MX2007014334A - Sistema convertidor de energia alimentado por corriente que incluye un interruptor normalmente encendido. - Google Patents

Sistema convertidor de energia alimentado por corriente que incluye un interruptor normalmente encendido.

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Abstract

Un sistema (10) incluye una fuente (12) de energía configurada para operar como una fuente limitada de corriente y un convertidor (14) de DC a DC o inversor (30) de cambio de corriente configurado para recibir corriente desde la fuente de energía y que comprende un interruptor (15) normalmente encendido.

Description

SISTEMA CONVERTIDOR DE ENERGÍA ALIMENTADO POR CORRIENTE QUE INCLUYE UN INTERRUPTOR NORMALMENTE ENCENDIDO Campo de la Invención La materia aquí presentada se relaciona en general, con sistemas convertidores de energía que incluye interruptores semiconductores.
Antecedentes de la Invención Las celdas fotovoltaicas (PV) generan energía de corriente directa (DC) con el nivel de corriente DC, que depende de la irradiación solar y el nivel de voltaje DC, que depende de la temperatura. Cuando se desea energía de corriente alterna (AC), un inversor se utiliza para convertir la energía de DC en energía de AC. Los inversores PV típicos emplean dos etapas para procesar energía con la primera etapa configurada para proporcionar un voltaje de DC constante y la segunda etapa configurada para convertir el voltaje de DC constante en corriente AC. Con frecuencia, la primera etapa incluye un convertidor de arranque y la segunda etapa incluye un sistema inversor de una sola fase o de tres fases. La eficiencia del inversor de dos etapas es un parámetro importante que afecta el desempeño del sistema PV y es una multiplicación de las eficiencias de etapas individuales donde cada etapa produce típicamente la mitad de las pérdidas del sistema. Por lo tanto es deseable incrementar la eficiencia de cada etapa del inversor PV. Típicamente, los convertidores de arranque de primera etapa incluyen dispositivos interruptores normalmente apagados de silicio MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) o IGBT (transistor bipolar de compuerta aislada).
Breve Descripción de la Invención De conformidad con una modalidad, un sistema comprende una fuente de energía configurada para operar como una fuente limitada de corriente y un convertidor de DC a DC configurado para recibir corriente desde la fuente de energía y que comprende un interruptor normalmente encendido. De conformidad con otra modalidad, un sistema convertidor de energía comprende un convertidor por corriente de DC a DC que comprende un interruptor normalmente encendido configurado para proporcionar un voltaje de DC ajustado y un inversor de alimentación por voltaje configurado para convertir el voltaje de DC ajustado en corriente AC. De conformidad con otra modalidad, un inversor fotovoltaico comprende un convertidor de arranque por corriente de DC a DC que comprende un interruptor normalmente encendido, un diodo, y un inductor y configurado para proporcionar un voltaje de DC constante desde una fuente de energía fotovoltaica; y un inversor configurado para convertir el voltaje de DC en corriente AC. De conformidad con otra modalidad, un sistema convertidor de energía comprende un convertidor por corriente de DC a DC configurado para proporcionar un voltaje de DC ajustado y un inversor de corriente invertida configurado para convertir el voltaje de DC ajustado en corriente AC, el inversor de corriente invertida comprende interruptores normalmente encendidos.
Breve Descripción de los Dibujos Estas y otras características, aspectos, y ventajas de la presente invención se comprenden mejor a partir de la siguiente descripción detallada leída con referencia en los dibujos anexos en los que caracteres similares representan partes similares a lo largo de los dibujos. La Figura 1 es un diagrama de bloque de un sistema convertidor de energía de conformidad con una modalidad. La Figura 2 es un diagrama de un convertidor de DC a DC para usarse en un aspecto más específico de la modalidad de la Figura 1. La Figura 3 es un diagrama de un sistema convertidor de energía de conformidad con otra modalidad. La Figura 4 es un diagrama de un sistema convertidor de energía de conformidad con otra modalidad.
Descripción Detallada de la Invención La Figura 1 es un diagrama de bloque de conformidad con una modalidad en donde un sistema 10 comprende una fuente 12 de energía configurada para operar cono una fuente limitada de corriente y un convertidor 14 de DC a DC que comprende un interruptor 15 normalmente encendido. La Figura 2 es un diagrama de un convertidor de DC a DC para usarse en un aspecto más específico de la modalidad de la Figura 1. Una fuente limitada por corriente es una fuente que, cuando hace cortocircuito, naturalmente limita la corriente a niveles dentro del rango de trabajo del sistema o ligeramente por encima del rango de trabajo del sistema, pero no tanto arriba que resulte en daño al equipo. Una fuente limitada de corriente tiene un valor de corriente máximo específico y típicamente presenta una alta impedancia a lo largo de sus terminales. Con frecuencia, las fuentes limitadas de corriente son adicionalmente limitadas por voltaje. En una modalidad, la fuente 12 de energía comprende una fuente de energía fotovoltaica. Otros tipos de fuentes de energía se pueden utilizar, sin embargo, con una celda de combustible como ejemplo. El convertidor 14 de DC a DC típicamente comprende un convertidor alimentado por corriente. Un convertidor alimentado por corriente, como se utiliza aquí, se refiere a un convertidor que se alimenta por una fuente limitada de corriente. En otra modalidad más específica, el convertidor 14 de DC a DC comprende un convertidor de arranque para mantener un nivel de voltaje de DC constante. El interruptor 15 típicamente comprende un material semiconductor de salto amplio tal como carburo de silicio o arsénico de galio. Otros materiales interruptores potenciales incluyen nitruro de galio, diamantes, y nano-tubos de carbón. Los dispositivos interruptores de carburo de silicio (SiC), por ejemplo, con frecuencia tienen una conducción superior y comportamientos de interruptor en comparación con dispositivos interruptores de silicio y pueden por lo tanto, incrementar la eficiencia del convertidor 14 de DC a DC. El interruptor 15 comprende un interruptor normalmente encendido de un tipo apropiado. Un ejemplo de un interruptor normalmente encendido es un transistor de efecto de campo de unión (JFET). Algunos tipos de transistores de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET), tales como MOSFETs de modo de agotamiento, son también interruptores normalmente encendidos. En un ejemplo más específico, un JFET de SiC se utiliza como un interruptor 15 en una etapa 14 de arranque del sistema 10 inversor fotovoltaico. Los dispositivos con características de interruptores normalmente encendidos no se utilizan típicamente en sistema electrónicos de energía debido a la preocupación de que las terminales de los dispositivos hagan cortocircuito en caso de una falla. Sin embargo, debido a que la fuente fotovoltaica (tal como una celda solar) es una fuente limitada de corriente, las características de normalmente encendido de un JFET de SiC no es un problema crítico de seguridad. Cuando el convertidor 14 de DC a DC falla, el interruptor 15 del JFET de SiC hace cortocircuito en la fuente 12 de energía fotovoltaica, pero la corriente solo se encontrará un porcentaje por encima de la corriente operativa normal. Típicamente la corriente del cortocircuito es menor a o igual a veinte o treinta por ciento mayor que la corriente de operación normal de la fuente de energía. En una modalidad más específica, la corriente del cortocircuito es menor que o igual al diez por ciento mayor que la corriente de operación normal de la fuente de energía. La fuente de energía fotovoltaica y los cables y conectores asociados (no mostrados) pueden llevar la corriente incrementada sin sobrecalentarse, aún durante largas fallas. Esta característica limitante de corriente es una diferencia entre fuentes de celda de combustible y fotovoltaicas en comparación con más fuentes de DC convencionales tales como baterías y generadores. En la modalidad de la Figura 2, cuando el interruptor 15 se enciende, el voltaje a través del interruptor 15 cae a cero, y el diodo 22 se impulsa para invertirse y bloquea el voltaje del capacitor sobre la unión de DC (un capacitor ejemplificativo se muestra en la Figura 3 como el capacitador 44 en la unión 36 de DC). Por lo tanto el interruptor 15 del cortocircuito no corta la trama 20. Cuando un interruptor de carburo de silicio se utiliza, es conveniente también incluir un diodo 22 de carburo de silicio en el convertidor 14 de DC a DC. En un ejemplo, el diodo 22 comprende un diodo Schottky. Un diodo Schottky es útil ya que casi no tiene pérdidas de recuperación por inversión y por lo tanto resulta en pérdidas de cambio reducidas en el convertidor de DC a DC. Un diodo Schottky de SiC tienen pérdidas por conducción ligeramente mayores pero pérdidas netas menores que un diodo de silicón de unió PN estándar, por ejemplo. Adicionalmente, los dispositivos SiC pueden operar a más altas temperaturas que los dispositivos de silicio. Aunque los diodos de carburo de silicio se describen para propósitos ejemplificativos, otros materiales se pueden utilizar con un ejemplo que incluye nitruro de galio.
Con referencia otra vez en la Figura 1, en un ejemplo, la unión 16 de DC acopla el convertidor 14 de DC a DC con un inversor 18 (convertidor de DC a AC) y típicamente comprende un capacitor de unión de DC o banco capacitor (no mostrado en la Figura 1). El inversor 18 convierte el voltaje de DC en corrienie AC para suministrarla a la trama 20 u otras cargas (no mostradas). En modalidades en donde un convertidor alimentado por corriente se utiliza como un convertidor 14 de DC a DC, el inversor 18 típicamente comprende un inversor alimentado por voltaje. También mostrada en la Figura 2 se encuentra una inductancia 24. La inductancia 24 se utiliza para almacenar energía en forma de una corriente que se utiliza en el convertidor como fuente para el capacitor de unión de DC. Los inductores típicos para inversores de PV se seleccionan con base en el nivel de energía, el rango del voltaje, y la frecuencia de cambio. Por ejemplo, para un convertidor de arranque de 2.5kW que opera a 20kHz, un inductor típico va desde 2mH hasta 10mH. Cuando se utiliza un JFET de SiC en combinación con el inductor, el JFET se puede operar a una frecuencia de cambio mayor en el rango de 100 kilohertz a 300 kilohertz, por ejemplo sin comprometer la eficiencia. Esto reduce la inductancia del inductor y mejora la eficiencia del convertidor. Aunque la Figura 1 ilustra una fuente 12, un convertidor 14 de DC a DC, y un inversor 18, cuando se desea, se pueden utilizar fuentes, convertidores de DC a DC, inversores, o combinaciones adicionales de cualquiera de estos. En un ejemplo, como se describe en la Solicitud US200401256 8 cedida al público, las múltiples fuentes de energía y convertidores de DC a DC múltiples se conectan con un solo inversor.
La Figura 3 es un diagrama de un sistema convertidor de energía de conformidad con otra modalidad en donde un sistema 26 convertidor de energía comprende un convertidor 28 por corriente de DC a DC configurado para proporcionar un voltaje de DC ajustado y un inversor 30 de cambio de corriente configurado para convertir el voltaje de DC ajustado en corriente AC, el inversor de cambio de corriente comprende interruptores 32 normalmente encendidos. En la modalidad de las Figuras 2-3, el diodo 22 convertidor es útil para separar al inversor del convertidor bajo una condición de falla y bloquear de energía de la trama 20 para que no llegue y dañe potencialmente la fuente 12 de energía. Tales diodos no se encuentran típicamente presentes en inversores pero se pueden añadir como se ilustra por los diodos 38 y 40 en la Figura 3. Adicionalmente, o alternativamente, una inductancia 34 de inversor se puede incluir y acoplar el inversor 30 y la unión 36 de DC, por ejemplo. En tales modalidades de inductancia, cuando se utiliza un interruptor normalmente encendido, la ausencia de una señal de compuerta hace que el interruptor o interruptores se encuentren en un estado encendido. Cuando por alguna razón el accionador de puerta pierde energía o falla, entonces el interruptor o interruptores se encuentran en el estado encendido. Un trayecto de corriente a lo largo de la trama 20 ocurre y la condición resulta en el acoplamiento de la inductancia de carga directamente a lo largo de la trama a través del capacitor 44 de unión de DC, y la fuente de corriente se eleva de una forma que es un índice menor que sin la inductancia. Por lo tanto, el sistema tiene tiempo de detectar una falla conforme la corriente se eleva más haya de un umbral específico. Una vez que se excede el umbral, se puede tomar acción, tal como abrir un contacto de AC (no mostrado) para desconectar el sistema de la fuente de energía. Inductancias de inversor adicionales (no mostradas) pueden ser útiles en la protección del sistema en caso de fallas simultáneas en dos interruptores. Cuando se desea en la modalidad de la Figura 3, el convertidor 28 también puede comprender un interruptor 42 adicional normalmente encendido de forma similar como se presenta anteriormente con respecto a las Figuras 1 y 2. La Figura 4 es un diagrama de un sistema convertidor de energía de conformidad con otra modalidad en donde un sistema 46 convertidor de energía comprende un inversor 48 de cambio de corriente configurado para convertir un voltaje filtrado de una fuente 12 de energía limitada de corriente en una corriente AC y que comprende interruptores 50 normalmente encendidos. En una modalidad más específica, el sistema 46 convertidor de energía además incluye un capacitor 52 de filtro y una ¡nductancia 54 de filtro que acopla al inversor con el capacitor de filtro. Varios aspectos de las modalidades presentadas anteriormente con respecto a las Figuras 1 y 2 se pueden aplicar a los ejemplos de las Figuras 3 y 4. Por ejemplo, los sistemas 26 y 46 convertidores de energía se pueden configurar para recibir corriente desde una fuente 12 de energía que se configura para operar como una fuente limitada de corriente o, más específicamente, una fuente de energía fotovoltaíca. Como otro ejemplo, los interruptores 32 y 50 pueden comprender un material seccionado del grupo que consiste de arsénico de galio, nitruro de galio, diamante, nano- tubos de carbón, o carburo de silicio y un dispositivo tal como un JFET o un MOSFET de modo de agotamiento. Mientras que solo ciertas características de la invención se han ilustrado y descrito, varias modificaciones y las personas experimentadas en la técnica podrán contemplar otros cambios. Por lo tanto, se debe entender que las reivindicaciones anexas pretenden cubrir todas esas modificaciones y cambios como dentro de la verdadera intención de la invención.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema (10) caracterizado porque comprende: una fuente (12) de energía configurada para operar como una fuente limitada de corriente; y un convertidor (14) de DC a DC configurado para recibir corriente desde una fuente de energía y que comprende un interruptor (15) normalmente encendido.
2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el interruptor comprende un interruptor de carburo de silicio.
3. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el convertidor de DC a DC además comprende un diodo (22) de carburo de silicio.
4. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de energía comprende una fuente de energía fotovoltaica, en donde el interruptor comprende un JFET, y en donde el convertidor de DC a DC además comprende un diodo Schottky.
5. Un sistema (10) convertidor de energía, caracterizado porque comprende: un convertidor (14) alimentado por corriente de DC a DC que comprende un interruptor (15) normalmente encendido configurado para proporcionar un voltaje de DC ajustado; un inversor (18) alimentado por voltaje configurado para convertir el voltaje de DC ajustado en corriente AC.
6. El sistema de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el convertidor de DC a DC comprende un convertidor de arranque.
7. Un sistema (26) convertidor de energía, caracterizado porque comprende: un convertidor (28) alimentado por corriente de DC a DC configurado para proporcionar un voltaje de DC ajustado; un inversor (30) de cambio de corriente configurado para convertir el voltaje de DC ajustado en corriente AC, el inversor de cambio de corriente comprende interruptores (32) normalmente encendidos.
8. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque además comprende una unión (36) de DC y en donde el inversor además comprende una inductancia (34) que acopla al inversor con la unión de DC.
9. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el interruptor normalmente encendido del inversor comprende un interruptor normalmente encendido inversor, y en donde el convertidor además comprende un interruptor (42) normalmente encendido convertidor.
10. Un sistema (46) convertidor de energía, caracterizado porque comprende: un inversor (48) de cambio de corriente configurado para convertir un voltaje filtrado de una fuente (12) de energía limitada por corriente en corriente AC, el inversor de cambio de corriente comprende interruptores (50) normalmente encendidos.
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