ES2950832T3 - Convertidor de potencia - Google Patents

Abstract

Se divulga una estructura central integrada (100) adecuada para integrar al menos dos componentes magnéticos (Lr, Lout, Tr) de un convertidor de potencia, en donde cada uno de los componentes magnéticos (Lr, Lout, Tr) comprende al menos un devanado (302). -1, 302-2-1, 302-2-2, 302-2-3, 302-3). La estructura central integrada (100) comprende una pluralidad de porciones con ventanas (102-1, 102-2, 102- 3) y una pluralidad de porciones perpendiculares (104-1, 104-2). Una de las ideas inventivas es que el espesor (116-1, 116-2) de cada una de la pluralidad de porciones perpendiculares (104-1, 104-2) se ajusta al valor máximo absoluto más alto del flujo magnético resultante que tiene para fluir a través de la porción perpendicular respectiva (104-1, 104-2) como consecuencia de la agregación de cada uno de los respectivos flujos a generar por los devanados (302-1, 302-2-1, 302-2-2 , 302-2-3, 302-3) para recibirse en las respectivas ventanas para acomodarse en cada una de las dos porciones de ventana (102-1, 102-2, 102-3) inmediatamente adyacentes a la porción perpendicular respectiva (104-1, 104-2). De este modo, no se excede la densidad de flujo máxima del material de la porción perpendicular respectiva (104-1, 104-2). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Convertidor de potencia

Campo técnico

La presente invención se refiere a sistemas de potencia y, en concreto, a la integración de una pluralidad de componentes magnéticos para fuentes de alimentación conmutadas basadas en inductores.

Antecedentes de la técnica

Las fuentes de alimentación conmutadas basadas en inductores (en lo sucesivo, simplemente "convertidores") encuentran aplicación hoy en día en una amplia variedad de campos y niveles de potencia, por ejemplo, de convertidores CC-CC de baja potencia en un teléfono inteligente a convertidores CC-CA de alta potencia (también conocidos como inversores) en plantas de energía fotovoltaica conectadas a la red. Como ya se sabe en la técnica, estas pueden comprender al menos un interruptor controlable (por ejemplo, un MOSFET o IGBT), un inductor, un condensador de salida y un controlador. El interruptor controlable comprende un terminal de control y dos terminales de potencia; las señales aplicadas al terminal de control determinan el nivel de conducción de corriente permitido entre el primer y el segundo terminales de potencia, aunque en los convertidores se suele considerar que estos están totalmente encendidos o totalmente apagados, interpretados como un cortocircuito ideal (0 Om) o un circuito abierto ideal (~ Om), respectivamente. El controlador está configurado para enviar órdenes al al menos un interruptor controlable encendido y apagado a una frecuencia de conmutación (a menudo, constante), controlando así el aumento o la disminución de una corriente a través del inductor. El condensador de salida es responsable de proporcionar una tensión de salida limpia, filtrada de los componentes armónicos en y por encima de la frecuencia de conmutación. En la técnica se conocen bien varias topologías: convertidor Buck o reductor, convertidor elevador o de subida, convertidor reductor-elevador de inversión, convertidor reductor-elevador de no inversión (convertidores reductores y elevadores en cascada), convertidor directo, convertidor de medio puente y convertidor de puente completo. Todos ellos están destinados a la conversión CC-CC y, algunos de ellos, adicionalmente, a la conversión CC-CA, como el convertidor de medio puente o de puente completo. A su vez, el convertidor de retroceso (Flyback) carece de un inductor especializado como tal pero, a su vez, el controlador ordena el encendido y apagado del interruptor para controlar el aumento y la disminución de una corriente a través de los devanados del transformador de retroceso; en realidad, a veces el transformador de retroceso se conoce con forma de par de inductores acoplados. También se conocen bien otras topologías, como los convertidores Cuk o SEPIC. La lista a la que se hace referencia en este documento no es exhaustiva.

Los transformadores e inductores se conocen como componentes magnéticos. Estos suelen consistir en un núcleo sólido y en uno o varios devanados dispuestos a su alrededor. El núcleo sólido está hecho de material ferromagnético; la elección del material depende de la frecuencia de conmutación del convertidor, siendo polvo de hierro, ferritas y hierro algunos de los posibles materiales de ejemplo. Cada uno de los uno o más devanados de un componente magnético comprende un cable enrollado alrededor de una parte del núcleo. El cable comprende un alambre interno hecho de un material conductor de la electricidad, como el cobre, cubierto por una capa de aislamiento eléctrico.

Algunas de las topologías mencionadas anteriormente comprenden solo un componente magnético único, como los convertidores elevadores o Buck. En algunos otros, hay al menos dos componentes magnéticos. Es el caso de los convertidores directo, de medio puente o de puente completo, en los que, además del inductor, se debe o se puede agregar un transformador, estos comprenden dos componentes magnéticos. Otras topologías, como el convertidor de puente completo con cambio de fase, aumenta el número a tres componentes magnéticos, que comprenden un inductor de entrada en serie, un transformador y un inductor de salida.

Siempre que la topología de un convertidor comprenda dos o más componentes magnéticos, se puede considerar la integración de los componentes magnéticos. Por integración en el presente documento se entiende la construcción en una sola pieza continua de material de núcleo de una pluralidad de componentes magnéticos (es decir, inductores y transformadores). La integración puede ser ventajosa en términos de tamaño y reducción de costos, y lo es, por lo tanto, suele ser recomendable. La pieza continua de núcleo magnético puede ser un núcleo de una sola pieza (figura 1a) o puede crearse apilando piezas sucesivas de núcleos individuales (figura 1b) unidas entre sí con pinzas o cualquier otro medio de fijación adecuado (no mostrado).

Ya sea con un núcleo de una sola pieza (figura 1a) o con núcleos apilados sucesivamente (figura 1b), la estructura de núcleo resultante 100 para la integración de los componentes magnéticos generalmente presenta, en una dirección específica A/A, una sucesión de porciones que alternan porciones con ventanas 102-1, 102-2... 102-n y porciones perpendiculares 104-1, 104-2... 104-m), con m = n-1. La expresión "con ventanas", como se emplea en este documento, proviene del conocido término "ventana" que, en el campo de los núcleos magnéticos, representa los espacios huecos donde se enrollarán los devanados. En cada una de las porciones con ventanas, se disponen el o los devanados de uno respectivo de la pluralidad de componentes magnéticos que vayan a integrarse. Por lo tanto, la dirección A/A se refiere no solo a la dirección en la que las porciones con ventanas 102 y las porciones perpendiculares 104 están dispuestas alternativamente, sino también a la dirección en la que se disponen los componentes magnéticos que van a integrarse. Entre dos porciones sucesivas con ventanas 102-i y 102-i+l hay una porción perpendicular 104-i, tal y como ya se ha mencionado. Cada porción perpendicular 104-i está configurada para permitir el retorno de las líneas de flujo magnético de cada uno de los dos componentes magnéticos dispuestos en las porciones con ventanas 102-i y 102-i+1 a ambos lados (en la dirección A/A de la sucesión) de la respectiva porción perpendicular 104-i, minimizando así el acoplamiento con los otros componentes magnéticos integrados en la misma estructura de núcleo 100. De lo contrario, es decir, en ausencia de porciones perpendiculares 104, todas las porciones de la estructura 100 conducirían el flujo de cada uno de los componentes magnéticos. En la dirección A/A, la estructura de núcleo 100 se completa con la presencia de una porción inferior 122 y una porción superior 124.

La proyección de la estructura de núcleo 100 sobre cualquier plano 110 que cumpla las condiciones de ser perpendicular a la dirección A/A definida por la sucesión de porciones y que sea externa a la estructura 100 (es decir, que no interseque la estructura de núcleo 100) define un área de proyección de estructura 112. Una característica distintiva de cada una de las porciones perpendiculares 104 es que la proyección de cualquiera de ellas sobre el plano 110 da como resultado un área 114 que coincide con el área de proyección de la estructura 112, en caso de que las porciones perpendiculares 104 estuvieran aisladas de la estructura. Para definir completamente cada una de las porciones perpendiculares 104, debe definirse un grosor 116-1, 116-2... 116-m para cada una de esas porciones perpendiculares 104-1, 104-2... 104-m. Al contrario, si se aíslan, la proyección de cualquiera de las porciones de ventana sobre el plano 110 da como resultado un área 118 (que se muestra solo en la figura 1b) que no coincide con el área de proyección de la estructura 112, ya que está vacía en algunas zonas debido a la presencia de ventanas. La porción superior 122 y la porción inferior 124 son similares a las porciones perpendiculares 104-1, 104-2... 104-n y, por lo tanto, la proyección de cualquiera de ellas sobre el primer plano 110 también da como resultado el área 114 que coincide con el área de proyección de la estructura 112.

Tal y como ya se ha mencionado, la estructura integrada 100 se puede construir uniendo piezas sucesivas de núcleos individuales en una pila, como se muestra en la figura 1b. Esta es la forma más habitual y es muy conocida en la técnica. En el ejemplo mostrado en la figura 1b, se apilan cuatro núcleos individuales para crear una estructura de núcleo 100 que comprende tres porciones con ventanas 102-1 a 102-3 destinadas a recibir los devanados de tres componentes magnéticos diferentes que se vayan a integrar, como se explicará más adelante con referencia a la figura 4.

En las figuras 1a-1b, como muestran las áreas 112, 114 y 118, la estructura de núcleo integrada 100 presenta simetría total alrededor de un eje B/B (mostrado solo en la figura 1a) paralelo a la dirección A/A, es decir, sus componentes pueden definirse o descomponerse en cilindros. Esto es solo un ejemplo y, por supuesto, se pueden utilizar construcciones alternativas que no presenten ninguna simetría o relaciones de simetría alternativas, como simetría alrededor de un plano paralelo a la dirección A/A y perpendicular al papel, como es el caso de los núcleos E conocidos. Otras estructuras presentan simetrías mixtas, por ejemplo, donde la pata central es un cilindro y las patas laterales son sustancialmente paralelepipédicas con o sin lados internos redondeados, conocidos como núcleos ETD, EQ y ER, o simetrías complejas aún más difíciles de describir, como los conocidos núcleos PM y PQ. Tanto los problemas que se identificarán en esta sección y las soluciones que se explicarán más adelante, es decir, las enseñanzas de la presente invención, aplican a cualquiera de los núcleos antes mencionados y a muchos otros. Adicionalmente, en la estructura integrada 100 mostrada en las figuras 1a-1b, las tres porciones con ventanas 102-1 a 102-3 comprenden una pata central y dos de ellas (patas centrales de las porciones con ventanas 102-1 y 102-3) comprenden una pata central con entrehierros 120 (en concreto, 120-1 y 120-3), lo cual es habitual para aquellas porciones con ventanas concebidas para recibir los devanados de inductores o inductores acoplados (por ejemplo, transformadores de retroceso). Hay elemento más de las porciones con ventanas que completa la descripción de las mismas: la(s) pared(es) periférica(s). En este documento, el término pared periférica se usa para la subporción de la porción con ventanas que no es la pata central (si la hubiera), sino que es paralela a la misma para conducir el flujo magnético también en una dirección paralela a la dirección A/A. Como ya se sabe en la técnica, los entrehierros mencionados también pueden disponerse en las paredes periféricas o no estar presentes en absoluto (ya sea porque no se necesitan entrehierros o porque se emplean entrehierros distribuidos).

A pesar de las ventajas potenciales que ofrece, los ingenieros deben diseñar cuidadosamente la integración de los componentes magnéticos. En el contexto de los componentes magnéticos, debe evitarse el riesgo de saturación magnética del núcleo. La saturación se produce cuando la densidad del flujo magnético sobrepasa los límites del material del núcleo y puede derivar en la pérdida de sus propiedades magnéticas. Esto, a su vez, puede derivar en un comportamiento descontrolado del convertidor, lo que puede dañar la fuente de entrada, la carga de salida y/o el propio convertidor. El término "densidad" en la magnitud "densidad de flujo magnético" representa la relación de unidades de flujo magnético divididas por unidades de área; por lo tanto, para evitar que se supere el límite de densidad de flujo en una porción o subporción del núcleo, no solo se puede seleccionar un material diferente, sino que también se puede modificar (es decir, aumentar) la sección transversal de esa porción.

Dentro de una topología dada, algunos componentes magnéticos se pueden colocar en serie, como un inductor y el devanado principal de un transformador en algunos convertidores resonantes. Por esa conexión en serie (o por otras razones, como formas de onda impuestas por una topología específica y un patrón de conmutación en concreto, algunos componentes magnéticos en el convertidor siempre pueden transportar corrientes que están sometidas a la misma frecuencia y con transiciones que están sincronizadas en fase. Para esos componentes, la integración de componentes magnéticos puede ser más sencilla, ya que las líneas de flujo a través de las porciones del núcleo de esos dos componentes magnéticos tienden potencialmente a cancelarse entre sí en todo momento. Como consecuencia, si se disponen en porciones sucesivas con ventanas y se enrollan en direcciones opuestas (regla de la mano derecha aplicada a la dirección del devanado para determinar la dirección del campo o flujo magnético resultante), el grosor de la porción perpendicular que los interconecta puede reducirse sin riesgo de saturación magnética.

No obstante, también podría darse el caso contrario. En algunos convertidores, debido a la topología y al patrón de conmutación, algunos componentes magnéticos podrían tener que transportar corrientes cuyas transiciones no están sincronizadas y/o cuyas frecuencias son diferentes (por ejemplo, un múltiplo natural, como doble). Si este es el caso, la integración de esos componentes en sucesivas porciones con ventanas dará lugar a subetapas en las que la porción perpendicular que las interconecta no se somete a una cancelación de flujo pero, a su vez, sí a una adición de flujo desventajosa.

Para ilustrar el problema, se selecciona la topología del conocido convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase. Es una de las topologías más comunes utilizadas en la industria. Normalmente, comprende tres componentes magnéticos:

• Inductor en serie, que se encarga de almacenar suficiente energía para cargar y descargar las capacitancias de salida de los semiconductores con conmutación suave.

• Transformador, que proporciona aislamiento galvánico entre la tensión de entrada y salida de CC, así como la posibilidad de aumentar o disminuir aún más la tensión gracias a su relación de transformación. La corriente que fluye a través de sus devanados tiene la misma frecuencia y transiciones sincronizadas con la corriente que fluye a través del inductor en serie.

• Inductor de salida, que se encarga de filtrar la corriente de salida. La corriente que fluye a su través es el doble de la frecuencia de la corriente a través del inductor en serie y a través de los devanados del transformador.

La figura 2 ilustra la topología básica de un convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase. Esta topología comprende cuatro interruptores controlables Q1-Q4 (por ejemplo, MOSFET o IGBT) dispuestos en la configuración clásica de puente completo para invertir la tensión de CC de entrada Vin en una tensión de CA intermedia. La tensión de CA intermedia tiene tres niveles de tensión posibles, Vin, 0 y -Vin y se introduce en la disposición en serie del inductor en serie Lr y en el devanado principal del transformador Tr. El devanado secundario del transformador se divide en dos mitades y se rectifica alternativamente gracias a dos diodos que se pueden reemplazar por interruptores controlables (por ejemplo, MOSFET o IGBT) para la denominada rectificación activa o rectificación síncrona, mejorando así la eficiencia a expensas de la complejidad, como se sabe hacer bien en la técnica. El inductor de salida Lout junto con el condensador adyacente filtran el suministro de salida hacia la carga. En la figura 2, los símbolos habituales de un triángulo y una flecha se emplean respectivamente para corrientes que fluyen a través de un conductor y tensiones entre dos nodos. El símbolo triangular de corriente tiene una de sus aristas perpendicular al conductor donde se mide la corriente y un vértice, denominados aquí respectivamente "base perpendicular" y "vértice de salida". El símbolo de tensión con flecha tiene un "extremo sin nada" y otro "extremo con flecha".

Respecto a este convertidor, las figuras 3a-3b muestran las formas de onda de estado estable más representativas en un modelo ideal simulado (es decir, el convertidor funcionando correctamente). Las magnitudes mostradas en cada uno de los gráficos se pueden identificar a través de la etiqueta correspondiente en la figura 2, en donde un valor de corriente positivo (para magnitudes que comienzan con "I") corresponde a la dirección de la corriente a través del conductor respectivo, desde la base perpendicular del símbolo triangular al vértice de salida y viceversa, de valores de corriente negativos, y en donde un valor de tensión positivo (para magnitudes que comienzan con "V") corresponde al caso en que la tensión del nodo con el extremo sin nada es mayor que la tensión del nodo con el extremo con flecha, y viceversa, de valores de tensión negativos. La persona experta en la materia conoce de sobra el principio de funcionamiento de la topología y sus formas de onda y, por lo tanto, se evita su descripción general.

El documento CN210039873U divulga un transformador que incluye una estructura magnética y un conjunto de bobinas. La estructura magnética incluye un miembro superior, un miembro inferior y una pluralidad de patas que se extienden entre el miembro superior y el miembro inferior. La pluralidad de patas incluye dos patas externas. El conjunto de bobinas se enrolla alrededor de las dos patas externas de la estructura magnética y se acopla eléctricamente en serie.

El documento EP3401935A1 divulga un componente magnético integrado para un convertidor de potencia que incluye convertidores configurados para funcionamiento intercalado. El componente magnético integrado incluye un primer yugo y un segundo yugo y para cada convertidor una pata portadora de un devanado, que comprende un devanado principal y un devanado secundario, en donde el devanado principal y el devanado secundario están enrollados en la respectiva pata portadora del devanado.

El documento EP3349224A1 divulga un componente magnético integrado para un convertidor de potencia conmutado. El componente magnético integrado comprende una única estructura de núcleo magnético formada por elementos de núcleo magnético, en donde al menos uno de los elementos de núcleo magnético es un elemento de núcleo de pata con una brida y hay una o más patas dispuestas en un lado de la brida.

El documento EP3133614A1 divulga un componente magnético integrado para un convertidor de potencia conmutado, que incluye un transformador con dos elementos de núcleo de transformador y al menos un elemento de núcleo de estrangulador. Cada elemento de núcleo comprende dos patas externas y una brida que conecta las patas externas para formar elementos de núcleo en forma de U. Cada elemento de núcleo de estrangulador hace tope con una brida de uno de los elementos de núcleo de transformador.

Problema que debe resolverse

No obstante, vale la pena resaltar algunos aspectos relevantes de las formas de onda de la figura 3. Cada período de conmutación 302 se puede dividir en cuatro subetapas 304, 306, 308 y 310. La corriente en el inductor en serie Lr y la corriente en el devanado principal del transformador Tr es, por definición, la misma (ltr_pri), ya que están dispuestos en serie. Por lo tanto, la integración de esos dos componentes magnéticos puede derivar en la cancelación del flujo. Por otro lado, la corriente a través del inductor de salida Lout tiene una corriente de CC alta con una ondulación de CA superpuesta. Como resultado, la densidad de flujo en el inductor de salida tiene una alta polarización en CC. Adicionalmente, la frecuencia de la forma de onda de corriente a través del inductor de salida Lout se duplica con respecto a la de los otros dos componentes magnéticos (transformador Tr e inductor en serie Lr). Por lo tanto, dado que la integración de los tres componentes magnéticos implica que el inductor de salida, en la estructura de núcleo, debe ser adyacente a uno de los otros dos componentes magnéticos restantes (transformador Tr e inductor en serie Lr), los flujos en la porción perpendicular adyacente al inductor de salida Lr, al menos para algunas de las subetapas 304, 306, 308 y 310, se añaden en lugar de cancelarse, generando así en un campo magnético excesivo en el núcleo del transformador. Como resultado, puede producirse saturación en uno o algunos componentes magnéticos de la estructura, lo que hace que el sistema falle, a menos que el diseño tenga en cuenta las posibles adiciones de flujo de manera apropiada.

La figura 4 muestra un ejemplo esquemático de la integración de los tres componentes magnéticos del convertidor de CC-CC de puente completo con cambio de fase en una estructura de núcleo 100 sin tener en cuenta las enseñanzas de la presente invención. Alrededor de la pata central de la primera porción con ventanas 102-1, se dispone el devanado 302-1 del inductor en serie Lr; como ya se ha explicado, la pata central del núcleo tiene un entrehierro para que la inductancia del inductor en serie Lr pueda ajustarse con una buena resolución según el valor decidido en una fase de diseño anterior. Alrededor de la pata central de la segunda porción con ventanas 102-2, está dispuesto el devanado principal 302-2-1 del transformador Tr, junto con los devanados secundarios 302-2-2 y 302-2-3 del mismo transformador. Normalmente no se concibe ningún entrehierro en las porciones que reciben los devanados de los transformadores, con la excepción de los transformadores de retroceso, ya que el valor de sus inductancias equivalentes (y, en concreto, de su inductancia magnetizante) no suele ser importante. Vale la pena mencionar que, desde un punto de vista magnético, el devanado principal 302-2-1 del transformador Tr puede considerarse un generador de flujo magnético, mientras que los devanados secundarios 302-2-2 y 302-2-3 pueden considerarse meros receptores pasivos de flujo magnético y pueden ignorarse para comprender lo que sucede en las porciones perpendiculares 104-1 y 104-2 con respecto a la adición o cancelación de flujo entre los componentes ubicados en las porciones con ventanas 102-1 frente a 102-2 y 102-2 frente a 102-3, respectivamente. No hace falta decir que los devanados 302-1 y 302-3 del inductor en serie Lr y el inductor de salida Lout, respectivamente, deben considerarse generadores de flujo magnético. Alrededor de la pata central de la tercera porción con ventanas 102-3, se dispone el devanado 302-3 del inductor de salida Lout; como ya se ha explicado, la pata central del núcleo también tiene un entrehierro para que la inductancia del inductor en serie Lout pueda ajustarse con una buena resolución según el valor decidido en una fase de diseño previa.

Como se muestra en la figura 2, el inductor en serie Lr y el devanado principal del transformador T r deben conectarse en serie; en este sentido, la figura 4 muestra cómo se debe disponer esa conexión en serie, de modo que la cancelación de flujo en la porción perpendicular 104-1 compartida por el devanado principal una corriente ltr_pri derive en la cancelación de flujo: tal y como está enrollado en la figura 4, una corriente positiva ltr_pri, es decir, que fluye hacia abajo en el conductor alrededor de la pata central del devanado principal 302-2-1 de la segunda porción con ventanas 102-2, genera por lo tanto (regla de la mano derecha) un flujo que asciende a través de la pata central de la segunda porción con ventanas 102-2, fluye por el interior de la segunda porción perpendicular 104-2 desde su centro a su periferia, fluye hacia abajo a través de las paredes periféricas de la segunda porción con ventanas 102-2 y fluye por dentro de la primera porción perpendicular 104-1 desde su periferia hasta su centro; entretanto, tal y como está enrollado en la figura 4, esa la corriente positiva ltr_pri también fluye hacia abajo del conductor alrededor de la pata central del devanado 302-1 del inductor en serie Lr, generando así (regla de la mano derecha) un flujo que asciende a través de la pata central (y entrehierro) de la primera porción con ventanas 102-1, fluye por el interior de la primera porción perpendicular 104-1 desde su centro a su periferia, fluye hacia abajo a través de las paredes periféricas de la primera porción con ventanas 102-1 y fluye por el interior de la porción inferior 122 de la estructura desde su periferia hasta su centro. Al contrario, también ocurriría si ltr_pri fuera negativa, es decir, fluyera hacia arriba, donde la dirección de los flujos sería la contraria a la citada anteriormente para el flujo descendente. Por lo tanto, en la porción perpendicular 104-1 que interconecta las porciones con ventanas 102-2 y 102-1 respectivamente del transformador Tr y del inductor en serie Lr, el flujo tiende a cancelarse, pues el flujo generado por el devanado principal 302-2-1 del transformador y el flujo generado por el devanado 304-1 tienen siempre (es decir, independientemente de la dirección de la corriente ltr_pri) direcciones opuestas. Esto, a su vez, provoca la cancelación del flujo: es decir, el valor absoluto del flujo magnético resultante que discurre a través de la porción perpendicular 104-1 es siempre menor que el que discurre a través de la porción inferior 122 de la estructura central 100. Esto se puede utilizar ventajosamente para reducir el grosor de la primera porción perpendicular 104-1.

A diferencia de la primera porción perpendicular 104-1, lo que sucede en la segunda porción perpendicular 104-2 es completamente diferente, siendo la razón la forma de onda de la corriente ILout del inductor de salida Lout. Como puede observarse en la figura 3b, la corriente de salida ILout que fluye a través del inductor de salida Lout siempre es positiva. Esto, a su vez, deriva en un flujo magnético generado siempre con la misma polaridad. Esto es lo que se ha denominado anteriormente "alta polarización en CC". La consecuencia es que el flujo de polaridad alterna generado por el devanado principal 302-2-1 del transformador Tr tal y como está enrollado en la figura 4 tenderá a cancelar el flujo generado por el devanado 302-3 del inductor de salida Lout solo durante la mitad del período 302. En concreto, tal y como está enrollado en la figura 4, el flujo generado por la corriente que fluye a través del devanado 302-3 del inductor de salida Lout fluye siempre hacia arriba por la pata central (y el entrehierro) de la tercera porción con ventanas 102-3, por el interior de la porción superior 124 fluye siempre desde el centro hacia la periferia, por el interior de las paredes periféricas de la tercera porción con ventanas 102-3 fluye siempre hacia abajo y, finalmente, por el interior de la segunda porción perpendicular 104-2 fluye siempre desde la periferia hacia el centro. Por lo tanto, tal y como está enrollado en la figura 4, solo durante las subetapas positivas 304 y 306 (es decir, subetapas de corriente positiva ltr_pri y tensión positiva Vtr_pri) del período de conmutación total 302, el flujo que discurre a través de la segunda porción perpendicular 104-2 generada por el devanado principal 304-2-1 del transformador Tr y por el devanado 304-3 del inductor de salida Lout tiende a cancelarse. Por otra parte, tal y como está enrollado en la figura 4, durante las subetapas negativas 308 y 310 (es decir, subetapas de corriente negativa ltr_pri y tensión negativa Vtr_pri) del período de conmutación total 302, el flujo que discurre a través de la segunda porción perpendicular 104-2 generado por el devanado principal 304-2-1 del transformador Tr y por el devanado 304-3 del inductor de salida Lout tiende a la adición. En cuanto a la mayoría de los componentes, también se debe tener en cuenta el peor de los casos en componentes magnéticos: se debe evitar la saturación en todo momento. Por lo tanto, la tendencia a la cancelación del flujo durante las subetapas positivas 304 y 306 es de poca utilidad. Las figuras 7a-b descritas en el apartado relativo a la "Descripción detallada de la invención" muestran mejor las direcciones de flujo para comprender lo descrito en este apartado y en el apartado inmediatamente anterior.

Si no se tienen en cuenta las consideraciones anteriores, la estructura de núcleo resultante 100 podría provocar la saturación de al menos uno de los componentes magnéticos que comparten la porción perpendicular 102-2, donde puede producirse la adición de flujo. Antes de lograr la presente invención, a los inventores les había resultado difícil establecer un enfoque de diseño sistemático de componentes magnéticos integrados que evitara la saturación. La figura 5 es un ejemplo de lo mismo: muestra la saturación observada en el laboratorio de un prototipo construido sin emplear las enseñanzas de la presente invención. Las formas de onda de la corriente capturadas en los canales 4, 3 y 1, que fluyen respectivamente a través del inductor de salida Lout, uno de los devanados secundarios del transformador Tr y el devanado principal del transformador (y el inductor en serie Lr) muestran signos de saturación. Esos signos son una desviación del aumento lineal habitual de la corriente del inductor hacia un aumento más rápido que debe evitarse, como comprende con facilidad una persona experta en la materia. El núcleo ha perdido en esas áreas, indicadas con líneas discontinuas en la figura 5, sus propiedades magnéticas habituales, lo que deriva en una pérdida de inductancia que permite variaciones de corriente que son indeseablemente más rápidas que el comportamiento esperado.

Se han realizado algunos trabajos con respecto a la integración de componentes magnéticos en general y con respecto a la integración de los tres componentes magnéticos del convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase en particular. No obstante, hay una falta de investigación para la integración de componentes magnéticos cuyos devanados generan un flujo que no puede ser cancelado por el flujo generado por los devanados de otros componentes magnéticos en la estructura integrada, como es el caso del inductor de salida en el convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase.

Sumario de la invención

El objetivo de esta invención es proporcionar la enseñanza general (es decir, un enfoque sistemático) para permitir la integración de un conjunto de componentes magnéticos que incluyen un componente magnético, cuya forma de onda de corriente genera un flujo que no puede cancelarse con el flujo generado por las formas de onda de corriente de cualquier otro componente magnético que se integre con el mismo. De manera más específica, la presente invención permite a la persona experta en la materia integrar en la misma estructura de núcleo el inductor de salida junto con el inductor en serie y el transformador para un convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase.

En un primer aspecto, la invención está definida por el convertidor de potencia de la reivindicación 1. Otras características opcionales se definen en las reivindicaciones dependientes. La estructura de núcleo integrada es conveniente para integrar los componentes magnéticos de un convertidor de potencia, comprendiendo cada uno de los componentes magnéticos al menos un devanado. La estructura de núcleo integrada comprende una pluralidad de porciones con ventanas y una pluralidad de porciones perpendiculares. Cada una de las porciones con ventana está dispuesta sucesivamente en una primera dirección, en donde un área de proyección de la estructura está definida por la proyección de la estructura de núcleo integrada en un primer plano. El primer plano es un plano perpendicular a la primera dirección y que no se interseca con la estructura de núcleo integrada. Adicionalmente, las porciones con ventanas están definidas por una proyección respectiva en el primer plano si se aíslan de la estructura de núcleo integrada que no coincide con el área de proyección de la estructura, de modo que al menos una ventana se aloja en cada una de la pluralidad de porciones de ventana y se adapta para recibir el al menos un devanado de uno de los al menos dos componentes magnéticos. Cada una de las porciones perpendiculares está dispuesta entre dos porciones con ventanas consecutivas y es inmediatamente adyacente a ellas, de modo que haya una sucesión alternativa de porciones con ventanas y porciones perpendiculares en la estructura de núcleo integrada. Adicionalmente, las porciones perpendiculares están definidas por un grosor respectivo en la primera dirección de cada una de ellas y por una proyección sobre el primer plano común de todas ellas si están aisladas de la estructura de núcleo integrada y coinciden con el área de proyección de la estructura. El grosor de cada una de la pluralidad de porciones perpendiculares se ajusta al valor pico absoluto más alto del flujo magnético resultante que tiene que fluir a través de la respectiva porción perpendicular como consecuencia de la agregación de cada uno de los respectivos flujos que deben generar los devanados para ser recibidos en las respectivas ventanas que se alojarán en cada una de las dos porciones con ventanas inmediatamente adyacentes a la respectiva porción perpendicular, de modo que no se sobrepase la densidad de flujo máxima del material de la respectiva porción perpendicular.

Un método para formar una disposición de componentes magnéticos integrados, que no forma parte de la presente invención, que comprende las siguientes etapas:

• (S0a) opcionalmente, concebir la topología y el valor más representativo de cada uno de sus componentes para un convertidor, en función de ciertas especificaciones de diseño;

• (S0b) opcionalmente, definir el convertidor real, que comprende, con cada uno de los componentes, seleccionar un componente real específico de un catálogo o diseñar un componente real individual, en donde, para el caso de componentes magnéticos, se debe hacer un diseño individual para cada uno de ellos con núcleos compatibles, estando determinada dicha compatibilidad por presentar sustancialmente la misma forma y tamaño en todas las porciones de los núcleos destinados a actuar como porciones superior o inferior en caso de que estuvieran apilados en una primera dirección;

• opcionalmente, repetir las etapas de concepción y definición en un proceso reiterativo hasta que se cumplan las especificaciones de diseño;

• clasificar los componentes magnéticos de la topología en grupos, en donde la condición para pertenecer a un grupo común de dos o más componentes magnéticos es que esos componentes magnéticos no provoquen la adición de flujo en las porciones perpendiculares formadas por las respectivas porciones superior e inferior si estuvieran apilados juntos;

• primero, ordenar los componentes magnéticos dentro de cada uno de los grupos que no están ocupados por un solo componente magnético según el valor de flujo pico absoluto más alto;

• segundo, ordenar los grupos entre sí según los valores de flujo pico absoluto más altos y más bajos del o los componentes magnéticos dentro de los grupos, finalizando así la ordenación de los componentes magnéticos dentro de una estructura de núcleo integrada;

• determinar la dirección de devanado de los devanados de todos los componentes magnéticos de modo que se pueda maximizar la cancelación de flujo y se pueda minimizar la adición de flujo en las porciones perpendiculares; y

• redefinir el grosor de cada una de las porciones perpendiculares según el valor de flujo pico absoluto más alto para que fluya a través de la respectiva porción perpendicular y el valor de densidad de flujo pico del material de la respectiva porción perpendicular, de manera que el grosor de la porción perpendicular sea suficiente para cumplir con ese valor máximo de densidad de flujo sin sobredimensionamientos innecesarios.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1a muestra la estructura de varios componentes magnéticos integrados con un núcleo de una pieza.

La figura 1b muestra la estructura de varios componentes magnéticos integrados con una pila de núcleos.

La figura 2 muestra la topología de un convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase.

Las figuras 3a y b muestran las formas de onda de estado estable ideales de un convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase.

La figura 4 muestra la estructura de la figura 1b que recibe los devanados para la integración de los componentes magnéticos del convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase de la figura 3.

La figura 5 muestra las formas de onda del osciloscopio de laboratorio de magnitudes de varios componentes magnéticos integrados sin emplear las enseñanzas de la presente invención.

La figura 6 muestra un enfoque sistemático para la integración de componentes magnéticos en una estructura de núcleo común según la presente invención.

Las figuras 7a y b muestran las direcciones de flujo de la disposición que se muestra en la figura 4 como parte del análisis que se realizará en el enfoque de la figura 6.

La figura 8 ilustra conceptualmente las modificaciones en las porciones perpendiculares que se deben realizar para evitar la saturación y que se pueden realizar para optimizar el tamaño, el peso y los costos.

La figura 9 muestra las formas de onda de un prototipo real de un puente completo con cambio de fase con componentes magnéticos integrados cuya estructura central tiene una porción perpendicular agrandada y no sufre saturación en ninguno de los componentes magnéticos integrados.

Descripción de las realizaciones

La presente invención proporciona al lector un enfoque sistemático para el diseño de una estructura de núcleo adecuada para componentes magnéticos integrados en un convertidor de potencia.

El enfoque puede seguir el esquema representado en la figura 6. Una primera etapa previa S0a, que en realidad no tiene nada que ver con el diseño de componentes magnéticos en general, se ocupa de la concepción del convertidor ideal, en donde se define un primer conjunto de salidas que comprenden salidas ideales en función de las especificaciones de diseño. Esta etapa depende en gran medida de las habilidades del ingeniero de diseño, de lo contrario, el abanico posible de topologías y parámetros es demasiado amplio. Una lista no exhaustiva de especificaciones de diseño puede comprender la tensión de salida objetivo (o intervalo de tensión) del convertidor, la tensión de entrada (o intervalo de tensión), la ondulación deseada de la tensión de salida, la ondulación deseada de la corriente del inductor, la respuesta transitoria frente a cambios de carga, la respuesta transitoria frente a cambios en la entrada, el tamaño o peso máximo del convertidor y los requisitos de compatibilidad electromagnética (como las emisiones EMC). Una lista no exhaustiva de salidas ideales obtenidas en función de esas especificaciones de diseño puede comprender la topología que se utilizará y los valores ideales de los componentes: inductancia nominal de los inductores, capacitancia nominal de los condensadores, la relación de transformación de los transformadores, junto con formas de onda ideales de las corrientes y tensiones y sus valores RMS y pico. Esta etapa ya la conocen bien las personas expertas en la materia del diseño de convertidores.

Una segunda etapa previa, S0b, que tiene que ver con los componentes magnéticos en general, pero que tiene poco que ver con el diseño de los componentes magnéticos integrados en particular, se ocupa de la definición del convertidor real, en donde se define un segundo conjunto de salidas que comprenden salidas reales en función del primer conjunto de salidas que comprende salidas ideales. Para definir el convertidor real al que se hace referencia en el presente documento, los valores ideales obtenidos en la primera etapa anterior se traducen en esta segunda etapa anterior en componentes reales, ya sea elegidos de un stock ya existente (por ejemplo, selección de condensadores e interruptores controlables) o diseñados, como los componentes magnéticos, que en esta etapa se diseñarán como si fueran a elaborarse con estructuras individuales de núcleo no integrado. Con respecto al diseño magnético integrado, posiblemente el único aspecto que deba tenerse en cuenta es que los tamaños y formas de los núcleos utilizados para cada uno de los componentes magnéticos diseñados individualmente de esta etapa deben ser físicamente compatibles. En este contexto, por "físicamente compatible" se entiende que las porciones superior e inferior del núcleo tenido en cuenta en cada uno de los componentes magnéticos individuales tienen la misma proyección sobre un plano paralelo a la porción superior (e inferior) que es externa al núcleo tenido en cuenta; otros parámetros como la altura, el tamaño y la forma de las paredes periféricas y la pata central (si la hay) pueden variar entre los diferentes componentes magnéticos reales diseñados. Se comprueba el rendimiento del convertidor con los componentes reales elegidos o diseñados, por ejemplo, mediante simulación, cálculos asistidos por ordenador (con una hoja de cálculo) o, si es lo suficientemente simple, mediante cálculos hechos a mano con papel y bolígrafo. De esta manera, se obtienen formas de onda reales y valores como la ondulación, picos o promedios y, junto con las características físicas de los componentes reales, luego se pueden comparar con las formas de onda y los valores ideales y con las especificaciones de diseño (como tensiones, corrientes y tamaños objetivo). En caso de discrepancias, los componentes reales pueden volver a seleccionarse alternativamente de un stock ya existente o rediseñarse, repitiendo de nuevo la etapa S0b, en donde la entrada para la ejecución posterior de la etapa S0b podrían ser las formas de onda reales y los valores calculados en la ejecución previa de la etapa S0b, en lugar de los ideales generados por la etapa S0a. En caso de grandes discrepancias, incluso los componentes ideales pueden sufrir modificaciones, repitiéndose así la etapa S0a y, seguidamente, la S0b de nuevo. De esta manera, se puede establecer un proceso reiterativo.

Las etapas S0a, S0b y los dos cuadros de decisión Q01 y Q02 pueden considerarse etapas de diseño normales para el ingeniero experto en la materia del diseño de convertidores. Con respecto a la integración de componentes magnéticos, que comienza a partir de la etapa S1, la entrada para el enfoque de integración son los componentes magnéticos reales individuales (i) diseñados en la última ejecución de la etapa S0b (que deben cumplir con las especificaciones de diseño), (ii) como resultado de un método de diseño alternativo o (iii) simplemente proporcionados como parámetros de diseño de entrada. En cualquier caso, el enfoque actual es el mismo. La primera etapa S1 comprende una clasificación de los componentes magnéticos en grupos. Varios componentes magnéticos se clasifican en un grupo común si sus formas de onda de corriente pueden conducir una integración que muestre un flujo resultante no aditivo. El flujo resultante aparecerá en las porciones perpendiculares de la futura estructura de núcleo integrada. Para determinar si una pluralidad de formas de onda de corriente k deriva en la posibilidad de presentar un flujo resultante no aditivo en las respectivas porciones perpendiculares k-1 que las interconectan, se puede hacer lo siguiente:

(1) sobre las formas de onda de corriente ideales (preferidas) o sobre las formas de onda de corriente real de los devanados generadores de flujo (es decir, inductores o devanados principales de transformadores), se aplica la función "signo". La función "signo", tal como se define en este documento, es una función aplicada a una forma de onda de corriente a lo largo del tiempo que genera un valor de 0 para los instantes en los que la corriente es sustancialmente cero y, si no, emite un valor 1 si la corriente es positiva o un valor -1 si la corriente es negativa. (2) Si para cada instante durante todo el período de conmutación del convertidor, la multiplicación de los valores de salida de la función "signo" de al menos dos formas de onda es siempre 0 o 1 o, alternativamente siempre 0 o -1, esas al menos dos formas de onda pueden derivar en un flujo resultante no aditivo y deben agruparse. Al contrario, si la multiplicación de la salida de la función "signo" aplicada sobre esas dos formas de onda muestra al menos para un primer instante el valor de producto 1 y al menos para un segundo instante distinto al primer instante el valor de producto -1, esas dos formas de onda no se pueden agrupar y deben clasificarse en grupos diferentes. (3) Cada componente magnético, cuya forma de onda de corriente no se puede agrupar con otra según las etapas (1) y (2), forma un grupo separado del o de los otros grupos.

Ahora que los grupos están formados, S2 se ocupa de la ordenación de los componentes magnéticos en la estructura integrada. Todos los componentes magnéticos que se encuentran en un grupo común se construirán usando sucesivas porciones con ventanas, como se define en el apartado "Antecedentes de la técnica" de la presente invención. En cada uno de los devanados considerados generadores de flujo magnético en un grupo con varios componentes magnéticos, los componentes están ordenados por pico absoluto de flujo, por ejemplo, en la porción del núcleo alrededor de la cual se enrolla el devanado generador de flujo. El término pico absoluto de una forma de onda es el valor absoluto máximo que alcanza la magnitud de esa forma de onda; dicho de otra forma, el valor máximo de todos los valores que presenta la forma de onda durante el período de conmutación después de haber aplicado la función de valor absoluto. El orden en ese grupo vendrá dado por el componente magnético con el valor de flujo pico absoluto más alto general durante todo el período de conmutación, situado en la posición inferior, el que tiene el segundo valor de flujo pico absoluto más alto se sitúa encima del que tiene el valor de flujo pico absoluto más alto... hasta que el que tiene el valor de flujo pico absoluto más bajo se coloca encima de todos los demás. La dirección del devanado debe definirse de modo que pueda producirse la cancelación del flujo, por ejemplo, mediante el uso de la regla de la mano derecha, perfectamente conocida por la persona experta. De esta forma, la máxima cancelación de flujo se puede obtener en la secuencia de componentes magnéticos. En cuanto a cómo calcular los valores de flujo, se puede hacer fácilmente con la conocida analogía entre circuitos magnéticos y circuitos eléctricos.

En cada uno de los pares de componentes magnéticos integrados inmediatamente sucesivos en un grupo con flujo resultante no aditivo, el grosor de la porción perpendicular que los interconecta no necesariamente tiene que ser siempre la agregación de las porciones inferior y superior de los componentes magnéticos diseñados individualmente pensados para formar esa porción perpendicular. En el peor de los casos, solo tiene que ser el grosor de aquel en el que la porción superior (o porción inferior) se someta al valor de flujo máximo absoluto más alto. La forma de onda de corriente a través del devanado generador de flujo de un componente magnético diseñado individualmente tiene la misma forma que el flujo a través de cualquier porción de su núcleo; por lo tanto, identificar los instantes en los que el flujo alcanza sus valores pico más alto y más bajo, los valores máximos absolutos más alto y más bajo o el valor sustancialmente cero, es suficiente para hacer referencia, respectivamente, a los instantes donde la forma de onda de corriente del componente magnético alcanza sus valores pico más altos y más bajos, los valores pico absolutos más alto y más bajo o el valor sustancialmente cero. En caso de que en el instante del valor pico absoluto más alto en la forma de onda de corriente de los componentes magnéticos que tiene el flujo pico absoluto más alto, la forma de onda de corriente del otro componente magnético del par no sea sustancialmente cero, el grosor de la porción perpendicular que los interconecta puede hacerse más pequeño que el de la porción superior (o inferior) del componente magnético que tiene el valor de flujo pico absoluto más alto según su diseño individual. Por lo tanto, aunque parece ser intuitivo que el grosor de la porción perpendicular debe ser el grosor de una de las porciones superior o inferior de los componentes como se diseñó originalmente para ambos lados de esa porción perpendicular respectiva, la realidad muestra que, gracias a la cancelación del flujo, el grosor se puede reducir. Esta reducción pertenecerá a la etapa S4 descrita más adelante.

Siguiendo con la descripción de la etapa S2, los componentes de cada grupo se consideran ordenados. Para aquellos grupos que tienen un solo componente magnético, el orden dentro del grupo no es ni necesario ni significativo, ya que resulta evidente. Ahora, los grupos deben ordenarse entre sí en la etapa S3. La parte inferior general de la estructura se puede reservar para el componente magnético que tiene el pico absoluto más alto de flujo magnético, como se diseñó individualmente en la etapa S0b. Si ese componente está dentro de un grupo con más de un componente magnético, el resto de los elementos ordenados en la etapa S2 seguirán de abajo hacia arriba. La parte superior general de la estructura se puede reservar para el componente magnético que tiene el segundo valor pico absoluto más alto general de flujo magnético, como se diseñó individualmente en la etapa S0b. Si ese componente está dentro de un grupo con más de un componente magnético, el resto de los elementos ordenados en la etapa S2 seguirán de arriba hacia abajo (y, por tanto, la subestructura formada por ese grupo rotará 180 grados con respecto a la descripción realizada en la etapa S2). En la mayoría de los convertidores, las instrucciones hasta ahora ya definen el orden de toda la estructura. Si no, es decir, en casos con al menos tres grupos diferentes después de la ejecución de S1, se determinará el orden y posible rotación de los grupos que se dispondrán entre los dos grupos ya colocados. Para este fin, se pueden tener en cuenta todas las combinaciones finitas posibles y el orden más razonable de los grupos restantes se puede hallar fácilmente en términos de minimizar las adiciones de flujo en las porciones perpendiculares que interconectan dos grupos diferentes. Esto se puede hacer con relativa facilidad con una hoja de cálculo, pero se debe tener cuidado en que este cálculo se tiene que hacer de acuerdo con la forma de onda del flujo, ya que las formas de onda de corriente solo las pueden reemplazar para evaluaciones cualitativas.

Para interconectar los componentes terminales de un grupo con uno sucesivo adyacente al mismo, ocurre lo contrario con respecto al caso de la interconexión de dos componentes magnéticos dentro de un grupo: debido a los eventos indeseables e inevitables de adición de flujo que se producirán, no es suficiente que el grosor de la porción perpendicular que interconecta esos dos componentes terminales corresponda al grosor de una de las porciones superior o inferior de esos componentes según el diseño original, como podría sugerir la intuición del diseñador o diseñadora. Esta ampliación pertenecerá a la etapa S4 descrita más adelante.

Como conclusión, se debe tener en cuenta la adición o cancelación de flujos. Los componentes individuales diseñados individualmente se conciben normalmente como una solución óptima en cuanto a tamaño, peso, precio y rendimiento. En la siguiente etapa de integración, si se siguiera sistemáticamente un enfoque conservador, en donde el grosor de cada porción perpendicular que interconecta dos componentes fuera equivalente al de la agregación de las porciones superior e inferior de los respectivos componentes magnéticos diseñados individualmente, los componentes integrados serían más grandes, más pesados y más caros de lo necesario. Si se adoptara el enfoque contrario, en donde el grosor de cada porción perpendicular que interconecta dos componentes fuera equivalente al de las porciones superior o inferior de los componentes diseñados individualmente, los componentes integrados podrían sufrir de saturación, incluso si se seleccionara el valor mayor de los dos grosores, lo que resulta en un rendimiento deficiente o incluso en daños a los componentes magnéticos, otros componentes, todo el convertidor, la fuente de alimentación o la carga.

Esta es la razón por la que el enfoque que se muestra en la figura 6 se refiere a una última etapa S4, que trata sobre la redefinición del grosor en las porciones perpendiculares. En la etapa S4, el ingeniero debe tener en cuenta el valor absoluto máximo para todo el período de conmutación de la adición de flujo resultante de las porciones perpendiculares destinadas a interconectar dos grupos diferentes y el valor absoluto máximo para todo el período de conmutación de la cancelación de flujo resultante de las porciones perpendiculares destinadas a interconectar dos componentes magnéticos dentro de un grupo. En esta etapa, el cálculo cuantitativo debe hacerse nuevamente según la forma de onda del flujo, ya que las formas de onda de corriente solo las pueden reemplazar para evaluaciones cualitativas. Una vez que se han calculado los valores absolutos máximos para las adiciones y cálculos de flujo resultantes, el área necesaria en cada una de las porciones perpendiculares se puede calcular fácilmente dividiendo cada valor absoluto máximo del flujo resultante por la densidad de flujo máxima del material del núcleo seleccionado, por ejemplo, que se define en la etapa S0b. El grosor necesario en cada una de las porciones perpendiculares vendrá dado por la profundidad de las porciones superiores (o la inferior compatible, que debe ser la misma) diseñadas individualmente, en donde la profundidad es el tamaño del núcleo en una dirección perpendicular al papel en las figuras 7a-b y 8 y en la vista superior de las figuras 1a-b.

Aunque la descripción de las etapas S1-S3 puede parecer compleja, esto se debe únicamente a que se ha proporcionado un enfoque sistemático que podría ser aplicable a un convertidor con un gran número de componentes magnéticos que vayan a integrarse. La realidad suele ser más sencilla y los convertidores normalmente tienen como máximo tres componentes magnéticos, como es el caso del convertidor de puente completo con cambio de fase. El lector apreciará a partir de las formas de onda de corriente ILout y ltr_pri (que también corresponden a la del inductor en serie Lr) que la clasificación de los componentes magnéticos en grupos según la etapa S1 es trivial para ese convertidor, habiendo un primer grupo formado por la inductancia serie Lr y el transformador T r y otro formado por la inductancia de salida Lout sola tras aplicar la ordenación propuesta en base a la función "signo". Suponiendo que la corriente a través del devanado del inductor de salida Lout conduce al valor de flujo máximo absoluto más alto en la porción superior/inferior del componente magnético diseñado individualmente, el orden dentro del grupo formado por el inductor en serie Lr y el transformador Tr también es obvio, estando colocado el inductor en serie Lr en la parte inferior general y, por lo tanto, teniendo el transformador Tr que interconectarse al inductor de salida Lout. El lector comprenderá que, en las etapas S2 y S3, la estructura se ha ordenado con varias referencias a la parte inferior y superior de la estructura de núcleo general solo como ejemplo, y que el componente magnético integrado resultante sería el mismo si cada una de las referencias se hiciera respectivamente al revés, es decir, en la parte superior e inferior de la estructura de núcleo general.

Las figuras 7a-7b muestran las adiciones y cancelaciones de flujo a lo largo de las cuatro subetapas 304, 306, 308 y 310 del período de conmutación completo 302, como se define en las figuras 3a-3b para el convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase de la figura 2. Se puede ver que, durante el ciclo negativo formado por la tercera subetapa 308 y la cuarta subetapa 310, se produce la adición de flujo y pueden producirse los efectos indeseables descritos anteriormente, a menos que el grosor de la porción perpendicular 104-2 se adapte a estas consideraciones. Adicionalmente, se puede ver que, durante el ciclo positivo formado por la primera subetapa 304 y la segunda subetapa 306, se produce la cancelación del flujo y el efecto positivo asociado a ello puede traducirse en una reducción del grosor de la porción perpendicular 104-2.

El núcleo de la invención es tan simple como eficaz. Teniendo en cuenta la enseñanza anterior, el diseñador o diseñadora de los componentes magnéticos integrados debe adaptar el grosor de las porciones perpendiculares a los valores máximos de flujo esperados de la forma de onda de corriente y la disposición de devanado prevista para, así, limitar la densidad de flujo agregado resultante de los dos componentes adyacentes por debajo de los límites del material del núcleo. Esto quiere decir que, en aquellas porciones perpendiculares que se interconectan con los componentes que derivan en la adición de flujo (es decir, en diferentes grupos según la etapa S1 si se sigue el enfoque de la figura 6), se proporcione un grosor mayor que cualquiera de las porciones superior e inferior de los componentes diseñados originalmente; y, en aquellas porciones perpendiculares que se interconectan con los componentes que derivan en la cancelación del flujo (es decir, dentro de un mismo grupo según la etapa S1 si se sigue el enfoque de la figura 6), se proporcione un grosor menor que el más grueso de las porciones superior e inferior de los componentes diseñados originalmente.

Para mostrarlo de manera ilustrativa, se proporciona la figura 8. En la figura 8, la porción perpendicular 104-2 es más grande. De esa manera, la porción perpendicular, que se interconecta con las porciones con ventanas 102-2 y 102-3 para recibir respectivamente los devanados del transformador Tr y el inductor de salida Lout, puede recibir de manera segura la adición de flujo indeseable e inevitable resultante. Adicionalmente, el grosor de la porción perpendicular 104­ 1 puede reducirse debido al efecto de cancelación de flujo positivo resultante de la disposición sucesiva en la estructura de núcleo 100 de los devanados del inductor en serie Lr y el transformador Tr, respectivamente en las porciones con ventanas 102-1 y 102-2.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un convertidor de potencia, que es un convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase, que comprende:

- componentes magnéticos (Lr, Tr, Lout), en donde, un primer componente magnético (Lr) comprende un inductor en serie (Lr), un segundo componente magnético (Tr) comprende un transformador (Tr), y un tercer componente magnético (Lout) comprende un inductor de salida (Lout);

- una estructura de núcleo integrada (100) que integra los componentes magnéticos (Lr, Tr, Lout), por lo que el inductor en serie (Lr) comprende un devanado (302-1), el transformador (Tr) comprende un devanado principal (302-2-1) y devanados secundarios (302-2-3), y el inductor de salida (Lout) un devanado (302-3);

comprendiendo la estructura de núcleo integrada (100):

(i) una pluralidad de porciones con ventanas (102-1, 102-2, 102-3), estando cada una de ellas:

- apilada sucesivamente en una primera dirección de apilamiento (A/A), siendo dicha primera dirección de apilamiento (A/A) a lo largo de la altura de la estructura de núcleo (100), en donde un área de proyección de la estructura (112) está definida por la proyección de la estructura de núcleo integrada (100) en un primer plano (110), siendo dicho primer plano (110) perpendicular a la primera dirección de apilamiento (A/A) y no intersecándose con la estructura de núcleo integrada (100), y

- definida por una respectiva área de proyección (118) de las porciones con ventanas (102-1, 102-2, 102-3) sobre el primer plano (110) tomada a una altura de la estructura de núcleo distinta a la que se toma el área de proyección de la estructura (112), dando como resultado un área de proyección de ventanas que no coincide con el área de proyección de la estructura (112), pues el área de proyección de ventanas (118) está vacía en algunas zonas debido a la presencia de ventanas provistas por las secciones con ventanas, de modo que se aloja al menos una ventana en cada una de la pluralidad de porciones con ventanas (102-1, 102-2, 102-3) para recibir el al menos un devanado (302­ 1, 302-2-1, 302- 2-2, 302-2-3, 302-3); y

(ii) una pluralidad de porciones de núcleo perpendiculares (104-1, 104-2), estando cada una de ellas:

- dispuesta entre dos porciones con ventanas consecutivas (102-1, 102-2, 102-3) e inmediatamente adyacente a las mismas, de modo que hay una sucesión alternativa de porciones con ventanas (102-1, 102-2, 102-3) y porciones de núcleo perpendiculares (104-1, 104-2) en la estructura de núcleo integrada (100), y

- definida por un respectivo grosor (116-1, 116-2) en la primera dirección de apilamiento (A/A) y por un área de proyección (114) sobre el primer plano (110) coincidente con el área de proyección de la estructura (112); en donde: el grosor (116-1, 116-2) a lo largo de la altura de cada una de la pluralidad de porciones perpendiculares (104-1, 104­ 2) es tal que, durante el uso del convertidor, el valor pico absoluto más alto del flujo magnético resultante, que fluye a través de la respectiva porción perpendicular (104-1, 104-2) como consecuencia de la agregación de cada uno de los respectivos flujos generados por los devanados (302-1,302-2-1, 302-2-2, 302-2-3, 302-3), recibidos en las respectivas ventanas alojadas en cada una de las dos porciones con ventanas (102-1, 102-2, 102-3) inmediatamente adyacentes a la respectiva porción perpendicular (104-1, 104-2), no sobrepasa la densidad de flujo máxima del material de la respectiva porción perpendicular (104-1, 104-2),

y en donde la pluralidad de porciones con ventanas comprende tres porciones con ventanas (102-1, 102-2, 102-3) y dos porciones perpendiculares (104-1, 104-2), en donde:

- la ventana de la primera porción con ventanas (102-1) recibe el devanado (302-1) del inductor en serie (Lr) del convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase;

- la ventana de la segunda porción con ventanas (102-2), dispuesta entre la primera porción con ventanas (102-2) y la tercera porción con ventanas (102-3) aloja los devanados principal y secundario (302-2-1, 302-2-2, 302-2-3) del transformador del convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase;

- la ventana de la tercera porción con ventanas (102-3) recibe el devanado (302-3) del inductor de salida (Lout) del convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase.

2. El convertidor de potencia de la reivindicación 1, en donde cada una de las porciones con ventanas (102-1, 102-2, 102-3) comprende paredes periféricas y, preferentemente, en donde al menos una de las porciones con ventanas (102-1, 102-2, 102-3) comprende una pata central, y, más preferentemente, en donde al menos una pata central comprende un entrehierro (120-1, 120-3).

3. El convertidor de potencia de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el devanado principal (302-2­ 1) del transformador (Tr) y el devanado (302-1) del inductor en serie (Lr) están enrollados en la misma dirección, de modo que el flujo resultante en la primera porción perpendicular (104-1) experimenta una cancelación de flujo durante el funcionamiento del convertidor CC-CC de puente completo con cambio de fase.

4. El convertidor de potencia de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el grosor de la primera porción perpendicular (104-1) es menor que el grosor de la segunda porción perpendicular (104-2).