ES2938745T3 - Etapa de conversión, convertidor eléctrico que comprende dicha etapa de conversión, dispositivo de conversión de una corriente alterna en una corriente continua que comprende dicho convertidor, y terminal de carga de una batería eléctrica que comprende dicho convertidor o dispositivo de conversión - Google Patents

Etapa de conversión, convertidor eléctrico que comprende dicha etapa de conversión, dispositivo de conversión de una corriente alterna en una corriente continua que comprende dicho convertidor, y terminal de carga de una batería eléctrica que comprende dicho convertidor o dispositivo de conversión Download PDF

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Abstract

La etapa (44) tiene ramas de conmutación (52A, 52B) que incluyen interruptores electrónicos controlables (54A, 56A) conectados en serie entre sí por un punto medio (58A). Un condensador (60) está conectado entre los terminales de salida positivo y negativo (38, 40). Una bobina electromagnética (62A) está conectada entre uno de los terminales del condensador y el punto medio de la rama. Se selecciona una ley de control entre dos leyes de control de modo que un elemento semiconductor (84), es decir, un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), de los interruptores esté siempre en un estado bloqueado. También se incluyen reivindicaciones independientes para lo siguiente: (1) un convertidor eléctrico (2) un dispositivo para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC) (3) un terminal para recargar una batería eléctrica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Etapa de conversión, convertidor eléctrico que comprende dicha etapa de conversión, dispositivo de conversión de una corriente alterna en una corriente continua que comprende dicho convertidor, y terminal de carga de una batería eléctrica que comprende dicho convertidor o dispositivo de conversión
La presente invención se refiere a una etapa de conversión eléctrica, adecuada para ser conectada, por una parte, a terminales intermedios de un bus eléctrico de tensión de corriente continua, y por otra parte, a terminales de salida, comprendiendo la etapa de conversión P ramas de conmutación, siendo P mayor o igual a 2, preferentemente igual a 3, estando las ramas de conmutación conectadas en paralelo entre los terminales intermedios, comprendiendo cada rama de conmutación un primer y un segundo interruptores electrónicos controlables conectados en serie y conectados entre sí por un punto medio, estando el primer interruptor conectado entre el primer terminal intermedio y el punto medio correspondiente, y estando el segundo interruptor conectado entre el segundo terminal intermedio y el punto medio correspondiente, comprendiendo cada interruptor un elemento semiconductor y un diodo conectado en antiparalelo al elemento semiconductor, siendo cada elemento semiconductor conmutable entre un estado activado y un estado desactivado, y medios para controlar los interruptores electrónicos de acuerdo con una ley de control.
La presente invención también se refiere a un convertidor eléctrico, adecuado para ser conectado a una red eléctrica de corriente alterna que comprende M fase(s), siendo M mayor o igual a 1, comprendiendo el convertidor una primera etapa de conversión que forma un rectificador de tensión y una segunda etapa de conversión conectada a la salida de la primera etapa de conversión, siendo la segunda etapa de conversión como se ha definido anteriormente. La invención también se refiere a un dispositivo de conversión de una corriente alterna en una corriente continua que comprende tal convertidor eléctrico.
La invención también se refiere a un terminal de carga de una batería eléctrica, en particular una batería eléctrica de un vehículo automóvil, que comprende dicho convertidor eléctrico o dispositivo de conversión.
La invención se aplica en particular a un terminal de carga capaz de suministrar una tensión de corriente continua comprendida entre 5 V y 1 kV, preferentemente entre 10 V y 500 V, y una corriente continua comprendida entre 0 y 250 A, preferentemente entre 0 y 125 A.
El documento DE 41 07 391 A1 describe un vehículo eléctrico con un inversor alimentado por una batería. El documento DE 102010 039886 A1 describe un sistema de propulsión para un vehículo alimentado por batería. El documento US 4.920.475 A describe un convertidor de tracción y un aparato para cargar eléctricamente una batería. El documento FR 2 934 217 A1 describe una cadena de tracción eléctrica para un vehículo automóvil. El documento DE 102009028959 A1 describe un sistema de baterías.
Para recargar una batería eléctrica, se conoce un dispositivo de conversión de corriente alterna en corriente continua, adecuado para ser conectado a una red eléctrica de corriente alterna, como una red trifásica. Este dispositivo de conversión comprende un rectificador de tensión conectado a la red trifásica, estando el rectificador de tensión formado por un puente de diodos. Este dispositivo de conversión también incluye un convertidor Buck conectado a la salida del rectificador de tensión y adecuado para convertir la tensión de corriente continua del rectificador en otra tensión de corriente continua de menor valor.
El convertidor Buck comprende dos terminales de entrada, dos terminales de salida, y un interruptor y un diodo conectados entre los terminales de entrada y conectados entre sí por un punto intermedio. El convertidor Buck también incluye un condensador conectado entre los dos terminales de salida y una bobina electromagnética conectada entre un terminal del condensador y dicho punto intermedio. El interruptor es un elemento semiconductor, como un transistor.
Sin embargo, el transistor y la bobina electromagnética son relativamente caros y también tienen un gran volumen, estando el transistor y la bobina electromagnética dimensionados para permitir el flujo de altas corrientes, tales como corrientes del orden de 100 A.
El objetivo de la invención es, por tanto, proporcionar una etapa de conversión con un coste menor, permitiendo al mismo tiempo el paso de corrientes elevadas, tales como corrientes del orden de 100 A.
A tal fin, la invención tiene por objeto a una etapa de conversión según la reivindicación 1.
Según otros aspectos ventajosos de la invención, la etapa de conversión es según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7.
La presente invención también tiene por objeto un convertidor eléctrico según la reivindicación 8.
Según otro aspecto ventajoso de la invención, el convertidor eléctrico es según la reivindicación 9.
La presente invención también tiene por objeto un dispositivo de conversión según la reivindicación 10.
Según otro aspecto ventajoso de la invención, el dispositivo de conversión es según la reivindicación 11.
La presente invención también tiene por objeto un terminal de carga según la reivindicación 12.
Según otro aspecto ventajoso de la invención, el terminal de carga es según la reivindicación 13.
Estas características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto a partir de la siguiente descripción, que se da únicamente a modo de ejemplo no limitativo, y se hace con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una representación esquemática de un terminal de carga que comprende un cable de conexión eléctrica con un conector eléctrico enchufado a un conector complementario de un vehículo automóvil,
- la figura 2 es un diagrama eléctrico de un elemento de conversión según una primera realización de la invención, que comprende una primera etapa de conversión y una segunda etapa de conversión conectada a la salida de la primera etapa, teniendo la segunda etapa tres ramas de conmutación, teniendo cada rama de conmutación un primer y un segundo interruptor formados cada uno por un elemento semiconductor y un diodo conectado en antiparalelo al elemento semiconductor,
- la figura 3 es un conjunto de tres curvas, cada una de las cuales representa la tensión en los terminales de un primer interruptor correspondiente cuando la segunda etapa de conversión funciona como un convertidor Buck,
- la figura 4 es un conjunto de tres curvas, cada una de las cuales representa la corriente que fluye a través del elemento semiconductor de un primer interruptor correspondiente, en el modo de funcionamiento Buck de la segunda etapa de conversión,
- la figura 5 es un conjunto de tres curvas, cada una de las cuales representa la corriente que fluye a través del diodo de un segundo interruptor correspondiente en el modo de funcionamiento Buck de la segunda etapa de conversión,
- la figura 6 es un conjunto de dos curvas que representan respectivamente la corriente y la tensión suministradas a la salida del elemento de conversión de la figura 2, en el modo de funcionamiento Buck de la segunda etapa de conversión,
- la figura 7 es una vista similar a la figura 2 según una variante de la primera realización,
- la figura 8 es un conjunto de curvas, tres curvas cada una de las cuales representa la corriente que fluye en el diodo de un primer interruptor correspondiente, tres curvas cada una de las cuales representa la corriente que fluye en el elemento semiconductor de un segundo interruptor correspondiente, y dos curvas que representan la corriente a la salida del elemento de conversión de la figura 2, y respectivamente a la entrada de la segunda etapa de conversión, en el modo de funcionamiento Boost de la segunda etapa de conversión
- la figura 9 es un diagrama eléctrico del elemento de conversión según una segunda realización de la invención, y
- la figura 10 es un diagrama eléctrico de otro elemento de conversión adecuado para cambiar de funcionamiento Boost a un modo de funcionamiento Buck y viceversa mediante la conmutación de dos contactores.
En la figura 1, un terminal 10 para recargar una batería eléctrica 12 de un vehículo automóvil 14 comprende una carcasa 16 y un elemento de conversión eléctrica 18 dispuesto en la carcasa 16.
El terminal de carga 10 también incluye un conector eléctrico 20 para la conexión eléctrica a la batería 12. Además, el terminal 10 comprende un cable de conexión eléctrica 22, dispuesto al menos parcialmente fuera de la carcasa 16 y que conecta el conector eléctrico 20 al elemento de conversión 18.
En una variante no mostrada, el terminal de carga 10 no tiene un cable de conexión eléctrica dispuesto fuera de la carcasa, estando el conector eléctrico 20 directamente unido a la carcasa 16. Según esta variante, el vehículo automóvil 14 está equipado con un cable de conexión eléctrica, para poder conectar la batería eléctrica 12 al conector 20 del terminal de carga.
La carcasa 16 está prevista para proteger el elemento de conversión 18 de diferentes condiciones climáticas, en particular de la lluvia, ya que el terminal de carga 10 está dispuesto en la calle.
El elemento de conversión 18 está conectado a una red eléctrica de corriente alterna 24 que tiene M fases, siendo M mayor o igual a 1. En la realización mostrada en la figura 1, la red de corriente alterna 24 es una red trifásica, y M es igual a 3. La red trifásica 24 tiene, por ejemplo, una tensión del orden de 400 V en trifásico y una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz.
El elemento de conversión 18 está adaptado para convertir la corriente alterna de la red 24 en corriente continua. El elemento de conversión 18 está adaptado para suministrar una tensión de salida de corriente continua Vs comprendida entre 5 V y 1 kV, preferentemente entre 10 V y 500 V, y una corriente de salida de corriente continua Is comprendida entre 0 A y 250 A, preferentemente entre 0 A y 125 A, como se muestra en la figura 6. El elemento de conversión 18 tiene una potencia de salida del orden de 50 kW. La ondulación de la corriente de salida Is es inferior a 6 A de pico a pico.
Según una primera realización, el elemento de conversión 18 es un convertidor eléctrico 30, visible en la figura 2. El convertidor eléctrico 30 comprende M terminales de entrada 32, correspondiendo el o cada terminal de entrada 32 a una fase de la red de corriente alterna 24, terminales intermedios primero 34 y segundo 36, un terminal de salida positivo 38 y un terminal de salida negativo 40. En la realización de ejemplo de la figura 2, el convertidor 30 comprende tres terminales de entrada 32, estando el convertidor 30 destinado a ser conectado a la red trifásica 24. El convertidor eléctrico 30 comprende una primera etapa de conversión 42 conectada entre los terminales de entrada 32 y los terminales intermedios 34, 36, una segunda etapa de conversión 44 conectada a la salida de la primera etapa 42, entre los terminales intermedios 34, 36 y los terminales de salida 38, 40. El convertidor eléctrico 30 también incluye una unidad de control 46 de la segunda etapa de conversión 44.
La primera etapa de conversión 42 comprende un rectificador de tensión 48, adaptado para convertir la tensión alterna de entrada en una tensión de corriente continua intermedia y para suministrar la tensión de corriente continua intermedia a los terminales intermedios primero y segundo 34, 36.
Además, la primera etapa de conversión 42 incluye un filtro 50 conectado a la salida del rectificador de tensión 48. La segunda etapa de conversión 44 comprende P ramas de conmutación 52A, 52B, 52C conectadas entre los terminales intermedios 34, 36, siendo P un número entero mayor o igual a 2, comprendiendo cada rama de conmutación 52A, 52B, 52C un primer interruptor electrónico controlable 54A, 54B, 54C y un segundo interruptor electrónico controlable 56A, 56B, 56C conectados en serie y conectados entre sí por un punto medio 58A, 58B, 58C. Las ramas de conmutación 52A, 52B, 52C están conectadas en paralelo entre los terminales intermedios 34, 36. En la realización de ejemplo mostrada en la Figura 2, P es igual a 3 y la segunda etapa de conversión 44 comprende una primera rama de conmutación 52A, una segunda rama de conmutación 52B y una tercera rama de conmutación 52C. En lo sucesivo, cada referencia que comprende la letra "A" se refiere a un elemento relativo a la primera rama de conmutación 52A, cada referencia que comprende la letra "B" se refiere a un elemento relativo a la segunda rama de conmutación 52B y cada referencia que comprende la letra "C" se refiere a un elemento relativo a la tercera rama de conmutación 52C.
La segunda etapa de conversión 44 comprende además un condensador 60 conectado entre los dos terminales de salida 38, 40 y, para cada rama de conmutación 52A, 52B, 52C, una bobina electromagnética 62A, 62B, 62C conectada entre el punto medio 58A, 58B, 58C de la rama de conmutación 52A, 52B, 52C correspondiente y el terminal del condensador 60 conectado al terminal de salida 38 positivo.
Además, la segunda etapa de conversión 44 incluye una resistencia de realimentación 63 conectada entre el terminal de salida positivo 38 y el filtro 50, para controlar la descarga del condensador 60 conectado entre los dos terminales de salida 38, 40.
La segunda etapa de conversión 44 es reversible y es entonces adecuada para hacer fluir corriente desde los terminales intermedios 34, 36 a los terminales de salida 38, 40, y reversiblemente desde los terminales de salida 38, 40 a los terminales intermedios 34, 36.
La unidad de control 46 comprende medios 64 para controlar los interruptores electrónicos 54A, 54B, 54C, 56A, 56B, 56C según una ley de control.
El rectificador de tensión 48 tiene, por ejemplo, la forma de un puente mixto de tiristores 66 y diodos 68, estando dispuesto cada tiristor 66 entre un terminal de entrada correspondiente 32 y el primer terminal intermedio 34 y estando dispuesto cada diodo 68 entre un terminal de entrada correspondiente 32 y el segundo terminal intermedio 36.
El filtro 50 comprende dos bobinas de filtrado 70 conectadas cada una entre el rectificador de tensión 48 y un terminal intermedio 34, 36 correspondiente. El filtro 50 también incluye dos condensadores de filtrado 72 conectados en serie entre los terminales intermedios 34, 36 y dos resistencias de filtrado 74, cada una conectada en paralelo a un condensador de filtrado 72 correspondiente.
El filtro 50 comprende un interruptor electrónico 76 y un diodo 78 conectados en serie entre los terminales intermedios 34, 36, estando el interruptor electrónico 76 formado por un transistor 80 y un diodo 82 conectado en antiparalelo al transistor 80. El diodo 78 está conectado en la dirección de activación desde el segundo terminal intermedio 36 al primer terminal intermedio 34.
Cada primer interruptor 54A, 54B, 54C está conectado entre el primer terminal intermedio 34 y el correspondiente punto medio 58A, 58B, 58C, y cada segundo interruptor 56A, 56b , 56C está conectado entre el segundo terminal intermedio 36 y el correspondiente punto medio 58A, 58B, 58C.
Cada interruptor 54A, 54B, 54C, 56A, 56B, 56C comprende un elemento semiconductor 84 y un diodo 86 conectado en antiparalelo al elemento semiconductor 84, siendo conmutable cada elemento semiconductor 84 entre un estado de activación y un estado de desactivación.
La resistencia de realimentación 63 se conecta entre el terminal de salida positivo 38, por una parte y el punto de conexión entre el interruptor electrónico 76 y el diodo de filtro 78, por otra parte. La resistencia de realimentación permite controlar la descarga del condensador 60 conmutando el interruptor electrónico 76 para mantener una tensión constante en el terminal de salida positivo 38.
Los medios de control 64 están adaptados para controlar los elementos semiconductores 84 de cada interruptor según una ley de control seleccionada entre una primera ley de control y una segunda ley de control.
La primera ley de control es tal que el elemento semiconductor 84 de cada primer interruptor 54A, 54B, 54C está siempre en estado desactivado. La primera ley de control corresponde a un primer modo de funcionamiento de la segunda etapa de conversión 44. En otras palabras, de acuerdo con la primera ley de control, para cada primer interruptor 54A, 54B, 54C, la corriente es adecuada para fluir sólo a través del diodo 86 correspondiente, funcionando este último como un diodo de rueda libre.
La segunda ley de control es tal que el elemento semiconductor 84 de cada segundo interruptor 56A, 56B, 56C está siempre en estado desactivado. La segunda ley de control corresponde a un segundo modo de funcionamiento de la segunda etapa de conversión 44. En otras palabras, de acuerdo con la segunda ley de control, para cada segundo interruptor 56A, 56B, 56C, la corriente es adecuada para fluir sólo a través del diodo 86, funcionando este último como un diodo de rueda libre.
La primera ley de control corresponde al funcionamiento Boost, y la segunda etapa de conversión 44 forma, en su primer modo de funcionamiento, un convertidor Boost adecuado para convertir la tensión de corriente continua entre los terminales intermedios 34, 36 en otra tensión de corriente continua de valor superior entre los terminales de salida 38, 40.
La segunda ley de control corresponde al funcionamiento Buck, y la segunda etapa de conversión 44 forma, en su segundo modo de funcionamiento, un convertidor Buck apto para convertir la tensión de corriente continua entre los terminales intermedios 34, 36 en otra tensión de corriente continua de menor valor entre los terminales de salida 38, 40. El segundo modo de funcionamiento es distinto del primer modo de funcionamiento.
Los medios de control 64 están adaptados para controlar los elementos semiconductores 84 alternativamente según la primera ley de control y según la segunda ley de control, al tiempo que están adaptados para pasar de la primera ley de control a la segunda ley de control y, a la inversa, de la segunda ley de control a la primera ley de control, por ejemplo en función de la batería eléctrica que debe cargarse, o de la dirección del flujo de corriente a través de la segunda etapa de conversión 44, siendo reversible la segunda etapa de conversión 44. La segunda etapa de conversión 44 forma entonces alternativamente un convertidor Boost y un convertidor Buck.
En otras palabras, la etapa de conversión 44 está adaptada para seleccionar sucesivamente la primera ley de control y luego la segunda ley de control para pasar de un modo de funcionamiento de conversión Boost a un modo de funcionamiento de conversión Buck, o adaptada para seleccionar sucesivamente la segunda ley de control y luego la primera ley de control para pasar de un modo de funcionamiento de conversión Buck a un modo de funcionamiento de conversión Boost.
Alternativamente, los medios de control 64 están adaptados para controlar los elementos semiconductores 84 sólo según la primera ley de control, y la segunda etapa de conversión 44 forma sólo un convertidor Boost.
Alternativamente, los medios de control 64 están adaptados para controlar los elementos semiconductores 84 sólo según la segunda ley de control, y la segunda etapa de conversión 44 forma sólo un convertidor Buck.
Además, en la realización mostrada en la Figura 2, los medios de control 64 están adaptados para controlar los interruptores electrónicos 54A, 54B, 54C, 56A, 56B, 56C de las ramas de conmutación 52A, 52B, 52C, cada uno de acuerdo con su propia ley de conmutación, y las leyes de conmutación están compensadas entre sí.
Las leyes de conmutación son, por ejemplo, de la misma frecuencia F y están desfasadas entre sí. El desfase entre las leyes de conmutación de cada una de las ramas 52A, 52B, 52C es, por ejemplo, igual a 360°/P, siendo P el número de ramas de conmutación 52A, 52B, 52C. En otras palabras, en el ejemplo de la figura 2, el desfase entre las leyes de conmutación es de 120°.
El experto comprenderá que el desplazamiento de fase, expresado anteriormente en grados, también puede expresarse en radianes, siendo 2n radianes igual a 360°.
El experto también comprenderá que el desplazamiento de fase entre las leyes de conmutación expresado anteriormente en términos angulares también puede expresarse en términos temporales dividiendo dicho desplazamiento de fase expresado en radianes por una pulsación w, siendo la pulsación u> igual a 2n x F radianes/s, donde F es la frecuencia de las leyes de conmutación.
El elemento semiconductor 84 es, por ejemplo, un transistor, como un transistor bipolar de puerta aislada, también conocido como transistor IGBT (del inglés, Insulated Gate Bipolar Transistor). Alternativamente, el elemento semiconductor 84 es un tiristor, tal como un tiristor GTO (del inglés, Gate Turn Off).
A continuación se describirá el funcionamiento del terminal de carga 10.
Cuando un usuario conecta el conector eléctrico 20 del terminal de carga con el conector complementario de su vehículo automóvil 14 con el fin de cargar la batería eléctrica 12, el elemento de conversión 18 se conecta entonces a la batería eléctrica 12, con el fin de suministrarle corriente continua a partir de la corriente alterna de la red 24. La corriente alterna procedente de la red 24, presente en los terminales de entrada 32 del elemento de conversión, es convertida primero en corriente continua por el rectificador de tensión 48 de la primera etapa de conversión, y filtrada después por el filtro 50 de dicha primera etapa.
La tensión de corriente continua en los terminales intermedios 34, 36 es entonces convertida por la segunda etapa de conversión 44 en otra tensión de corriente continua, que es de mayor valor que la tensión de corriente continua entre los terminales intermedios 34, 36 cuando la segunda etapa de conversión 44 está en su primer modo de funcionamiento, o de menor valor que la tensión de corriente continua entre los terminales intermedios 34, 36 cuando la segunda etapa de conversión 44 está en su segundo modo de funcionamiento.
Para ello, de acuerdo con la primera ley de control, los medios de control 64 controlan cíclicamente cada uno de los elementos semiconductores 84 de los segundos interruptores 56A, 56B, 56C desde el estado desactivado al estado activado y luego desde el estado activado al estado desactivado, mientras que los elementos semiconductores 84 de los primeros interruptores 54A, 54B, 54C están todavía en el estado desactivado. De acuerdo con la segunda ley de control, los medios de control 64 controlan cíclicamente cada uno de los elementos semiconductores 84 de los primeros interruptores 54A, 54B, 54C del estado desactivado al estado activado y luego del estado activado al estado desactivado, mientras que los elementos semiconductores 84 de los segundos interruptores 56A, 56B, 56C están todavía en el estado desactivado.
El segundo modo de funcionamiento de la segunda etapa de conversión 44, también conocido como modo Buck, se describirá con más detalle a continuación haciendo referencia a las Figuras 3 a 6.
La figura 3 ilustra una primera curva 90A, una segunda curva 90B, una tercera curva 90C, que representan la tensión en los terminales del primer interruptor 54A de la primera rama, respectivamente del primer interruptor 54B de la segunda rama y respectivamente del primer interruptor 54C de la tercera rama, según el segundo modo de funcionamiento de la segunda etapa 44 de conversión.
La figura 4 ilustra una cuarta curva 92A, una quinta curva 92B, una sexta curva 92C, que representan la corriente que fluye en el elemento semiconductor 84 del primer interruptor 54A de la primera rama, respectivamente del primer interruptor 54B de la segunda rama y respectivamente del primer interruptor 54C de la tercera rama, según el segundo modo de funcionamiento de la segunda etapa 44 de conversión.
La figura 5 ilustra una séptima curva 93A, una octava curva 93B, una novena curva 93C, que representan la corriente que fluye a través del diodo 86 del segundo interruptor 56A de la primera rama, respectivamente del segundo interruptor 56B de la segunda rama y respectivamente del segundo interruptor 56C de la tercera rama, según el segundo modo de funcionamiento de la segunda etapa 44 de conversión.
Por último, la figura 6 ilustra una décima curva 94 y una undécima curva 95, que representan respectivamente la corriente Is y la tensión Vs entregadas a la salida del convertidor 30, según el segundo modo de funcionamiento de la segunda etapa de conversión 44.
Durante el segundo modo de funcionamiento, en el estado activado del elemento semiconductor 84 de un primer interruptor 54A, 54B, 54C dado, dicho primer interruptor 54A, 54B, 54C está en la posición cerrada, como se representa en la figura 3 por los niveles superiores de las curvas 90A, 90B, 90C, para los cuales el valor de la tensión en los terminales del primer interruptor 54A, 54B, 54C correspondiente es de aproximadamente 500 V y sustancialmente constante.
La tensión en los terminales de la correspondiente bobina electromagnética 62A, 62B, 62C aumenta linealmente, como se muestra en la Figura 4 por los segmentos de pendiente ascendente de las curvas 92A, 92B, 92C, para los que el valor de la corriente aumenta de aproximadamente 18 A a aproximadamente 23 A.
La tensión en los terminales del diodo 86 del segundo interruptor 56A, 56B, 56B conectado en serie con dicho primer interruptor 54A, 54B, 54C en la posición cerrada es negativa, y no fluye corriente a través de dicho diodo 86, como se representa en la Figura 5 por los niveles inferiores de las curvas 93A, 93B, 93C, para los cuales el valor de la corriente es sustancialmente cero.
Durante el segundo modo de funcionamiento, en el estado desactivado del elemento semiconductor 84 de un primer interruptor 54A, 54B, 54C dado, dicho primer interruptor 54A, 54B, 54C está en la posición abierta, como se representa en la figura 3 por los niveles inferiores de las curvas 90A, 90B, 90C, para los cuales el valor de la tensión en los terminales del primer interruptor 54A, 54B, 54C correspondiente es sustancialmente cero y constante.
El diodo 86 del segundo interruptor 56A, 56B, 56C conectado en serie con dicho primer interruptor 54A, 54B, 54C en posición abierta se vuelve conductor. La corriente que fluye a través de la correspondiente bobina electromagnética 62A, 62B, 62C disminuye entonces, como se muestra en la figura 5 por los segmentos de pendiente descendente de las curvas 93A, 93B, 93C, para los que el valor de la corriente disminuye de unos 23 A a unos 18 A.
La ondulación de corriente en cada rama de conmutación 52A, 52B, 52C es entonces sustancialmente igual a 5A de pico a pico.
Además, las leyes de conmutación de los primeros interruptores 54A, 54B, 54C están compensadas entre sí, como se muestra en la figura 3 donde los niveles inferiores de las curvas 90A, 90B, 90C están desplazados entre sí. Los periodos de subida y bajada de la corriente en cada una de las bobinas electromagnéticas 62A, 62B, 62C son entonces también compensados de una bobina electromagnética a otra.
Esta compensación en las leyes de conmutación permite limitar entonces la ondulación de la corriente continua suministrada a la salida del convertidor 30, como se muestra en la figura 6. La curva 94 muestra que la ondulación de la corriente de salida Is es sustancialmente igual a 3 A de pico a pico, que es por lo tanto menor que la ondulación de la corriente que fluye a través de cada una de las bobinas electromagnéticas 62A, 62B, 62C.
En la realización de ejemplo de las Figuras 3 a 6, la corriente continua Is suministrada a la salida del convertidor 30 es ligeramente superior a 60 A, y la tensión de corriente continua es de aproximadamente 413 V.
Así, la conexión en paralelo de las ramas de conmutación 52A, 52B, 52C y de las bobinas electromagnéticas 62A, 62B, 62C permite entregar una corriente de salida elevada del orden de 100 A a una tensión del orden de 500 V, disponiendo al mismo tiempo de elementos semiconductores 84 y de bobinas electromagnéticas 62A, 62B, 62C poco costosos y que ahorran espacio. El convertidor eléctrico 30 según la invención tiene un coste y unas necesidades de espacio reducidos.
La figura 7 ilustra el convertidor eléctrico 30 según una variante de la primera realización. Según esta variante, sólo se implementan la segunda etapa de conversión 44 y el filtro 50 conectado a la entrada de la segunda etapa 44, estando el convertidor 30 conectado, por una parte, a un bus de tensión de corriente continua Vbus a través de los terminales intermedios 34, 36, y, por otra parte, a la carga eléctrica a alimentar con tensión de corriente continua, tal como la batería 12 que tiene la tensión de corriente continua Vbatería, a través de los terminales de salida 38, 40. En esta realización, la segunda etapa de conversión 44 y el filtro 50 están adaptados para funcionar de manera reversible, con la corriente adaptada para fluir desde el bus de tensión de corriente continua a la carga eléctrica, o a la inversa, desde la carga eléctrica al bus de tensión de corriente continua.
Se apreciará por la persona experta que una pluralidad de convertidores eléctricos 30 según esta realización pueden conectarse en paralelo entre sí al mismo bus de tensión continua. En otras palabras, varios conjuntos de segunda etapa de conversión 44 y filtro 50 pueden conectarse a la salida de un único rectificador de tensión capaz de suministrar una tensión de corriente continua al bus de tensión de corriente continua Vbus a partir de una tensión alterna.
El primer modo de funcionamiento de la segunda etapa de conversión 44, también conocido como modo Boost, se describirá con más detalle a continuación con ayuda de la figura 8.
La figura 8 ilustra una duodécima curva 96A, una decimotercera curva 96B, una decimocuarta curva 96C, que representan la corriente que fluye en el elemento semiconductor 84 del segundo interruptor 56A de la primera rama, respectivamente del segundo interruptor 56B de la segunda rama y respectivamente del segundo interruptor 56C de la tercera rama, según el primer modo de funcionamiento de la segunda etapa 44 de conversión. Las curvas 96A, 96B, 96C se muestran en líneas finas.
La figura 8 ilustra también una decimoquinta curva 97A, una decimosexta curva 97B, una decimoséptima curva 97C, que representan la corriente que fluye en el diodo 86 del primer interruptor 54A de la primera rama, respectivamente del primer interruptor 54B de la segunda rama y respectivamente del primer interruptor 54C de la tercera rama, según el primer modo de funcionamiento de la segunda etapa 44 de conversión. Las curvas 97A, 97B, 97C se muestran en líneas gruesas.
Finalmente, la figura 8 ilustra una decimoctava curva 98 y una decimonovena curva 99, que representan la corriente I1 que fluye a través de la carga, tal como la batería 12, conectada a la salida del convertidor 30, y respectivamente la corriente I1 que fluye a la entrada del convertidor 30, según el primer modo de funcionamiento de la segunda etapa de conversión 44, estando representadas las corrientes I1 e I0 en la figura 7.
El funcionamiento de un convertidor Boost, es decir, el primer modo de funcionamiento de la segunda etapa de conversión 44, es conocido per se, y no se describe más en detalle.
Además, las leyes de conmutación de los segundos interruptores 56A, 56B, 56C están compensadas entre sí. Los periodos de subida y bajada de la corriente en cada una de las bobinas electromagnéticas 62A, 62B, 62C son entonces también compensados de una bobina electromagnética a otra.
Esta compensación en las leyes de conmutación limita entonces la ondulación de la corriente continua suministrada a la salida del convertidor 30, como se muestra en la figura 8. La curva 98 muestra que la ondulación de la corriente de salida Is es de baja amplitud.
La figura 9 ilustra una segunda realización de la invención en la que elementos similares a la primera realización, descritos anteriormente, están marcados con referencias idénticas, y por lo tanto no se describen de nuevo.
De acuerdo con la segunda realización, el elemento de conversión 18 es un dispositivo de conversión 100 que comprende un transformador de tensión 102 que tiene un circuito primario 104, un primer circuito secundario 106 y un segundo circuito secundario 108.
El dispositivo de conversión 100 comprende un primer convertidor eléctrico 110A conectado al primer circuito secundario 106 y un segundo convertidor eléctrico 110B conectado al segundo circuito secundario 108.
El dispositivo de conversión 100 incluye también un terminal de salida positivo 111, un terminal de salida negativo 112 y un diodo 113 conectado entre los terminales de salida positivos 38 de los convertidores 110A, 110B y el terminal de salida positivo 111. Los terminales de salida positivos 38 del primer convertidor 110A y del segundo convertidor 110B están conectados entre sí. Los terminales de salida negativos 40 del primer convertidor 110A y del segundo convertidor 110B también están conectados entre sí.
El circuito primario 104 del transformador tiene M devanados primarios, no mostrados, donde M es el número de fases de la red de de corriente alterna 24.
Cada circuito secundario 106, 108 del transformador tiene M devanados secundarios, no mostrados. Á
En la realización de ejemplo mostrada en la Figura 9, la red de corriente alterna 24 es una red trifásica, M es tres, y los tres devanados primarios están conectados en estrella. Los tres devanados secundarios del primer circuito secundario 106 están conectados en triángulo, y los tres devanados secundarios del segundo circuito secundario 108 están conectados en estrella.
Cada convertidor eléctrico 110A, 110B comprende, de forma idéntica a la primera realización, una primera etapa de conversión 42, una segunda etapa de conversión 44 conectada a la salida de la primera etapa 42 y una unidad de control 46.
El primer convertidor eléctrico 110A es, por ejemplo, idéntico al segundo convertidor eléctrico 110B.
Además, la segunda etapa de conversión 44 de cada convertidor 110A, 110B incluye, para cada rama de conmutación 52A, 52B, 52C, un disyuntor 114A, 114B, 114C conectado entre la bobina correspondiente 62A, 62B, 62C y el condensador 60.
Además, la segunda etapa de conversión 44 de cada convertidor 110A, 110B comprende una resistencia de realimentación 116 conectada entre, por una parte, la salida de los disyuntores 114A, 114B, 114C, y por otra parte, de manera análoga a la primera realización, el punto de conexión entre el interruptor electrónico 76 y el diodo 78 del filtro 50. La resistencia de realimentación permite controlar la descarga del condensador 60 conmutando el interruptor electrónico 76 para mantener una tensión constante en el terminal de salida positivo 38.
El funcionamiento de esta segunda realización es similar a la de la primera realización, descrita anteriormente, y no se describe de nuevo.
Las ventajas de esta segunda realización son similares a las de la primera realización, descrita anteriormente.
El dispositivo de conversión 100 según la segunda realización permite también mejorar la calidad de la energía absorbida a nivel de la red eléctrica 24 mediante la asociación en paralelo del primer convertidor 110A y del segundo convertidor 110B a través de los dos circuitos secundarios 106, 108 del transformador 102. El dispositivo de conversión 100 puede entonces limitar la tasa de distorsión armónica observada en la red de corriente alterna 24 y obtener una mejor calidad de la energía absorbida.
Es pues concebible que el elemento de conversión 18 según la invención permite reducir el coste y el tamaño, permitiendo al mismo tiempo el paso de corrientes elevadas, tales como corrientes del orden de 100 A.
El experto entenderá también que la segunda etapa de conversión 44 está adaptada para funcionar alternativamente en conversión Boost y en conversión Buck según la ley de control seleccionada entre la primera ley de control y la segunda ley de control.
La figura 10 muestra un diagrama eléctrico de otro elemento de conversión que también puede pasar de un modo de funcionamiento Boost a un modo de funcionamiento Buck y viceversa, el paso de una conversión Boost a una conversión Buck y viceversa se realiza en este caso conmutando dos contactores en lugar de cambiar la ley de control de la primera ley de control a la segunda ley de control y viceversa de la segunda ley de control a la primera ley de control, como se ha descrito anteriormente.
En la figura 10, el elemento de conversión 200 comprende dos terminales de entrada 202, 204, a saber, un primer terminal de entrada 202 y un segundo terminal de entrada 204, adecuados para ser conectados a una fuente de tensión de corriente continua 206, y dos terminales de salida 208, 210, a saber, un primer terminal de salida 208 y un segundo terminal de salida 210, entre los cuales una tensión de corriente continua de salida es adecuada para ser entregada por el elemento de conversión 200.
El elemento de conversión 200 comprende un condensador de filtrado 212 conectado entre los dos terminales de entrada 202, 204.
El elemento de conversión 200 incluye también una rama de conmutación 214 conectada en paralelo con el condensador de filtrado 212, es decir, entre los dos terminales de entrada 202, 204, incluyendo la rama de conmutación 214 un interruptor controlable 216 y un diodo 218 conectados en serie y conectados entre sí por un punto medio 220.
El elemento de conversión 200 incluye una rama transversal 222 conectada entre el punto medio 220 y un punto intermedio 224, incluyendo la rama transversal 222 una bobina electromagnética 226. Además, la rama transversal 222 tiene un sensor de corriente 228.
El elemento de conversión 200 comprende un primer contactor K1 y un segundo contactor K2, estando el primer y segundo contactores K1, K2 acoplados de tal manera que el primer contactor K1 está en la posición cerrada cuando el segundo contactor K2 está en la posición abierta, y a la inversa el primer contactor K1 está en la posición abierta cuando el segundo contactor K2 está en la posición cerrada.
El primer contactor K1 comprende un primer interruptor 230 y un segundo interruptor 232, que pueden ser controlados simultáneamente en posición abierta, o en posición cerrada correspondiente al paso de corriente a través de los dos interruptores 230, 232. El primer interruptor 230 está conectado entre el primer terminal de entrada 202 y el primer terminal de salida 208, y el segundo sensor 132 está conectado entre el punto intermedio 224 y el segundo terminal de salida 210.
El segundo contactor K2 comprende un tercer interruptor 234 y un cuarto interruptor 236, aptos para ser controlados simultáneamente en posición abierta, o en posición cerrada correspondiente al paso de corriente a través de los dos interruptores 234, 236. El tercer interruptor 234 está conectado entre el punto intermedio 224 y el primer terminal de salida 208, y el cuarto interruptor 236 está conectado entre el segundo terminal de entrada 204 y el segundo terminal de salida 210.
El cierre del primer contactor K1, es decir, el cierre de los interruptores primero y segundo 230, 232, corresponde a un modo de funcionamiento de convertidor Boost del elemento de conversión 200. El cierre del segundo contactor K2, es decir, el cierre de los interruptores tercero y cuarto 234, 236, corresponde a un modo de funcionamiento de convertidor Buck del elemento de conversión 200.
El elemento de conversión 200 está entonces adaptado para cambiar simplemente de conversión Boost a conversión Buck abriendo el primer contactor K1 y cerrando el segundo contactor K2, e inversamente de conversión Buck a conversión Boost cerrando el primer contactor K1 y abriendo el segundo contactor K2.
El interruptor controlable 216 incluye un elemento semiconductor 238 y un diodo 240 conectado en antiparalelo al elemento semiconductor 238, siendo el elemento semiconductor 238 conmutable entre un estado activado y un estado desactivado.
El elemento semiconductor 238 es, por ejemplo, un transistor, como un transistor bipolar de puerta aislada, también llamado transistor IGBT (del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor). Alternativamente, el elemento semiconductor 238 es un tiristor, tal como un tiristor GTO (del inglés Gate Turn Off).

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Etapa de conversión eléctrica (44), adaptada para ser conectada, por una parte, a terminales intermedios (34, 36) de un bus eléctrico de tensión de corriente continua y, por otra parte, a terminales de salida (38, 40), comprendiendo la etapa de conversión (44):
- P ramas de conmutación, siendo P mayor o igual a 2, preferentemente igual a 3, estando las ramas de conmutación (52A, 52B, 52C) conectadas en paralelo entre los terminales intermedios (34, 36), comprendiendo cada rama de conmutación (52A, 52B, 52C) un primer (54A, 54B, 54C) y un segundo (56A, 56B, 56C) interruptores electrónicos controlables conectados en serie y conectados entre sí por un punto medio (58A, 58B, 58C), estando el primer interruptor (54A, 54B, 54C) conectado entre el primer terminal intermedio (34) y el correspondiente punto medio (58A, 58B, 58C), y estando el segundo interruptor (56A, 56B, 56C) conectado entre el segundo terminal intermedio (36) y el correspondiente punto medio (58A, 58B, 58C), incluyendo cada interruptor (54A, 54B, 54C, 56A, 56B, 56C) un elemento semiconductor (84) y un diodo (86) conectado en antiparalelo al elemento semiconductor (84), siendo cada elemento semiconductor (84) conmutable entre un estado activado y un estado desactivado,
- medios (64) para controlar los interruptores electrónicos (54A, 54B, 54C, 56A, 56B, 56C) según una ley de control,
caracterizada porque la etapa de conversión (44) comprende además un condensador (60) conectado entre los dos terminales de salida (38, 40) y, para cada rama de conmutación (52A, 52B, 52C), una bobina electromagnética (62A, 62B, 62C) conectada entre un terminal del condensador (60) y el punto medio (58A, 58B, 58C) de la rama de conmutación correspondiente y
porque la ley de control se selecciona entre una primera ley de control y una segunda ley de control, siendo la primera ley de control tal que el elemento semiconductor (84) de cada primer interruptor (54A, 54B, 54C) está siempre en estado desactivado, y siendo la segunda ley de control tal que el elemento semiconductor (84) de cada segundo interruptor (56A, 56b , 56C) está siempre en estado desactivado.
2. Etapa de conversión (44) según la reivindicación 1, en la que la primera ley de control es tal que el elemento semiconductor (84) de cada segundo interruptor (56A, 56B, 56C) se controla cíclicamente del estado desactivado al estado activado, y luego del estado activado al estado desactivado.
3. Etapa de conversión (44) según la reivindicación 1 o 2, en la que la segunda ley de control es tal que el elemento semiconductor (84) de cada primer interruptor (54A, 54B, 54C) se controla cíclicamente del estado desactivado al estado activado, y luego del estado activado al estado desactivado.
4. Etapa de conversión (44) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la etapa de conversión forma según la primera ley de control un convertidor Boost adecuado para convertir una tensión de corriente continua entre los terminales intermedios (34, 36) en otra tensión de corriente continua de valor superior entre los terminales de salida (38, 40), y/o la etapa de conversión forma según la segunda ley de control un convertidor Buck adecuado para convertir la tensión de corriente continua entre los terminales intermedios (34, 36) en otra tensión de corriente continua de valor inferior entre los terminales de salida (38, 40).
5. Etapa de conversión (44) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la etapa de conversión (44) está adaptada para seleccionar sucesivamente la primera ley de control y luego la segunda ley de control para pasar de un modo de funcionamiento de conversión Boost a un modo de funcionamiento de conversión Buck, o sucesivamente la segunda ley de control y luego la primera ley de control para pasar de un modo de funcionamiento de conversión Buck a un modo de funcionamiento de conversión Boost.
6. Etapa de de conversión (44) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que los medios de control (64) están adaptados para controlar los interruptores electrónicos (54A, 54B, 54C, 56A, 56B, 56C) de las ramas de conmutación (52A, 52B, 52C), cada uno según una ley de conmutación, y las leyes de conmutación de las ramas de conmutación (52A, 52B, 52C) están compensadas entre sí.
7. Etapa de de conversión (44) según la reivindicación 6, en la que las leyes de conmutación de cada una de las ramas (52A, 52B, 52C) son de la misma frecuencia (F) y están desfasadas entre sí, siendo el desfase entre las leyes de conmutación de cada una de las ramas (52A, 52B, 52C) preferentemente de 360°/P.
8. Convertidor eléctrico (30; 110A, 110B) adecuado para ser conectado a una red eléctrica de corriente alterna (24) que comprende M fase(s), siendo M mayor o igual a 1, comprendiendo el convertidor (30; 110A, 110B):
- M terminal(es) de entrada (32), correspondiendo el o cada terminal de entrada (32) a una fase de la red de corriente alterna (24), un primer (34) y un segundo (36) terminal intermedio, y dos terminales de salida (38, 40),
- una primera etapa de conversión (42), conectada a los terminales de entrada (32) y que comprende un rectificador de tensión (48) adecuado para convertir la tensión alterna de entrada en una tensión de corriente continua intermedia suministrada entre los terminales intermedios primero y segundo (34, 36), y - una segunda etapa de conversión (44), conectada a los terminales intermedios (34, 36) a la salida de la primera etapa de conversión (42)
caracterizado porque la segunda etapa de conversión (44) es según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
9. Convertidor (30; 110A, 110B) según la reivindicación 8, en el que el convertidor (30; 110A, 110B) comprende además un enlace de realimentación (63; 116) conectado entre uno (38) de los dos terminales de salida y un filtro (50), estando el filtro (50) conectado a la salida del rectificador de tensión (48), permitiendo el enlace de realimentación (63; 116) controlar la descarga del condensador (60) conectado entre los dos terminales de salida (38, 40).
10. Dispositivo (100) de conversión de una corriente alterna en corriente continua, siendo el dispositivo de conversión (100) adecuado para ser conectado a una red eléctrica alterna (24) que comprende M fase(s), siendo M mayor o igual a 1, comprendiendo el dispositivo de conversión (100) :
- un transformador de tensión (102) que comprende un circuito primario (104) con M devanados primarios, un primer (106) y un segundo (108) circuito secundario cada uno con M devanados secundarios,
- un primer convertidor eléctrico (110A) conectado al primer circuito secundario (106), y
- un segundo convertidor eléctrico (110B) conectado al segundo circuito secundario (108), caracterizado porque los convertidores eléctricos primero y segundo (110A, 110B) son cada uno según la reivindicación 8 o 9.
11. Dispositivo (100) según la reivindicación 10, en el que M es igual a 3, estando los tres devanados primarios conectados en estrella, estando los tres devanados secundarios del primer circuito secundario (106) conectados en triángulo, y estando los tres devanados secundarios del segundo circuito secundario (108) conectados en estrella.
12. Terminal de carga (10) de una batería eléctrica (12), en particular de una batería eléctrica (12) de un vehículo automóvil (14), que comprende una carcasa (16) y un conector eléctrico (20) destinado a ser conectado eléctricamente a la batería (12),
caracterizado porque comprende un elemento de conversión (18) de entre un convertidor eléctrico (30; 110A, 110B) según la reivindicación 8 o 9 y un dispositivo de conversión (100) según la reivindicación 10 u 11, estando el elemento de conversión (18) dispuesto en la carcasa (16).
13. Terminal de carga (10) según la reivindicación 12, en el que el terminal (10) comprende además un cable de conexión eléctrica (22), dispuesto al menos parcialmente fuera de la carcasa (16) y que conecta el conector eléctrico (20) al elemento de conversión (18).
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