
b) el lado secundario del transformador que comprende una pluralidad de M'>1 devanados secundarios, cada uno de la pluralidad de devanados secundarios que tiene un primer y un segundo terminal;
c) una tercera pluralidad de M' inductores de transferencia de energía; y en donde
d) para cada uno de los M' devanados secundarios, uno diferente de la tercera pluralidad de inductores de transferencia de energía está conectado entre dicho puente de devanado secundario y el segundo puente convertidor.
13. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, con a) una segunda pluralidad de N'>1 puentes convertidores conectados en paralelo al segundo enlace de CC; b) el convertidor comprende además una cuarta pluralidad de N' inductores de transferencia de energía; en donde c) cada una de la cuarta pluralidad de N' inductores de transferencia de energía están conectados entre uno de los puentes convertidores y otro nodo (C') común;
d) cada una de la tercera pluralidad de M’ inductores de transferencia de energía están conectados entre el nodo común adicional y el primer terminal de uno diferente de la pluralidad de devanados primarios.
14. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5 o 7 a 13, en donde los puentes convertidores de la primera pluralidad de N>1 puentes convertidores son puentes activos, preferiblemente configurados para operar de manera al menos esencialmente sincronizada, y si están presentes, los puentes convertidores de la segunda pluralidad de puentes convertidores también son puentes activos, preferiblemente configurados para operar al menos de manera esencialmente sincronizada .
15. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer enlace (10) de CC comprende un primer condensador de enlace de CC.
16. El convertidor de CC/CC de puente activo dual según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el transformador es un transformador de frecuencia media.
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