ITMI20121245A1 - DC / DC CONVERTER WITH SELECTABLE COUPLING COEFFICIENT AND POWER INVERTER THAT USES THIS CONVERTER - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
SFONDO DELL’INVENZIONE BACKGROUND OF THE INVENTION
1. Ambito dell’invenzione 1. Scope of the invention
L’invenzione riguarda un convertitore DC/DC, e più in particolare un convertitore DC/DC che è in grado di cambiare un coefficiente di accoppiamento per produrre una tensione DC ad un livello di tensione richiesto e che seleziona inoltre un raddrizzatore per raddrizzare la tensione DC. The invention relates to a DC / DC converter, and more particularly a DC / DC converter which is capable of changing a coupling coefficient to produce a DC voltage at a required voltage level and which also selects a rectifier to rectify the voltage. A.D.
2. Descrizione dell’arte nota 2. Description of the known art
Con riferimento alla Fig. 5, un inverter convenzionale per convertire una tensione DC di ingresso in una tensione AC di uscita include principalmente tre stadi, un’unità di innalzamento 50, un convertitore DC/DC 60 e un convertitore DC/AC 70. Il convertitore DC/DC 60 comprende principalmente un trasformatore TI e un raddrizzatore a ponte formato da quattro diodi D2-D5. With reference to Fig. 5, a conventional inverter for converting an input DC voltage to an AC output voltage mainly includes three stages, a boost unit 50, a DC / DC converter 60 and a DC / AC converter 70. The DC / DC converter 60 mainly comprises a transformer T1 and a bridge rectifier formed by four diodes D2-D5.
La configurazione a tre stadi dell’inverter convenzionale è complicata e ad alto consumo energetico. Quando la tensione DC di ingresso sul condensatore CI è relativamente bassa, un’unità di innalzamento 50 deve aumentare la tensione del condensatore Cl. Quindi ci sarà una maggiore perdita di energia derivante dall’unità di innalzamento 50 quando la tensione DC di ingresso è bassa. The three-stage configuration of the conventional inverter is complicated and energy-intensive. When the DC input voltage on the capacitor CI is relatively low, a raising unit 50 must increase the voltage of the capacitor Cl. So there will be a greater loss of energy resulting from the raising unit 50 when the DC input voltage is low.
SOMMARIO DELL’INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION
Scopo principale della presente invenzione è fornire un convertitore DC/DC che abbia una configurazione circuitale relativamente semplice e che sia in grado di cambiare un coefficiente di accoppiamento di un trasformatore per produrre una tensione DC in un livello di tensione richiesto e per selezionare i diodi appropriati per formare un raddrizzatore per raddrizzare la tensione DC. The main purpose of the present invention is to provide a DC / DC converter which has a relatively simple circuit configuration and which is capable of changing a coupling coefficient of a transformer to produce a DC voltage at a required voltage level and to select the appropriate diodes. to form a rectifier to straighten the DC voltage.
Il convertitore DC/DC secondo la presente invenzione comprende un circuito a ponte pieno, un trasformatore ed un’unità di raddrizzamento . The DC / DC converter according to the present invention comprises a full bridge circuit, a transformer and a rectification unit.
Il circuito a ponte pieno ha quattro transistori di potenza per formare due terminali di ingresso e due terminali di uscita, in cui i due terminali di ingresso sono atti a collegarsi ad una tensione DC di alimentazione. The full bridge circuit has four power transistors to form two input terminals and two output terminals, wherein the two input terminals are adapted to connect to a DC supply voltage.
Il trasformatore ha un lato primario e un lato secondario. Il lato primario ha un avvolgimento primario collegato ai due terminali di uscita del circuito a ponte pieno. Il lato secondario ha un avvolgimento stazionario e almeno un avvolgimento selezionabile collegati in serie. L’avvolgimento selezionabile è collegato all’unità di raddrizzamento. The transformer has a primary side and a secondary side. The primary side has a primary winding connected to the two output terminals of the full bridge circuit. The secondary side has a stationary winding and at least one selectable winding connected in series. The selectable winding is connected to the straightening unit.
L’unità di raddrizzamento è formata da molteplici diodi e collegata al lato secondario del trasformatore. The rectification unit is made up of multiple diodes and connected to the secondary side of the transformer.
In base alla grandezza della tensione DC di alimentazione, il coefficiente di accoppiamento del trasformatore può essere cambiato accendendo o spegnendo l’interruttore dell’avvolgimento selezionabile. Quindi, il trasformatore avrà un coefficiente di accoppiamento appropriato per produrre una tensione DC ad un livello di tensione richiesto sul lato secondario. Quando l’interruttore sì accende, un raddrizzatore viene formato da quattro dei diodi per raddrizzare la tensione DC prodotta. Based on the magnitude of the DC power supply voltage, the coupling coefficient of the transformer can be changed by turning the selectable winding switch on or off. Hence, the transformer will have an appropriate coupling coefficient to produce a DC voltage at a required voltage level on the secondary side. When the switch turns on, a rectifier is formed by four of the diodes to rectify the DC voltage produced.
Altri scopi, vantaggi e nuove caratteristiche deirinvenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione dettagliata seguente quando presa in combinazione con i disegni allegati. Other objects, advantages and novel features of the invention will become clearer from the following detailed description when taken in combination with the accompanying drawings.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La Fig. 1 è uno schema circuitale di un inverter di potenza comprendente un convertitore DC/DC secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione; Fig. 1 is a circuit diagram of a power inverter comprising a DC / DC converter according to a first embodiment of the present invention;
La Fig. 2 è uno schema circuitale di un inverter di potenza comprendente un convertitore DC/DC secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione; e Fig. 2 is a circuit diagram of a power inverter comprising a DC / DC converter according to a second embodiment of the present invention; And
La Fig. 3 mostra un valore di soglia da confrontare con una tensione DC di alimentazione VDC della presente invenzione; Fig. 3 shows a threshold value to be compared with a DC supply voltage VDC of the present invention;
La Fig. 4 mostra due valori di soglia da confrontare con una tensione di ingesso DC VDC della presente invenzione; e Fig. 4 shows two threshold values to be compared with a DC input voltage VDC of the present invention; And
La Fig. 5 è uno schema circuitale di un inverter di potenza convenzionale. Fig. 5 is a circuit diagram of a conventional power inverter.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA FORMA DI REALIZZAZIONE PREFERITA DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
Con riferimento alla Fig. 1, come esempio, un convertitore DC/DC 10 della presente invenzione viene applicato in un inverter di potenza 1. Oltre al convertitore DC/DC 10, l’inverter di potenza 1 include inoltre un convertitore DC/AC 20. L’inverter di potenza 1 converte una tensione DC di alimentazione VDC generata dall’energia solare in una tensione AC richiesta. With reference to Fig. 1, as an example, a DC / DC converter 10 of the present invention is applied in a power inverter 1. In addition to the DC / DC converter 10, the power inverter 1 also includes a DC / AC converter 20 The power inverter 1 converts a DC supply voltage VDC generated by solar energy into a required AC voltage.
II convertitore DC/DC 10 comprende un circuito a ponte pieno 11, un trasformatore TI e un’unità di raddrizzamento 13. The DC / DC converter 10 comprises a full bridge circuit 11, a transformer TI and a rectification unit 13.
Il circuito a ponte pieno 1 1 include quattro transistori di potenza Q1-Q4 per formare due terminali di ingresso e due terminali di uscita. I due terminali di ingresso sono collegati alla tensione DC di alimentazione VDC. Un condensatore bus DC CI è collegato ai terminali di uscita dell’unità di raddrizzamento 13. The full bridge circuit 11 includes four power transistors Q1-Q4 to form two input terminals and two output terminals. The two input terminals are connected to the DC supply voltage VDC. A DC bus capacitor CI is connected to the output terminals of the rectification unit 13.
L’unità di raddrizzamento 13 è formata da P diodi, in cui P=2M+2 e M è il numero di avvolgimenti secondari del trasformatore Tl. Poiché M è 2 in questa forma di realizzazione, l’unità di raddrizzamento 13 è formata da 6 diodi D1-D6. Ogni due dei diodi D1-D6 sono collegati in serie su un nodo corrispondente al-a3 per formare un ramo, e tutti i rami sono collegati in parallelo. Ad esempio, i diodi DI e D4 sono collegati in serie sul nodo al, i diodi D2 e D5 sono collegati in serie sul nodo a2, e i diodi D3 e D6 sono collegati in serie sul nodo a3. The rectifying unit 13 is formed by P diodes, where P = 2M + 2 and M is the number of secondary windings of the transformer Tl. Since M is 2 in this embodiment, the rectifying unit 13 is formed by 6 diodes D1-D6. Each two of the diodes D1-D6 are connected in series on a node corresponding to the-a3 to form a branch, and all the branches are connected in parallel. For example, diodes D1 and D4 are connected in series on node a1, diodes D2 and D5 are connected in series on node a2, and diodes D3 and D6 are connected in series on node a3.
II trasformatore Tl ha un lato primario e un lato secondario. Il primario ha un avvolgimento primario N 1 collegato ai terminali di uscita del circuito a ponte pieno 11. Il lato secondario ha M avvolgimenti secondari includenti un avvolgimento stazionario N2 ed almeno un avvolgimento selezionabile N3, in cui M = 2. In questa forma di realizzazione, ci sono un avvolgimento stazionario N2 e un avvolgimento selezionabile N3. The transformer Tl has a primary side and a secondary side. The primary has a primary winding N 1 connected to the output terminals of the full bridge circuit 11. The secondary side has M secondary windings including a stationary winding N2 and at least one selectable winding N3, where M = 2. In this embodiment , there are a stationary winding N2 and a selectable winding N3.
Inoltre, con riferimento alla Fig. 2 della seconda forma di realizzazione, il trasformatore Tl ha un avvolgimento stazionario N2 e due avvolgimenti selezionabili N3, N4. L’unità di raddrizzamento 13 ha quattro rami. Ognuno degli avvolgimenti N2, N3 e N4 sul lato secondario ha una prima estremità e una seconda estremità. Gli avvolgimenti N2, N3 e N4 sul lato secondario sono collegati in serie. Le due estremità dell’avvolgimento stazionario N2 sono collegate ai nodi a3 e a4 di due rami dell’unità di raddrizzamento 13. Per ognuno degli altri avvolgimenti selezionabili N3, N4, la prima estremità è collegata inoltre ad un nodo corrispondente al e a2 tramite un rispettivo interruttore SI, S2. Furthermore, with reference to Fig. 2 of the second embodiment, the transformer Tl has a stationary winding N2 and two selectable windings N3, N4. The straightening unit 13 has four branches. Each of the N2, N3 and N4 windings on the secondary side has a first end and a second end. The windings N2, N3 and N4 on the secondary side are connected in series. The two ends of the stationary winding N2 are connected to nodes a3 and a4 of two branches of the straightening unit 13. For each of the other selectable windings N3, N4, the first end is also connected to a node corresponding to and a2 by means of a respective switch YES, S2.
Il convertitore DC/AC 20 è collegato al convertitore DC/DC 10 per ricevere la tensione DC generata dal convertitore DC/DC 10 e poi converte la tensione DC nella tensione AC Vac. The DC / AC converter 20 is connected to the DC / DC converter 10 to receive the DC voltage generated by the DC / DC converter 10 and then converts the DC voltage into the AC Vac voltage.
Con riferimento alla Fig. 3, quando la tensione DC VDC è superiore ad un valore di soglia, il che significa che l’energia solare è sufficiente, l’interruttore SI collegato all’avvolgimento selezionabile N3 è controllato per spegnersi. Quindi l’avvolgimento selezionabile N3 è in una condizione di circuito aperto e disabilitato. Il trasformatore TI accoppia l’energia dall’avvolgimento primario NI all’avvolgimento stazionario N2. I quattro diodi D2, D3, D5, D6 dell’unità di raddrizzamento formano un raddrizzatore. I due diodi D2, D6 o gli altri due diodi D3, D5 nei diversi rami vengono fatti condurre alternatamente per trasferire l’energia al convertitore DC/AC 20. Il convertitore DC/AC converte inoltre la tensione di bus Vci nella tensione AC Vac richiesta. La corrente AC può essere fornita in un sistema elettrico a griglia. With reference to Fig. 3, when the DC VDC voltage is higher than a threshold value, which means that solar energy is sufficient, the SI switch connected to the selectable winding N3 is controlled to turn off. Therefore the selectable winding N3 is in an open and disabled circuit condition. The transformer TI couples the energy from the primary winding NI to the stationary winding N2. The four diodes D2, D3, D5, D6 of the rectification unit form a rectifier. The two diodes D2, D6 or the other two diodes D3, D5 in the different branches are made to conduct alternately to transfer the energy to the DC / AC converter 20. The DC / AC converter also converts the bus voltage Vci into the required AC Vac voltage. . AC power can be supplied in a grid electrical system.
Se la tensione DC VDC è relativamente bassa e inferiore al valore di soglia, l’interruttore SI verrà acceso (chiuso) per collegare i due avvolgimenti secondari N2, N3 in serie. Quando il numero degli avvolgimenti secondari N2, N3 collegati in serie aumenta, il trasformatore TI avrà un coefficiente di accoppiamento più alto per generare una tensione più alta sul lato secondario. In questa situazione, i diodi DI, D3, D4 e D6 dell’unità di raddrizzamento 13 formano un raddrizzatore. I due diodi DI, D6 o gli altri due diodi D3, D4 nei diversi rami vengono fatti condurre alternatamente per trasferire l’alta tensione sul lato secondario al convertitore DC/AC 20. Anche se la tensione DC di ingresso VDC dall’energia solare è relativamente bassa, la tensione di bus Vci sul condensatore bus DC CI viene aumentata per essere superiore alla tensione di picco del sistema elettrico a griglia in modo tale che la corrente AC generata (Iac) possa essere fornita nel sistema elettrico a griglia. If the DC VDC voltage is relatively low and below the threshold value, the SI switch will be turned on (closed) to connect the two secondary windings N2, N3 in series. As the number of secondary windings N2, N3 connected in series increases, the transformer T1 will have a higher coupling coefficient to generate a higher voltage on the secondary side. In this situation, the diodes DI, D3, D4 and D6 of the rectifying unit 13 form a rectifier. The two diodes DI, D6 or the other two diodes D3, D4 in the different branches are made to conduct alternately to transfer the high voltage on the secondary side to the DC / AC converter 20. Although the DC input voltage VDC from solar energy is relatively low, the bus voltage Vci on the DC bus capacitor CI is increased to be higher than the peak voltage of the grid electrical system so that the generated AC current (Iac) can be supplied into the grid electrical system.
Con riferimento alla Fig. 2, il numero degli avvolgimenti secondari del trasformatore TI può essere maggiore di due su richiesta per produrre un’alta tensione richiesta sul lato secondario. Quindi, due valori di soglia VTHI, VTH2 da confrontare con la tensione DC di alimentazione VDC vengono applicati per stabilire se gli interruttori SI, S2 dovrebbero essere accesi o spenti. With reference to Fig. 2, the number of secondary windings of the transformer TI can be greater than two upon request to produce a high voltage required on the secondary side. Then, two threshold values VTHI, VTH2 to compare with the DC supply voltage VDC are applied to determine whether switches SI, S2 should be on or off.
Con riferimento alle Figg. 2 e 4, se la tensione DC di alimentazione VDC è superiore ai due valori di soglia VTHI, VTH2, tutti e due gli interruttori SI, S2 sono spenti. L’energia sul lato primario del trasformatore TI è accoppiata solo aH’avolgimento stazionario N2. Se With reference to Figs. 2 and 4, if the DC supply voltage VDC is higher than the two threshold values VTHI, VTH2, both switches SI, S2 are off. The energy on the primary side of the transformer TI is coupled only to the stationary winding N2. Self
VTH2 = VDC= VTHI, solo il primo interruttore SI è acceso. Se la tensione DC di alimentazione VDC è inferiore al primo valore di soglia VTHI , solo il secondo interruttore S2 è acceso. Nella situazione in cui il secondo interruttore S2 è acceso, il trasformatore TI ha il coefficiente di accoppiamento più alto. I quattro diodi D3, D6 D7 e D8 formano in comune un raddrizzatore. I due diodi D7, D6 e gli altri due diodi D3 e D8 vengono fatti condurre alternatamente per trasferire l’energia sul lato secondario del trasformatore TI al convertitore DC/AC 20. VTH2 = VDC = VTHI, only the first switch YES is on. If the DC supply voltage VDC is lower than the first threshold value VTHI, only the second switch S2 is turned on. In the situation where the second switch S2 is turned on, the transformer T1 has the highest coupling coefficient. The four diodes D3, D6, D7 and D8 form a rectifier in common. The two diodes D7, D6 and the other two diodes D3 and D8 are made to conduct alternately to transfer the energy on the secondary side of the transformer TI to the DC / AC converter 20.
In conclusione, l’inverter di potenza include solo due stadi, un convertitore DC/DC e un convertitore DC/AC. La configurazione circuitale viene semplificata rimuovendo l’unità di innalzamento. Il convertitore DC/DC mantiene un’alta efficienza di conversione energetica anche se la tensione DC di alimentazione è relativamente bassa in livello di tensione. In conclusion, the power inverter includes only two stages, a DC / DC converter and a DC / AC converter. The circuit configuration is simplified by removing the raising unit. The DC / DC converter maintains a high energy conversion efficiency even if the DC power supply voltage is relatively low in voltage level.
Occorre tuttavia comprendere che, sebbene numerose caratteristiche e vantaggi della presente invenzione siano stati sottolineati nella descrizione precedente, insieme a dettagli della struttura e della funzione deirinvenzione, la descrizione è puramente illustrativa, e si possono fare delle modifiche in dettaglio, soprattutto in materia di forma, dimensione e disposizione delle parti entro i principi dell’invenzione nel limite massimo indicato dall’ampio significato generale dei termini in cui sono espresse le rivendicazioni allegate. However, it should be understood that, although numerous features and advantages of the present invention have been highlighted in the foregoing description, together with details of the structure and function of the invention, the description is purely illustrative, and modifications can be made in detail, especially in terms of shape. , size and arrangement of the parts within the principles of the invention within the maximum limit indicated by the broad general meaning of the terms in which the attached claims are expressed.
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