ITMI970583A1 - Convertitore dc/dc di elevata potenza - Google Patents

Description

Campo di applicazione dell'invenzione

La presente invenzione riguarda un convertitore di potenza di tipo DC/DC, in grado di convertire una tensione continua dell'ordine di 700-800 V in una tensione continua di valore inferiore, dell'ordine di 48-60 V, con potenze di uscita dell'ordine di 100 A o superiori.

L'invenzione trova vantaggiosa applicazione negli impianti di alimentazione per sistemi di telecomunicazione, ad esempio in centrali telefoniche, e sarà descritta nel seguito con particolare riferimento a tale impiego che tuttavia non è da intendersi in senso limitativo.

Negli impianti di alimentazione per sistemi di telecomunicazione, è necessario produrre una tensione continua (DC) di 48 V partendo da una rete di alimentazione trifase con p senza neutro, e con una potenza ih uscita da qualche kilowatt in su, con assorbimento sinusoidale dalla rete o con fattore di potenza unitario.

Per tale conversione diretta da rete vengono generalmente impiegati due stadi di conversione connessi in cascata, rispettivamente uno stadio di preregalazione ed un convertitore finale.

Dal punto di vista pratico, tenendo conto della massima tensione di rete, la tensione minima che si deve fare generare al primo stadio, e cioè al convertitore AC/DC, e' di 800 V, e tale stadio è schematizzabile con due generatori da 400 V collegati in serie. A partire da questo generatore si deve effettuare la seconda conversione (da 800 a 48 V). Il convertitore oggetto della presente invenzione riguarda proprio questo secondo stadio di conversione.

Rassegna dell'arte nota.

Secondo una nota soluzione illustrata nel dettaglio in figura 1 , per effettuare la conversione finale a partire dalla tensione di 800V disponibile dal primo stadio di conversione, viene utilizzata una configurazione a ponte intero operante sull'intera tensione di 800V generata dallo stadio di preregolazione.

Lo svantaggio di questa soluzione -consiste nel dovere necessariamente adoperare elementi di commutazione a tensione di rottura superiore ad 800V i quali presentano notoriamente una elevata caduta di tensione e sono lenti nella commutazione. Inoltre, operando questa topologia sull'intera tensione e non sulle singole tensioni generate dal primo stadio di conversione, non può dare alcun contributo ai bilanciamento delle due tensioni generate dal primo stadio di conversione.

In alternativa al ponte intero, è possibile adoperare un qualsiasi altro convertitore ma sempre con l'inconveniente di dover adoperare elementi di commutazione a tensione di lavoro superiore ad 800V.

. Secondo un'altra nota soluzione, vengono utilizzati due ponti interi o altri due qualsiasi convertitori, connessi In serie, ognuno dei quali è collegato ad una delle tensioni da 400V generati dal primo stadio di conversione.

Una configurazione di questo tipo è illustrata nel dettaglio in figura 2 ed in particolare tale soluzione comprende due convertitori DC/DC connessi in serie in ingresso ed in parallelo in uscita dopò i rispettivi filtri.

Questa soluzione permette di adoperare elementi di commutazione a tensione inferiore, cioè a tensione di rottura nominale di 400 V, ma presenta comunque l'inconveniente di una considerevole complessità circuitale. Infatti è necessario <' >generare gli impulsi di modulazione (PIU, PIL2) per due convertitori DC/DC, si hanno due filtri di uscita (L1, C1 ed 12, C2) e inoltre si debbono gestire i pilotaggi dei singoli convertitori in modo da effettuare il bilanciamento delle due tensioni generate dal primo stadio di conversione.

Scopi dell'Invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un convertitore DC/OC, previsto per il collegamento ad un primo convertitore AC/DC, con un numero ridotto di componenti di commutazione e aventi bassa tensione di iattura (breakdown voltage), cosi da risultare di costo ridotto e velocità di commutazione elevata.

Altro scopo è quello di realizzare uri convertitore del tipo di cui sopra che sia in grado di effettuare un bilanciamento automatico delle due tensioni generate dal primo stadio di conversione e che sia altresì, in grado di recuperare l'energìa magnetica . immagazzinata nell'induttanza dispersa del trasformatore.

Sommario deH'lnvenzione

L'invenzione consegue questi scopi mediante un convertitore dotato delie caratteristiche esposte nella rivendicazione 1. -Forma altresì oggetto della presente invenzione un raddrizzatore (rectifìer), del tipo comprendente due stadi di conversione connessi in cascata, realizzato conformemente a quanto illustrato nella rivendicazione 11.

Ulteriori vantaggiose caratteristiche formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Breve descrizione delle figure .

L'invenzione verrà ora descritta più dettagliatamente con riferimento a forme . realizzative preferite, ma non limitative, illustrate con riferimento ai disegni allegati in cui:

Le figure 1 e 2, mostrano altrettanti convertitori di tipo noto,

la Fig. 3 mostra lo schema elettrico del convertitore DC/DC realizzato in accordo alla presente invenzione;

la Fig. 4 illustra le forme d'onda di pilotaggio dei quattro interruttori SW di figura 3;

la Fig. 5 illustra schematicamente un raddrizzatore per la conversione diretta da rete che quale secondo stadio di conversione utilizza il convertitore DC/DC . realizzato in accordo alla presente invenzione.

Descrizione dettagliata di una forma preferenziale di realizzazione dell'Invenzione Con riferimento allo schema elettrico di Fig. 3, il convertitore secondo l'Invenzione è costituito da due sezioni, una delle quali è alimentata tra 400 V e 0 V, e l'altra tra - 400 V e 0 V.

. Nel seguito il terminale a 400 V viene anche indicato come terminale al potenziale più alto, quello a - 400 V come terminale al potenziale più basso, e il terminale a 0 (zero) Volt come terminale comune o a potenziale intermedio.

In altri termini, il converitiore secondo l'Invenzione può essere considerato come alimentato da due sorgenti di tensione in serie fra loro.

lì convertitore comprende un unico trasformatore T1, con due avvolgimenti primari indipendenti P1, P2, e due avvolgimenti secondari S1, S2 con un punto in comune ed un carico R1 collegato tra detto punto comune ed un terminale dei due avvolgimenti secondari, a valle di un filtro formato da elementi induttivi e capacitivi schematizzati con i riferimenti Le C.

L'avvolgimento primario P1 è collegato ai terminali a 400 V e 0 V, rispettivamente, tramite due diodi in serie D1 e D2 polarizzati inversamente. Più

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precisamente, un primo terminale 7 indicato cori PP1 in Fig. 3 - è collegato all'anodo di un diodo D1, il cui catodo è collegato al terminale a 400 V, mentre l’altro terminale o secondo terminale SP1 dello stesso avvolgimento primario P1 è collegato al catodo di un secondo diodo D2, il cui anodo è collegato al terminale comune a 0 V.

Inoltre, il primo terminale PP1 è collegato al terminale a 0 V tramite un interruttore elettronico controllato, indicato con SW2, ed il secondo terminale SP1 è collegato al terminale a 400 V tramite un interruttore elettronico controllato, Indicato con SW1.

Una configurazione analoga è prevista per il secondo avvolgimento primario P2, dove il primo terminale PP2 è collegato tramite un diodo D3 al potenziale maggiore della seconda sorgente (0 Volt in questo caso) e il secondo terminale SP2 ò collegato tramite un diodo D4 al potenziale minore (- 400 Volt in questo caso). I diodi D3 e D4, analogamente a quanto avviene per i diodi D1 e D2, risultano quindi polarizzati inversamente. Anche in tal caso una coppia di interruttori denominati SW3 ed SW4 collegano rispettivamente il primo terminale PP2 al terminale a 0 V, ed il »

secondo terminale SP2 al terminale a - 400 V.

I mezzi di commutazione Indicati genericamente con SW1, SW2, SW3 ed SW4 possono essere transistori, o MOSFET od IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistore), e vengono pilotati dai segnali DS1, DS2, 0S3, DS4 mostrati in Fig. 4, e costituiti da forme d'onda rettangolari con perìodo di commutazione indicato con T". Il tempo di conduzione DT dei singoli interruttori non può superare 0,5T (duty ciclo inferiore al 50%).

Il circuito funziona come un convertitore a ponte intero, nel senso che le forme d'onda di tensione e corrente sui quattro elementi di commutazione sono del tutto, silmiii a quelle degli elementi di commutazione di un ponte intero.

Essenziali per il corretto funzionamento sono i versi degli avvolgimenti nell'unico trasformatore, indicati in modo convenzionale mediante punti sullo schema, che garantiscono assieme agli associati- pilotaggi il bilanciamento dell'area tensione/tempo del trasformatore (garantendone la non saturazione).

Tenendo presente l'andamento dei segnali di pilotaggio di Fig. 4, durante il primo mezzo periodo della frequenza di commutazione il nucleo viene magnetizzato in un vèrso dalla chiusura contemporanea degli interruttori SW1 ed SW2 (mentre SW3 ed SW4 rimangono aperti) i quali applicano la tensione 400V ad uno dei primari del trasformatore T1. Nella rimanente parte del perìodo di commutazione i( nucleo viene magnetizzato in verso opposto dalla chiusura contemporanea degli interruttori SW3 ed SW4 (mentre SW1 ed SW2 sono aperti) i quali applicano la tensione -400V all'altro primario del trasformatore. Se le due tensioni 400 e - 400 sono uguali i tempi di chiusura degli interruttori devono essere uguali onde garantire il bilanciamento delle aree tensioneAempo applicate al trasformatore (altrimenti il trasformatore satura).

Da studi condotti dalia richiedente è emerso che piccole differenze delle due tensióni di alimentazione 400 e -400 non provocano grossi inconvenienti se si utilizza un modulatore del tipo "current mode<1>' per controllare il convertitore.

Più particolarmente, se I segnali di pilotaggio vengono applicati agli interruttori SW di figura 3 per il tramite di un modulatore "current mode" (non illustrato) esso adeguerà automaticamente i tempi di chiusura degli interruttori per assicurare la non saturazione del trasformatore.

Secondo l'invenzione, in ogni caso, grazie alla presenza dei diodi D1 - D4 le due tensioni 400 e· - 400 saranno bilanciate per via magnetica durante la commutazione.

Infatti, quando gli interruttori SW3 ed SW4 sono chiusi, la tensione presente alle armature del condensatore C2 può essere riflessa per il tramite del trasformatore T1 sulle armature del condensatore C1: in questo modo si registra l'uguaglianza tra della tensione presente sulle armature dei due condensatori C1 e C2 ed in ultima analisi il bilanciamento per via magnetica durante la commutazione delle due tensioni 400V e - 400 V.

Grazie a tale bilanciamento risulta possibile utilizzare quattro transistori con tensione di rottura pari a 500 V per realizzare i quattro Interruttori. Preferenzialmente l'invenzione prevede l'uso di transistori IGBT 500 V 40 A i quali presentano una bassa capacità di ingresso, la capacità di essere attraversati da correnti di notevole intensità e sono facilmente pilotabili per il tramite di un piccolo trasformatore.

Il trasformatore T1 è preferenzialmente implementato mediante due piccoli trasformatori E55 presentanti gli avvolgimenti primari collegati in serie e gli avvolgimenti secondari collegati in parallelo, a valle degli elementi di rettificazione costituiti dai diodi D5 e D6.

il filtro di uscita è preferenzialmente realizzato per il tramite di un induttore a 100 A avvolto su di un nucleo in ferrite (o su di un nucleo realizzato con idonee polveri di ferro) e da taluni condensatori di tipo elettrolitico posti sulla via attraversata dalie correnti di potenza

i diodi 01 - D4 svolgono inoltre la funzione dì recuperare l'energia immagazzinata sull'inevitabile induttanza dispersa del trasformatore T1. In particolare, l'energia immagazzinata.su tale induttanza dispersa viene trasferita, tramite i diodi D1 e D2, e rispettivamente i diodi D3 e D4, sul condensatore C1, e rispettivamenete sul condensatore C2, concretizzando in tal modo il suddetto recupero.

La soluzione secondo l'invenzione comporta un numero minimo di interruttori adoperati, nel senso che non supera il numero minimo di elementi di commutazione necessari (quattro) per poter gestire dai punto di vista pratico potenze superiori al kilowatt.

Gli interruttori adoperati sono a bassa tensione di rottura (tipicamente la metà di quella necessaria per la configurazione a ponte intero) e presentano minori perdite di commutazione e di conduzione rispetto agii interruttori ad alta tensione di rottura, portando ad una maggiore efficienza della conversione.

Il convertitore secondò l'invenzione effettua il bilanciamento automatico delle due tensioni generate dal primo stadio, senza componenti aggiuntivi o particolari gestioni del pilotaggio dei singoli convertitori componenti il secondo stadio.

Grazie alle soluzione di cui sópra, il convertitore secondo l'invenzione ha un rendimento maggiore del 95%.

La figura 5 mostra un raddrizzatore per sitemi di telecomunicazioni a due stadi di conversione connessi in cascata .

Il primo stadio è costituito dallo stadio di preregolazione che comprende un filtro di ingresso IN_F colegato ad uno circuito di commutazione SW_C idoneo a convertire la tensione trifase in tre livelli di tensione rispettivamente pari a 400 V , 0, e - 400 V. Il filtro di ingresso IN_F è collegato al circuito di commutazione SW_C per il tramite di tré induttori L1 , L2, ed L3.

Il secondo stadio comprende il convertitore DC/DC di cui all'invenzione che riceve in ingresso i tre livelli di. tensione che corrispondono all'uscita delio stadio di preregolazione e rende disponibile un segnale continuo a 48 V che viene reso disponibile in uscita per il tramite di un filtro di uscita OU_F.

Benché l'invenzione sia stata descrìtta con particolare riferimento ad una forma realizzativa preferita, essa non è da ritenersi limitata a quest'ultima, ma si estende a coprire tutte le ovvie. varianti e modifiche che risulteranno evidenti al tecnico del settore.

Ad esempio, per aumentare il livello dj potenza trattabile dal convertitore e possibile utilizzare più trasformatori collegati opportunamente in serie dal lato primario e in parallelo al secondario dopo i diodi di raddrizzamento. E' in linea di principio possibile utilizzare dei trasformatori collegati in parallelo, tuttavia in questo caso non si ha garanzia del bilanciamento delle aree tensione-tempo applicate ai singoli trasformatori.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Convertitore DC/DC del tipo comprendente: • un trasformatore il cui avvolgimento primario è collegato ad una sorgente di alimentazione ed al cui avvolgimento secondario è collegato il carico; · mezzi di interruzione, collegati all'awolgimento primario di detto trasformatore, per parzializzare la tensione fornita da detta sorgente di alimentazione; • una pluralità di diodi collegati all'avvolgimento primario di detto trasformatore per recuperare l'energia immagazzinata nell'induttanza dispersa di detto trasformatore; • almeno una coppia di diodi collegati all'avvolgimento secondario di detto trasformatore per raddrizzare la tensione, che corrisponde sull'avvolgimento secondario di detto trasformatore, convertitore caratterizzato dal fatto che: • detto trasformatore (T1) è strutturato in modo tale da presentare due avvolgimenti primari (P1, P2) collegati tra due sorgenti di tensione in serie, e due avvolgimenti secondari (SI , S2) con due terminali in comune ed un càrico (R1) collegato tra gli altri due terminali; • a ciascun avvolgimento primario (P1,P2) di detto trasformatore (TI) sono collegati mezzi di parzializzazione costituiti da una coppia di interruttori elettronici controllati <SW).
2. 2. Convertitore come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette due sorgenti di tensione in serie sono collegato in modo tale da presentare un terminale in comune (0 V) un terminale a potenziale più elevato (+ 400 V ) ed un terminale a potenziale più basso (- 400 V ). ,
3. 3. Convertitore come alle rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il primo terminale (PP1) di uno (P1) dei detti avvolgimenti primari è collegato all'anodo di un primo diodo (D1), il cui catodo ò collegato al terminale a potenziale più elevato (+ 400 V) delle dette sorgenti di tensione, e il secondo terminale (SP1) dello stesso avvolgimento (P1) à collegato al catodo di, un secondo diodo (D2), il cui anodo è collegato al terminale comune (0 V) tra le dette sorgenti, e inoltre il terminale a potenziale più elevato (+400 V) è collegato al secondo terminale (SP1) di uno (P1) dei detti avvolgimenti avvolgimenti primari tramite un primo interruttore elettronico controllato (SW1) di detta prima coppia di interruttori, e che detto primo terminale (PP1) è cqllegato al terminale comune (0 V) tramite un secondo interruttore elettronico controllato (SW2) di detta prima coppia di interruttori;
4. 4. Convertitore come alle rivendicazioni 1 e 2, carattte rizzato dal fatto che il primo terminale. (PP2) dell'altro (P2) dei detti avvolgimenti primari è collegato all'anodo di un terzo diodo (D3), il cui catodo è collegato al terminale comune (0 V) delle dette sorgenti di tensione, e il secondo terminale (SP2) dello stesso avvolgimento (P2) ò collegato al catodo di un quarto diodo (D4), il cui anodo è collegato al terminale a potenziale più basso (- 400 V) delle dette sorgenti, e inoltre il terminale comune (0 V) è collegato al secondo terminale (SP2) dell'altro (P2) dèi detti avvolgimenti primari tramite un primo interruttore elettronico controllato (SW3) di detta seconda coppia di interruttori, e che detto primo terminale (PP2) dell'altro (P2) di detti avvolgimenti è collegato al terminale a potenziale più basso (- 400 V) tramite un secondo interruttore elettronico controllato (SW4) di detta seconda coppia di interruttori.
5. 5. Convertitore come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che tra il terminale in comune (0 V) ed il terminale a potenziale più elevato (+ 400 V ) è collegato un primo condensatore (C1) e tra il terminale in comune (0 V) ed il terminale a potenziale più basso (- 400 V ) è collegato un secondo condensatore (C2).
6. 6. Convertitore secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che le dette due sorgenti sono costituite da un convertitore trifase AC/DC.
7. 7. Convertitore secondo le rivendicazioni 2 e 3, caratterizzato dal fatto che i detti interruttori elettronici controllati (SW1, SW2, SW3, SW4) sono costituiti da dispositivi idonei ad operare a frequenze di commutazione elevate .
8. 8. Convertitore come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti dispositivi idonei ad operare a frequenze di commutazione elevate sono costituiti da tarnsistori MOSFET o da dispositivi IGBT.
9. 9. Convertitore come alla rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detto trasformatore (T1) è implementato mediante due trasformatori presentanti gli avvolgimenti primari collegati in serie e gii avvolgimenti secondari collegati in parallelo, a valle di detti mezzi di raddrizzamento.
10. 10. Convertitore come allerivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti interruttori elettronici controllati (SW1, SW2, SW3, SW4) sono pilotati da segnali impulsivi per il tramite di un modulatore "current mode".
11. 11. Raddrizzatore del tipo a due stadi connessi in cascata, caratterizzata dal fatto che comprende: • uno stadio di preregolazione Idoneo a rendere disponibile in uscita tre livelli dì tensione continua (+ 400 V, 0 V e - 400 V); • uno stadio finale che comprende un convertitore DC/DC realizzato conformemente a quanto illustrato nelle rivendicazioni da 1 a 10.