ES2938245T3 - Convertidor de tensión de corriente continua de alta frecuencia tipo Buck cuasi resonante - Google Patents
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Abstract
Un convertidor de voltaje continuo cuasi-resonante de tipo Buck que comprende una puerta de entrada (201) que tiene un primer terminal (202) capaz de recibir un nivel de voltaje a convertir, una puerta de salida (206) que tiene un primer terminal (204) capaz de suministrar un nivel de tensión convertido, un primer interruptor (Qhs) conectado en serie a dicho primer terminal de la puerta de entrada y un circuito regulador (211) configurado para: - generar una ondulación de tensión (Ond), creciente o decreciente según un estado de cierre o apertura de dicho primer interruptor; - generar una señal de consigna (Vcons) proporcional a una diferencia entre un nivel de voltaje convertido promedio y un voltaje de referencia (Vref); - realizar una primera comparación (210) entre la señal de consigna y dicho nivel de tensión convertido (Vout) al que se ha sumado dicho rizado de tensión; (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Convertidor de tensión de corriente continua de alta frecuencia tipo Buck cuasi resonante
El campo de la presente invención es el de las fuentes de alimentación conmutadas. Más concretamente, la invención se refiere a un convertidor de tensión de corriente continua (DC/DC) de tipo Buck cuasi resonante no aislado, especialmente para aplicaciones de regulador de punto de carga. La conversión de tensión de corriente continua se utiliza en muchos ámbitos de la tecnología, desde la necesidad de convertir la tensión de alimentación de dispositivos, como la conversión de la tensión suministrada por la batería de un ordenador portátil a un procesador, hasta aplicaciones en entornos mucho más críticos, como el espacio.
Del estado de la técnica pertinente para la invención es
- US 2013/002223 A1
- KWANG-HWA LIU ET AL: "ZERO-VOLTAGE SWITCHING TECHNIQUE IN DC/DC CONVERTERS", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, EE.UU., vol. II, p. 1. 5, no. 3, 1 de julio de 1990
- US 5663635 A.
En general, la función de un convertidor de tensión DC/DC a su salida es aumentar una tensión presente en su entrada o disminuirla para alimentar el dispositivo situado aguas abajo. La figura 1 muestra un convertidor Buck según el estado de la técnica. Este convertidor comprende dos interruptores controlados en tensión Qhs y Qls del tipo MOSFET (del inglés “Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), un circuito regulador en modo de control de corriente que permite regular el nivel de tensión de salida Vout del convertidor en función de la señal de corriente Mes.I que fluye a través del primer interruptor Qhs. Este circuito regulador incluye:
- un circuito de control 107 que puede implementarse como un circuito lógico programado o cableado, como por ejemplo con conmutadores y que permite controlar la apertura o cierre de los interruptores;
- un amplificador de error MEA que genera una señal de consigna Icons proporcional a una diferencia entre el nivel de tensión de salida del convertidor y una tensión de referencia;
- un comparador Comp que permite comparar la señal de la corriente que circula por el primer interruptor y la señal de consigna.
El convertidor también incluye un filtro de paso bajo a la salida, formado por un inductor de salida Lout y un condensador de salida Cout. Un oscilador Osc conectado a la entrada del circuito de control permite controlar el primer interruptor en el flanco ascendente de sus impulsos. El convertidor Buck tiene dos regímenes distintos en su periodo de funcionamiento. Cada régimen se caracteriza por el estado del interruptor primario Qhs. Un régimen denominado "ON" se obtiene para un estado cerrado del primer interruptor Qhs, mientras que un régimen denominado "OFF" corresponde a un estado abierto del primer interruptor.
El oscilador está conectado a la entrada ON del circuito de control 107 y permite iniciar un periodo de funcionamiento, en los flancos ascendentes de sus impulsos, generando la orden de cierre del primer interruptor HS_Cmd. Este comando de cierre inicia el régimen "ON" del convertidor. El oscilador puede realizarse mediante un circuito analógico, un resonador o un cristal de cuarzo, y ajusta la frecuencia de funcionamiento del convertidor.
En una primera fase (régimen ON), el primer interruptor Qhs está cerrado. La corriente aumenta rápidamente hasta alcanzar el valor de la corriente que circula por el inductor de salida, después aumenta más lentamente hasta alcanzar su valor máximo al final de esta primera fase. La corriente en el inductor de salida aumenta y es igual a la corriente en Qhs. Durante toda esta fase, el segundo interruptor Qls está abierto (la orden de apertura tuvo lugar justo antes del cierre del interruptor Qhs). La orden de cierre de Qhs y la orden de apertura de Qls se producen con pérdidas que aumentan con la frecuencia de funcionamiento del convertidor.
En una segunda fase (régimen "OFF"), el interruptor Qhs recibe una orden de apertura y a continuación el interruptor Qls recibe una orden de cierre. La corriente en el inductor de salida es igual a la corriente en Qls y disminuye. La orden de apertura de Qhs y, en menor medida, la orden de cierre de Qls se realiza con pérdidas y aumentan con la frecuencia de funcionamiento del convertidor.
La regulación de la tensión de salida convertida es lineal y comprende dos bucles de control intercalados. El primer bucle es externo y está implementado con el amplificador de error MEA, que genera una señal de consigna Icons imagen de una corriente dependiente (por ejemplo de) de la diferencia entre una tensión de referencia Vref, conectada a su primera entrada, y el nivel de tensión convertida conectado a su segunda entrada. Este primer bucle controla el valor medio del nivel de tensión convertida. El segundo bucle es interno y se realiza con el comparador Comp cuya primera entrada se presenta a la señal de consigna Icons y cuya segunda entrada se presenta a la señal Imes imagen de la corriente que circula por el primer interruptor. Este segundo bucle permite
controlar el valor máximo de corriente. La orden de apertura de Qhs se produce cuando la señal de imagen de la corriente Mes. I alcanza el valor de la señal de imagen Iconos.
En este tipo de convertidor, los elementos reactivos son voluminosos.
Una solución conocida para reducir la huella de los elementos reactivos, y en consecuencia del convertidor, es aumentar la frecuencia de conmutación de los interruptores. Sin embargo, este aumento de la frecuencia de conmutación incrementa las pérdidas de conmutación y provoca problemas de incompatibilidad electromagnética. La velocidad de la regulación del nivel de tensión es un factor importante para este tipo de convertidores, ya que permite suministrar una tensión constante a la carga independientemente de la solicitud de corriente que ésta imponga (gran solicitud y rápida para cargas digitales de última generación). Con el principio de regulación implementado con el estado actual de la técnica, la velocidad de regulación está limitada por la velocidad del amplificador de error y por el respeto de los márgenes de estabilidad para tener un control estable de la tensión de salida. Esta estabilidad también puede verse afectada por la naturaleza de la carga de salida (elección del usuario). Para que el sistema sea estable, la velocidad máxima de regulación se fija en el momento del diseño y no puede mejorarse con decisiones tomadas por el usuario (por ejemplo, añadiendo capacidad de salida). Este tipo de control conlleva compromisos que deben compensarse aumentando la capacidad de salida y no permite minimizar el tamaño del convertidor.
La invención pretende conseguir una regulación rápida del nivel de tensión de salida del convertidor, que permita trabajar a alta frecuencia para miniaturizar los componentes reactivos sin necesidad de sobredimensionarlos y dejar al usuario la posibilidad de mejorar aún más el rendimiento dinámico añadiendo soluciones de filtrado a la salida.
De acuerdo con la invención, la regulación del nivel de tensión de salida se realiza mediante un circuito no lineal disponiendo así de un comportamiento dinámico rápido. Este tipo de regulación se adapta especialmente bien a un convertidor con transistores que tienen fases de conmutación cerradas de tiempo de conexión constante COT (del inglés, “Constant On Time”). Un elemento de esta regulación es la adición de una ondulación de tensión en la tensión de salida del convertidor. Esta ondulación de tensión adicional, que aumenta o disminuye en función del estado de cierre o de apertura del primer interruptor, garantiza un funcionamiento estable de la regulación frente a las perturbaciones de tensión o la naturaleza de la carga. Los transistores que permiten una alta frecuencia de funcionamiento pueden ser los HEMT (del inglés, «High Electron Mobility Transistors”, transistores de alta movilidad de electrones) sobre un sustrato de GaN (nitruro de galio). Por último, el convertidor dispone de un circuito de protección contra sobrecargas que detiene la siguiente iteración de transferencia de carga cuando la corriente que circula por el transistor alcanza un valor crítico predeterminado.
Un objeto de la invención es un convertidor de tensión de corriente continua cuasi-resonante de tipo Buck según la reivindicación 1.
Según realizaciones particulares de dicho convertidor de tensión
- Dicho circuito regulador puede comprender además: un circuito de control que tiene una salida capaz de suministrar dicha señal de activación; y un circuito comparador que tiene una salida capaz de suministrar dicho resultado de dicha comparación, estando dicha salida conectada a una primera entrada de dicho circuito de control.
- Dicho circuito regulador puede comprender además : un circuito de adición de ondulación configurado para dar salida a dicho nivel de tensión convertida al que se ha añadido dicha ondulación de tensión, teniendo el circuito de adición de ondulación una primera entrada conectada a dicho primer terminal de la puerta de salida de dicho convertidor, una segunda entrada conectada a una salida de dicho circuito de control, y una salida conectada a una primera entrada de dicho circuito comparador; y un amplificador de error adecuado para proporcionar dicha señal de consigna, teniendo dicho amplificador una primera entrada conectada a dicho primer terminal de la puerta de salida de dicho convertidor, una segunda entrada configurada para recibir dicha tensión de referencia, y una salida conectada a una segunda entrada de dicho circuito comparador.
- Dicho circuito de control puede configurarse además para controlar: el cierre o la apertura de dicho primer interruptor; la generación, en dicha segunda entrada de dicho circuito de adición de ondulación, de dicha tensión creciente o decreciente.
- Dicho convertidor puede comprender además: un inductor de resonancia conectado en serie con dicho primer interruptor, que tiene un primer y un segundo terminal, estando dicho primer terminal conectado a dicho primer interruptor; un condensador resonante, que tiene un primer y un segundo terminal, estando dicho primer terminal conectado al segundo terminal del inductor de resonancia; un segundo interruptor conectado por una parte a dicho primer terminal del condensador resonante y por otra parte a dicho segundo terminal del condensador resonante.
- Dicho convertidor también puede incluir un filtro de paso bajo de salida.
- Dicho circuito regulador puede incluir un circuito de protección contra sobrecargas que comprende un circuito de medición de una corriente que fluye a través de dicho segundo interruptor; y un circuito comparador que tiene: una primera entrada para una señal de una corriente límite predeterminada; una segunda entrada conectada a
dicho circuito de medición de la corriente que fluye a través de dicho segundo interruptor; teniendo además dicho circuito de protección contra sobrecargas una salida conectada a una segunda entrada de dicho circuito de control; estando dicho circuito de control configurado para proporcionar, a su salida, una señal dependiente de una comparación entre dicha primera entrada y dicha segunda entrada y controlar la apertura de dicho primer interruptor mientras dicha señal representativa de la corriente que fluye a través de dicho segundo interruptor sea al menos igual a dicha señal de la corriente límite predeterminada. Más particularmente, dicho circuito de medición de corriente puede comprender una resistencia conectada entre el segundo terminal del condensador resonante y dicha línea de masa.
- Dicho convertidor también puede comprender un diodo de rueda libre conectado en paralelo a dicho primer interruptor, que tiene un cátodo conectado al primer terminal de la primera puerta, eligiéndose dicho tiempo predefinido para abrir dicho primer interruptor cuando la corriente que fluye a través de dicho primer interruptor fluye a través de dicho diodo de rueda libre.
- Dicho circuito de control puede estar configurado para abrir dicho primer interruptor durante un tiempo mínimo predeterminado.
- Dicho primer interruptor y dicho segundo interruptor pueden tener un tiempo de conmutación inferior o igual a 100 ns y preferiblemente inferior o igual a 10 ns. Más concretamente, dicho primer interruptor y dicho segundo interruptor pueden estar fabricados con tecnología GaN.
Otro objeto de la invención es un procedimiento de conversión de una tensión mediante un convertidor de tensión de corriente continua cuasi-resonante tipo Buck según la reivindicación 11.
Según una realización de dicho procedimiento, dicho convertidor de tensión de corriente continua cuasi-resonante de tipo Buck también comprende un inductor de resonancia conectado en serie con dicho primer interruptor, que tiene un primer y un segundo terminal, estando dicho primer terminal conectado a dicho primer interruptor; un condensador resonante, que tiene un primer y un segundo terminal, estando dicho primer terminal conectado al segundo terminal del inductor de resonancia; un segundo interruptor conectado por una parte a dicho primer terminal del condensador resonante y por otra parte a dicho segundo terminal del condensador resonante; comprendiendo además el procedimiento las etapas de: generar una señal de cierre del segundo interruptor cuando la tensión entre el segundo terminal (MP) del inductor de resonancia y la línea de masa se vuelve negativa; y generar una señal de apertura del segundo interruptor en correspondencia con la generación de la señal de activación que controla el cierre de dicho primer interruptor.
La invención se define mediante las reivindicaciones independientes. Las realizaciones preferentes se describen en las reivindicaciones dependientes.
La invención se comprenderá mejor y otras características y ventajas se pondrán de manifiesto a partir de la siguiente descripción, que se da a título no limitativo, y de las figuras adjuntas, entre las cuales:
- la figura 1, ya descrita, muestra el esquema eléctrico de un convertidor de tensión Buck según el estado de la técnica;
- la figura 2 ilustra el diagrama de circuito de un convertidor Buck cuasi resonante según una realización de la invención;
- la figura 3 ilustra una realización del circuito de adición de ondulación del convertidor de la figura 2;
- la figura 4 muestra los cronogramas del principio de regulación de la tensión de salida convertida del convertidor de la figura 2;
- la Figura 5 muestra los cronogramas del principio de protección contra sobrecargas del convertidor de la figura 2.
- la figura 6 muestra un esquema eléctrico de un convertidor Buck cuasi resonante según una segunda realización de la invención
En la siguiente descripción, los términos interruptor y transistor se utilizan indistintamente. Del mismo modo, la tensión de salida del convertidor se identificará unas veces como Vout y otras como el nivel de tensión convertida.
La figura 2 ilustra un convertidor de tensión Buck según una realización de la invención. En esta realización, sólo la fase "ON" del convertidor tiene una duración constante definida de antemano. Esta última, que corresponde al tiempo de cierre del primer interruptor Qhs, se calcula para obtener una conmutación suave, es decir, al cerrarse, una conmutación que se produce a corriente cero debido a la presencia de la reactancia de resonancia Lr en serie, al abrirse, una conmutación que se produce cuando la corriente en el interruptor es negativa y, por lo tanto, fluye en el diodo situado en paralelo. El convertidor tiene una puerta de entrada 201 adecuada para recibir un nivel de tensión a convertir y una puerta de salida 206 para proporcionar un nivel de tensión convertida. La puerta de entrada 201 comprende un primer y un segundo terminal, 202 y 203 respectivamente. La puerta de salida 206 también incluye un primer y un segundo terminal, 204 y 205 respectivamente. Una línea de masa está conectada entre el
segundo terminal 203 y el segundo terminal 205. Conectado en paralelo con la puerta de entrada 201 del convertidor, entre el primer terminal 202 y el segundo terminal 203, un condensador Cin filtra el nivel de tensión a convertir. Un primer interruptor Qhs constituido por un HEMT está conectado en serie, por una parte, al primer terminal 202 de la puerta de entrada y, por otra, al primer terminal 214 de un inductor de resonancia Lr. Según una realización, el interruptor Qhs está conectado en paralelo con un diodo de rueda libre cuyo cátodo está conectado al terminal 202. El HEMT es, según una realización preferente, de tecnología GaN. La elección de GaN se justifica por su resistencia a las radiaciones, su baja resistencia de contacto y su rápida velocidad de conmutación, que en un sistema de conmutación suave no crea ninguna desventaja. Ventajosamente, el transistor permite un tiempo de conmutación de algunos ns a algunas decenas de ns, preferentemente inferior o igual a 100 ns o incluso 10 ns. El segundo terminal del inductor de resonancia Lr está conectado al primer terminal de un condensador resonante Cr y al punto de medición MP. Un segundo interruptor Qls está conectado entre el primer y el segundo terminal del condensador resonante Cr (una solución alternativa consiste en conectar el segundo terminal del condensador Cr a tierra). Según una realización preferente, un diodo de rueda libre cuyo cátodo está conectado al punto de medición MP está conectado en paralelo con el interruptor Qls. Sin embargo, la presencia de este diodo no es siempre indispensable. Según una realización, una resistencia Rsh permite medir la corriente que fluye a través del segundo interruptor Qls. La resistencia se conecta entre el segundo terminal del condensador resonante Cr y la línea de masa. El filtro pasa bajo de salida comprende una inductancia Lout conectada entre el punto de medida MP y el primer terminal 204 y un condensador Cout conectado entre el primer terminal 204 y el segundo terminal 205. Conectado a la puerta de salida del convertidor hay un circuito de regulación 211 que comprende un circuito de adición de ondulación Ond. Add., un amplificador de error MEA, un comparador 210 y un circuito de control 207 permiten:
- generar una ondulación de tensión, creciente para un estado cerrado del primer interruptor Qhs y decreciente para un estado abierto del primer interruptor Qhs;
- generar una señal de consigna proporcional a una diferencia entre el nivel de tensión media convertida y una tensión de referencia Vref;
- realizar una primera comparación entre la señal de consigna Vcons y el nivel de tensión convertida al que se ha añadido la ondulación de tensión; y
- en función del resultado de la primera comparación, generar o no a su salida una señal de activación que controla el cierre de dicho primer interruptor durante un tiempo predefinido TON representado en la figura 4. Más concretamente, en la realización mostrada en la Figura 2, la señal de activación controla el cierre del primer interruptor a un nivel de tensión convertida al que se ha añadido la ondulación de tensión inferior o igual que la tensión de consigna.
Una primera entrada del circuito de adición de ondulación Ond.Add. está conectada al primer terminal 204 de la puerta de salida 206 del convertidor, mientras que la segunda entrada está conectada a la salida del circuito de control 207 que también es capaz de suministrar la señal de activación del primer interruptor Qhs. El esquema eléctrico del circuito de adición de ondulación se muestra en la Figura 3. El amplificador de error MEA permite generar la señal de consigna Vcons que tiene una primera entrada conectada a la tensión de referencia Vref y una segunda entrada conectada al primer terminal 204 de la puerta de salida 206 del convertidor. El comparador 210 permite realizar la primera comparación que tiene una primera entrada conectada a la salida del amplificador de error MEA y una segunda entrada conectada a la salida del circuito de adición de ondulación Ond. Add.. La salida del comparador 210, conectada a la primera entrada del circuito de control 207, proporciona una señal binaria representativa del resultado de la primera comparación que permite generar la señal de activación que controla el cierre del primer interruptor cuando la señal decreciente que representa la adición del nivel de tensión convertida y la ondulación se hace igual a la señal de consigna Vcons. En una realización, el circuito de control 207 es un circuito programable como un FPGA (del inglés, “Field Programmable Gate Array”). Esta regulación permite controlar la tensión de salida muy rápidamente porque se basa en un comparador utilizado en un modo de control incondicionalmente estable. Esta velocidad máxima de regulación permite obtener un convertidor con muy buen rendimiento dinámico. El rendimiento de regulación estática se garantiza por el MEA, que modifica la consigna aplicada al comparador para tener una tensión media de salida perfectamente regulada. La protección contra sobrecargas del circuito de regulación 211 comprende un comparador 212 que tiene una primera entrada para una señal de una corriente límite predeterminada llim y una segunda entrada conectada al circuito de medición de la corriente que fluye en el segundo interruptor Qls. El primer interruptor Qhs no puede ser controlado mientras la corriente I Qls sea superior a llim, limitando así la corriente de salida máxima del convertidor. La corriente de salida máxima del convertidor se sitúa en la práctica en un valor Ipic (mayor que superior a llim) que depende del Ton constante . La figura 5 muestra los cronogramas de funcionamiento de la protección contra sobrecargas. Además, el circuito de control 207 está configurado para abrir el primer interruptor Qhs durante un tiempo mínimo predeterminado, limitando así la frecuencia máxima de funcionamiento del inversor durante las fases transitorias.
La figura 6 ilustra el esquema eléctrico de un convertidor Buck cuasi resonante según una segunda realización de la invención. El circuito de regulación 211 comprende un circuito comparador de tensión 213 configurado para generar una señal de activación LS_cmd del segundo interruptor Qls cuando la tensión entre el segundo terminal MP del inductor de resonancia y la línea de masa se vuelve negativa, y para generar una señal de apertura del segundo interruptor Qls en correspondencia con la generación de la señal de activación HS_cmd que controla el cierre del
primer interruptor Qhs. El circuito de control 207 incluye así una entrada adicional MP_low en comparación con la realización mostrada en la figura 2.
La Figura 3 muestra el esquema eléctrico de una realización particular del circuito de adición de ondulación representado por Ond.Add. en la Figura 2. El circuito de adición de ondulación permite generar, por una parte, una ondulación de tensión, creciente o decreciente según el estado de cierre o de apertura del primer interruptor Qhs, y por otra parte, adicionar la ondulación así generada al nivel de tensión convertida. Entre la tensión de salida convertida Vout y tierra está conectado un puente divisor de tensión que comprende las resistencias Rs1 y Rs2.
Rs2 tiene un primer terminal que representa su primera entrada que está conectada a la tensión de salida Vout y un segundo terminal conectado al primer terminal de Rs1. El segundo terminal de Rs1 está conectado a tierra. El punto medio del puente divisor de tensión representa la salida del circuito de adición de ondulación que está conectado a la primera entrada del circuito comparador. Dos condensadores Ci1 y C2 están conectados en serie. El primer terminal del condensador Ci1 también está conectado a la tensión de salida convertida Vout y su segundo terminal está conectado, por una parte, al primer terminal del condensador C2 y, por otra, a un primer terminal de una resistencia Ri1. El segundo terminal de Ri1 está conectado a la salida del circuito de control, mientras que el segundo terminal de C2 también está conectado al punto medio del puente divisor de tensión.
En otra realización, el circuito de adición de ondulación puede estar integrado en un circuito dedicado con el circuito de control.
La figura 4 muestra cronogramas que ilustran el principio de regulación del nivel de tensión convertida Vout sustancialmente constante. Para evitar que el nivel de tensión convertida sea demasiado sensible a las perturbaciones, se requiere una diferencia mínima de variación entre los valores máximo y mínimo del nivel de tensión convertida. La señal Ond. representa la ondulación de tensión ascendente o descendente creada por el circuito de adición de ondulación, dependiendo del estado de cierre o de apertura del primer interruptor Qhs. La ondulación se genera y luego se añade al nivel de tensión convertida por el circuito de la figura 3. El resultado de la adición de la ondulación Ond . al nivel de tensión convertida se representa mediante la señal Vout Ond. Esta última representa una tensión creciente o decreciente en función del estado de cierre o de apertura del primer interruptor Qhs que incluye una componente DC igual a Vout. Antes del momento 401, la señal Vout Ond disminuye y se hace igual a la señal de consigna 404. Esta igualdad entre la señal Vout Ond y la señal de consigna 404 hace que la señal Vlow a la salida del comparador se ponga a nivel alto. La señal Vlow se transmite en la primera entrada del circuito de control a su lógica de control interna generando la señal de activación HS_Cmd que controla el cierre del primer interruptor. La señal de activación HS_Cmd permanece alta durante el tiempo Ton para el cual la señal Vout Ond aumenta. En el momento 402, HS_Cmd pasa al estado bajo y la señal Vout Ond que es máxima comienza a disminuir. La señal convertida Vout Ond disminuye hasta el momento 403 en que se hace igual a la señal de consigna 404 lo que provoca un nuevo ciclo de activación del primer interruptor.
La figura 5 ilustra los cronogramas que muestran el principio de la regulación de la protección contra sobrecargas según la realización preferente de la Figura 2. El cronograma de Vout representa el nivel de tensión convertida. Hasta el momento 501 la función de protección contra sobrecargas no es efectiva. De hecho, la corriente I Qls sigue siendo inferior al valor límite permitido Ilim. En el momento 501, la corriente I Qls alcanza brevemente el valor Ilim, haciendo que I_high cambie brevemente al estado alto 502. El rebasamiento de Ilim por I Qls en el momento 501 no es lo suficientemente grande en amplitud y tiempo como para prohibir la conducción de HS_Cmd en el momento 503. Por el contrario, en el momento 504, el rebasamiento de I Qls de la corriente Ilim es significativo en amplitud y tiempo. Esto hace que I high pase a estado alto en el momento 505 y evita que HS_Cmd pase a estado. En el momento 506 el nivel de tensión convertida Vout, que no ha recibido ninguna transferencia de carga debido al estado bajo de HS_Cmd, disminuye, causando que V_low pase a estado alto. En el momento 507, la corriente I Qls ha disminuido lo suficiente como para permitir que HS_Cmd pase a estado alto. Como el nivel de tensión convertida Vout es siempre demasiado bajo, V_low permanece en estado alto. En el momento 507 se permite otra orden de paso a estado alto de HS_Cmd. Cuando la sobrecarga de salida disminuye (antes del momento 509), la corriente disminuye, la señal I_high cae a cero y la tensión de salida Vout aumenta a su nivel de referencia en el momento 509, causando que Vlow pase a estado bajo, indicando el final del período de operación en sobrecarga. Además, el circuito de control 207 mostrado en la Figura 2. está configurado para:
- abrir el segundo interruptor Qls cuando la tensión entre el punto de medición MP y la línea de masa se vuelva negativa, siendo esta una indicación de la conducción inminente del diodo de rueda libre en paralelo con Qls;
- cerrar el segundo interruptor Qls cuando Vlow pasa a estado alto, siendo esto una indicación de que el primer interruptor Qhs puede pasar a estado cerrado (“ON”).
El circuito de medición de corriente según una realización comprende un sensor de efecto Hall. En otra realización, los transistores GaN se sustituyen por transistores desarrollados con materiales lll-V y preferiblemente con grandes huecos. Todas las funciones del circuito de regulación pueden implementarse e integrarse en un circuito dedicado, como un ASIC (del inglés, “Application Specific Integrated Circuit”). Los convertidores del estado de la técnica suelen ofrecer un rendimiento en torno al 90%. A tales niveles de rendimiento, el aumento de la eficiencia exige un esfuerzo considerable. No obstante, el convertidor de la presente invención ofrece una mejora considerable del rendimiento, con una eficiencia del 95%.
Claims (11)
1. Convertidor de tensión de corriente continua cuasi-resonante de tipo Buck que comprende una puerta de entrada (201) que tiene un primer terminal (202) adecuado para recibir un nivel de tensión a convertir, una puerta de salida (206) que tiene un primer terminal (204) adecuado para proporcionar un nivel de tensión convertida, una línea de masa que conecta un segundo terminal (203) de dicha puerta de entrada a un segundo terminal (205) de dicha puerta de salida, un primer interruptor (Qhs) conectado a dicho primer terminal de la puerta de entrada y un circuito regulador (211) que tiene un terminal de entrada (208) conectado a dicho primer terminal de la puerta de salida del convertidor y un terminal de salida (209) conectado a un terminal de control de dicho primer interruptor, comprendiendo además dicho convertidor un inductor de resonancia (Lr) conectado en serie con dicho primer interruptor, que tiene un primer (214) y un segundo terminal, estando dicho primer terminal conectado a dicho primer interruptor, un condensador resonante (Cr), que tiene un primer y un segundo terminal, estando dicho primer terminal conectado al segundo terminal (MP) de la inductancia de resonancia, un segundo interruptor (Qls) conectado por una parte a dicho primer terminal del condensador resonante y por otra parte a dicho segundo terminal del condensador resonante, estando dicho circuito regulador configurado para:
- generar una ondulación de tensión (Ond.), creciente para un estado cerrado del primer interruptor (Qhs) o decreciente para un estado abierto del primer interruptor (Qhs);
- generar una señal de consigna (Vcons) proporcional a una diferencia entre un nivel medio de tensión convertida y una tensión de referencia (Vref);
- realizar una primera comparación (210) entre dicha señal de consigna y dicho nivel de tensión convertida al que se ha añadido dicha ondulación de tensión; y
- si el nivel de tensión convertida al que se ha añadido dicha ondulación de tensión es inferior o igual a la señal de consigna (Vcons), generar a su salida una señal de activación (HS_Cmd) que controla el cierre de dicho primer interruptor durante un tiempo predefinido (Ton)
caracterizado porque dicho circuito de control comprende un circuito comparador de tensión (213) configurado para generar una señal de activación (LS_cmd) del segundo interruptor (Qls) cuando la tensión entre el segundo terminal (MP) del inductor de resonancia y la línea de masa se hace negativa, y para generar una señal de apertura del segundo interruptor (Qls) en correspondencia con la generación de la señal de activación (HS_cmd) que controla el cierre de dicho primer interruptor.
2. Convertidor de tensión según la reivindicación 1, en el que:
- dicho circuito de control (211) comprende además:
- un circuito de control (207) con una salida adecuada para proporcionar dicha señal de activación; y - un circuito comparador que tiene una salida adecuada para proporcionar dicho resultado de dicha comparación, estando dicha salida conectada a una primera entrada de dicho circuito de control;
- dicho circuito de control comprende además:
- un circuito de adición de ondulación (Ond.Add.) configurado para proporcionar dicho nivel de tensión convertida al que se ha añadido dicha ondulación de tensión, teniendo el circuito de adición de ondulación una primera entrada (208) conectada a dicho primer terminal de la puerta de salida de dicho convertidor, una segunda entrada conectada a una salida de dicho circuito de control, y una salida conectada a una primera entrada de dicho circuito comparador (210)
- un amplificador de error (MEA) adecuado para proporcionar dicha señal de consigna, teniendo dicho amplificador una primera entrada conectada a dicho primer terminal de la puerta de salida de dicho convertidor, una segunda entrada configurada para recibir dicha tensión de referencia, y una salida conectada a una segunda entrada de dicho circuito comparador;
- dicho circuito de control está configurado además para controlar:
- el cierre o la apertura de dicho primer interruptor;
- la generación, en dicha segunda entrada de dicho circuito de adición de ondulación, dicha tensión creciente o decreciente (Ond.).
3. Convertidor de tensión según una de las reivindicaciones precedentes, que comprende además un filtro de paso bajo de salida.
4. Convertidor de tensión según una de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho circuito regulador comprende un circuito de protección contra sobrecargas que comprende un circuito de medición de una corriente que fluye en dicho segundo interruptor; y un circuito comparador (212) que tiene:
- una primera entrada para una señal de una corriente límite predeterminada (Ilim);
- una segunda entrada conectada a dicho circuito de medición de la corriente que fluye a través de dicho segundo interruptor;
dicho circuito de protección contra sobrecargas tiene además una salida conectada a una segunda entrada de dicho circuito de control; estando dicho circuito de control configurado para proporcionar, en su salida, una señal
(I_high) que depende de una comparación entre dicha primera entrada y dicha segunda entrada y que controla la apertura de dicho primer interruptor mientras dicha señal representativa de la corriente que fluye en dicho segundo interruptor sea al menos igual a dicha señal de corriente límite predeterminada.
5. Convertidor de tensión según la reivindicación 4, en el que dicho circuito de medición de corriente comprende una resistencia (Rsh) conectada entre el segundo terminal del condensador resonante y dicha línea de masa.
6. Convertidor de tensión según una de las reivindicaciones precedentes, que comprende un diodo de rueda libre conectado en paralelo a dicho primer interruptor, que tiene un cátodo conectado al primer terminal de la primera puerta, en el que dicho tiempo predefinido (Ton) se selecciona para abrir dicho primer interruptor cuando la corriente a través de dicho primer interruptor fluye a través de dicho diodo de rueda libre.
7. Convertidor de tensión según una de las reivindicaciones 2, 4 y 5, en el que dicho circuito de control está configurado para abrir dicho primer interruptor durante un tiempo mínimo predeterminado para limitar la frecuencia máxima de funcionamiento.
8. Convertidor de tensión según una de las reivindicaciones 1, 4 y 5, en el que dicho primer interruptor y dicho segundo interruptor tienen un tiempo de conmutación inferior o igual a 100 ns y preferentemente inferior o igual a 10 ns.
9. Convertidor de tensión de la reivindicación 8, en el que dicho primer interruptor y dicho segundo interruptor están realizados en tecnología GaN.
10. Convertidor de tensión según una de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho primer interruptor y dicho segundo interruptor comprenden un diodo de rueda libre.
11. Procedimiento de conversión de una tensión mediante un convertidor de tensión de corriente continua cuasiresonante de tipo Buck, comprendiendo el convertidor de tensión una puerta de entrada con un primer terminal adecuado para recibir un nivel de tensión a convertir, una puerta de salida con un primer terminal adecuado para proporcionar un nivel de tensión convertida, una línea de masa que conecta un segundo terminal de dicha puerta de entrada a un segundo terminal de dicha puerta de salida, un primer interruptor conectado a dicho primer terminal de la puerta de entrada y un circuito regulador que tiene un terminal de entrada conectado a dicho primer terminal de la puerta de salida del convertidor y un terminal de salida conectado a un terminal de control de dicho primer interruptor, comprendiendo además dicho convertidor un inductor de resonancia (Lr) conectado en serie con dicho primer interruptor, que tiene un primer (214) y un segundo terminal, estando dicho primer terminal conectado a dicho primer interruptor, un condensador resonante (Cr), que tiene un primer y un segundo terminal, estando dicho primer terminal conectado al segundo terminal (MP) del inductor de resonancia, un segundo interruptor (Qls) conectado por una parte a dicho primer terminal del condensador resonante y por otra parte a dicho segundo terminal del condensador resonante, comprendiendo dicho circuito regulador un circuito comparativo de tensión (213) configurado para generar una señal de activación (LS_cmd) del segundo interruptor (Qls) cuando la tensión entre el segundo terminal (MP) del inductor de resonancia y la línea de masa se hace negativa, y para generar una señal de apertura del segundo interruptor (Qls) en correspondencia con la generación de la señal de activación (HS_cmd) que controla el cierre de dicho primer interruptor, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
- generación de una ondulación de tensión, creciente para un estado cerrado del primer interruptor (Qhs) o decreciente para un estado abierto del primer interruptor (Qhs);
- generación de una señal de consigna proporcional a una diferencia entre un nivel medio de tensión convertida y una tensión de referencia;
- comparación entre dicha señal de consigna y dicho nivel de tensión convertida al que se ha añadido dicha ondulación de tensión; y según el resultado de dicha primera comparación;
- si el nivel de tensión convertida al que se ha añadido dicha ondulación de tensión es inferior o igual a la señal de consigna (Vcons), generación de una señal de activación que controla el cierre de dicho primer interruptor durante un tiempo predefinido;
- generación de una señal de cierre del segundo interruptor cuando la tensión entre el segundo terminal (MP) del inductor de resonancia y la línea de masa se vuelve negativa; y
- generación de una señal de apertura del segundo interruptor en correspondencia con la generación de la señal de activación que controla el cierre de dicho primer interruptor.
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