WO2022140875A1 - Convertidor de potencia parcial dc-dc de topología controlable - Google Patents

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Sebastián Andre RIVERA IUNNISSI
Hugues Jean-Marie Renaudineau
Freddy Arturo FLORES BAHAMONDE
Samir Felipe KOURO RENAER
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Universidad Técnica Federico Santa María
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Definitions

  • the present invention is related to the field of generation, conversion or distribution of electrical energy; more specifically with the field of converting a DC input to a DC output and in particular provides a topology controllable DC-DC partial power converter.
  • partial power converters have recently gained relevance.
  • partial power converters are known to have intrinsic advantages, such as reduced power losses, system size and cost.
  • the underlying principle is that the power is divided between a direct power link between input and output, and a portion that is processed by a DC-DC converter. This is achieved through the connection between one of the inputs of the DC-DC converter and one of its outputs.
  • DC-DC partial power converters There are two types of DC-DC partial power converters, namely, type I (shown in Fig. 1), where the power division is performed on the input side of the DC-DC partial power converter. DC, and type II (shown in Fig. 2), where the power division is performed on the output side of the partial power converter (normally called DC-link). Additionally, within each configuration (type I or type II) a boost configuration is recognized, in which the output voltage is higher than the input voltage, and a step-down configuration, in which the output voltage is lower than the input voltage. . There is also for each configuration (type I or type II) a boost-buck configuration in which the output voltage can be either higher or lower than the input voltage.
  • a partial power DC-DC converter whose topology is controllable between a type I and a type II.
  • a partial power DC-DC converter with both characteristics, however, is not described in the state of the art. Consequently, a DC-DC partial power converter is required whose topology is controllable between type I and type II.
  • the present invention provides a partial power DC-DC converter with controllable topology, characterized in that it comprises: a DC-DC converter with galvanic isolation having a positive input, a negative input, a positive output and a negative output; a first DC voltage input electrically connected to said negative output of said DC-DC converter; an input reference; a first DC voltage output electrically connected to said positive output of said DC-DC converter; and an output reference electrically connected to said input reference and to said negative input of said DC-DC converter; wherein said DC-DC partial power converter further comprises: a first switch arranged to selectively connect first DC voltage input to said positive input of said DC-DC converter; and a second switch arranged to selectively connect said positive output of said DC-DC converter to said positive input of said DC-DC converter; and wherein said DC-DC converter is bidirectional in power and bipolar in voltage.
  • the partial power converter is characterized in that said first switch and said second switch are unidirectional switches.
  • the partial power converter is characterized in that each of said unidirectional switches is formed by a field effect transistor in anti-parallel with a rectifier diode.
  • the partial power converter is characterized in that said first switch and said second switch are bidirectional switches.
  • the partial power converter is characterized in that said DC-DC converter connected in a partial configuration is selected from the group consisting of forward converters, push-pull converters, H-bridge converters, flyback converters, half-bridge converters and Cuck converters.
  • the partial power converter is characterized in that said DC-DC converter comprises a transformer having a primary and a secondary, a first H-bridge connected to the primary of said transformer and a second H-bridge connected to the secondary of said transformer. .
  • Fig. 1 illustrates a prior art type I partial power converter.
  • Fig. 2 illustrates a prior art type II partial power converter.
  • Fig. 3 schematically illustrates an embodiment of the partial power converter with controllable topology that is the object of the present invention.
  • Fig. 4 illustrates an embodiment of the partial power converter with controllable topology that is the object of the present invention.
  • Fig. 5 illustrates the interconnection of a plurality of partial power DC-DC converters in accordance with the present invention in a series-in, series-out configuration.
  • Fig. 6 illustrates the interconnection of a plurality of partial power DC-DC converters in accordance with the present invention in a series-in, parallel-out configuration.
  • Fig. 7 illustrates the interconnection of a plurality of partial power DC-DC converters in accordance with the present invention in a parallel input, series output configuration.
  • Fig. 8 illustrates the interconnection of a plurality of partial power DC-DC converters in accordance with the present invention in a parallel input, parallel output configuration.
  • a controllable topology DC-DC partial power converter (1) which essentially comprises: a DC-DC converter with isolation galvanic (2) that has a positive input (3), a negative input (4), a positive output (5) and a negative output (6); a first DC voltage input (7) electrically connected to said negative output (6) of said DC-DC converter (2); an input reference (8); a first DC voltage output (9) electrically connected to said positive output (5) of said DC-DC converter (2); and an output reference (10) electrically connected to said input reference (8) and to said negative input (4) of said DC-DC converter (2) wherein said DC-DC partial power converter (1) additionally comprises: a first switch (1 1) arranged to selectively connect first DC voltage input (7) with said positive input (3) of said DC-DC converter (2); and a second switch (12) arranged to selectively connect said positive output (5) of said DC-DC converter (2) with said positive input (3) of said DC-DC converter (2).
  • DC-DC converter of partial power (1) of controllable topology that is the object of the present invention as DC-DC converter of partial power (1 ).
  • a DC-DC converter will be understood as a set of electrical and electronic components arranged in such a way that, in response to a direct current (DC) input signal, it generates a DC output signal.
  • DC direct current
  • the relationship between the input voltage and the output voltage of a DC-DC converter is controlled by the ratio between the opening time and the closing time of one or more switches that are part of said DC-DC converter.
  • the DC-DC converter (2) that forms part of the DC-DC partial power converter (1) that is the object of the present invention has two inputs that, in the context of the present invention and without this limiting the scope of the same, will be called as positive input (3) and negative input (4).
  • the DC-DC converter (2) has two outputs that, in the context of the present invention and without limiting its scope, will be called positive output (5) and negative output (6).
  • the DC-DC converter (2) can be any type of DC-DC converter (2) that has galvanic isolation, without this limiting the scope of the present invention.
  • said DC-DC converter (2) can be a converter with galvanic isolation that can be selected, for example and without this limiting the scope of the present invention, from the group consisting of forward converters, push-pull converters, H-bridge converters, flyback converters, half-bridge converters and Cuk converters.
  • said DC-DC converter (2) is a bidirectional power and bipolar voltage converter.
  • the DC-DC partial power converter (1) that is the object of the present invention can be used to connect a photovoltaic solar module to a DC bus.
  • the DC-DC partial power converter (1) that is the object of the present invention can be used to connect a battery with an inverter in an electric vehicle. In both cases, said DC-DC converter (2) is a bidirectional power converter.
  • a component is bipolar in voltage, or indistinctly bipolar, when the voltage measured between a first output and a second output of said component can be both positive and negative.
  • said DC-DC converter (2) may comprise a transformer (21) that has a primary and a secondary, a first H bridge (22) connected to the primary of said transformer (21) and a second H bridge (23) connected to the secondary of said transformer (21). Additionally, said second H bridge (23) is bidirectional and bipolar. The relationship between the number of turns of the primary and secondary of said transformer (21) does not limit the scope of the present invention.
  • the DC-DC partial power converter (1) that is the object of the present invention further comprises a first DC voltage input (7) electrically connected to the negative output (6) of the DC-DC converter (2); and a first DC voltage output (9) electrically connected to the positive output (5) of said DC-DC converter (2).
  • the DC-DC partial power converter (1) that is the object of the present invention comprises an input reference (8) and an output reference (10) electrically connected to said input reference (8) and to the negative input (4) of the DC-DC converter (2).
  • the DC-DC partial power converter (1) that is the object of the present invention allows the connection between two direct current devices, which are respectively connected to said first DC voltage input (7) and to said input reference (8); and to said first DC voltage output (9) and to said output reference (10).
  • the DC-DC partial power converter (1) that is the object of the present invention, additionally comprises a set of switches (1 1, 12) that allow controlling the topology of the DC-DC partial power converter (1) which is the object of the present invention between a type I topology and a type II topology.
  • a first switch (1 1) is arranged to selectively connect the first DC voltage input (7) with the positive input (3) of the DC-DC converter (2).
  • a second switch (12) is arranged to selectively connect the positive output (5) of said DC-DC converter (2) with the positive input (3) of said DC-DC converter.
  • the term selective connection is to be understood as a connection that is controlled by the switching state of a switch.
  • the first switch (11) when the first switch (11) is in the closed position, an electrical connection is provided between the first DC voltage input (7) and the positive input (3) of the DC-DC converter (2).
  • the electrical connection between the first DC voltage input (7) and the positive input (3) of said DC-DC converter (2) is interrupted.
  • the electrical connection between the positive output (5) of said DC-DC converter (2) and the positive input (3) of said DC-DC converter will be controlled by the switching state of the second switch (12).
  • first switch (11) and said second switch (12) does not limit the scope of the present invention.
  • Said first switch (1 1) and second switch (12) may or may not be implemented in the same way without this limiting the scope of the present invention.
  • said first switch (1 1) and said second switch (12) can be unidirectional switches. Said configuration is obtained, for example and without this limiting the scope of the present invention, by arranging a transistor in parallel with a rectifier diode. Said transistor may be a bipolar transistor or a field effect transistor without this limiting the scope of the present invention. In a preferred embodiment, without this limiting the scope of the present invention, said transistor is a field effect transistor and said rectifier diode is connected anti-parallel to the source and drain of said field effect transistor.
  • said first switch (1 1) and second switch (12) can be bidirectional switches. Said configuration can be obtained, for example and without this limiting the scope of the present invention, by arranging two unidirectional switches in parallel with each other, where said unidirectional switches allow the flow of current in opposite directions to each other. Furthermore, in this preferred embodiment, said two unidirectional switches connected in parallel must be controlled in such a way that their switching state is the same at all instants of time.
  • the switching state of said first switch (1 1) and second switch (12) allow to control the topology of the DC-DC partial power converter that is the object of the present invention between a type I topology and a type I topology. type II topology.
  • the DC-DC partial power converter (1) that is the object of the present invention has a third mode of operation that will be called, without this limiting the scope of the present invention, such as bypass.
  • the direct current device that is connected to the first voltage input (7) and to the first reference (8) is directly connected to the direct current device that is connected to the first voltage output (9) and to the the second reference (10), regardless of the operation of the DC-DC converter (2).
  • DC-DC partial power converters (1 a, 1 b, 1 c) can be provided, each according to the present invention, which can be connected according to the desired configuration.
  • said plurality of DC-DC partial power converters (1 a, 1 b, 1 c) can be connected in Serial to Input and Serial to Output (ISOS) configuration.
  • ISOS Serial to Input and Serial to Output
  • the positive DC terminal of the first DC device is connected to the first DC voltage input 7a of the first DC-DC partial power converter 1a of the plurality.
  • the negative DC terminal of the first direct current device is connected to the input reference (8c) of the last DC-DC partial power converter (1 c).
  • the positive DC terminal of the second direct current device is connected to the first DC voltage output (9a) of the first DC-DC partial power converter (1 a) and the negative DC terminal of the second direct current device it is connected to the output reference (10c) of the last DC-DC partial power converter (1 c).
  • the input reference (8a) of the first DC-DC partial power converter (1a) is connected to the first voltage input (7b) of the second DC-DC partial power converter (1b); the input reference (8b) of the second DC-DC partial power converter (1 b) to the first voltage input (7c) of the third DC-DC partial power converter (1 c) and so on until all the inputs are connected of the plurality of partial power DC-DC converters (1 a, 1 b, 1 c).
  • the output reference 10a of the first DC-DC partial power converter 1a is connected to the first voltage output 9b of the second DC-DC partial power converter 1b; the output reference (8b) of the second DC-DC partial power converter (1 b) to the first voltage output (9c) of the third DC-DC partial power converter (1 c) and so on until all the outputs are connected of the plurality of partial power DC-DC converters (1 a, 1 b, 1 c).
  • said plurality of DC-DC partial power converters (1 a, 1 b, 1 c) can be connected in serial configuration at the input and parallel at the output (ISOP, for its acronym in English Input Series, Output Parallel).
  • ISOP for its acronym in English Input Series, Output Parallel
  • the positive DC terminal of the first DC device is connected to the first DC voltage input 7a of the first DC-DC partial power converter 1a of the plurality.
  • the negative DC terminal of the first direct current device is connected to the input reference (8c) of the last DC-DC partial power converter (1 c).
  • the positive DC terminal of the second direct current device is connected to each of the first DC voltage outputs (9a, 9b, 9c) of the DC-DC partial power converters (1 a, 1 b, 1 c) that are part of said plurality and the negative DC terminal of the second direct current device is connected to each of the output references (10a, 10b, 10c) of the DC-DC partial power converters (1 a, 1 b, 1 c) that form part of said plurality.
  • the input reference (8a) of the first DC-DC partial power converter (1 a) is connected to the first voltage input (7b) of the second DC-DC partial power converter (1 b); the input reference (8b) of the second DC-DC partial power converter (1 b) to the first voltage input (7c) of the third DC-DC partial power converter (1 c) and so on successively until connecting all the inputs of the plurality of DC-DC partial power converters (1 a, 1 b, 1 c).
  • said plurality of DC-DC partial power converters (1 a, 1 b, 1 c) can be connected in Input Parallel, Output Series (IPOS) configuration.
  • IPOS Input Parallel, Output Series
  • the positive DC terminal of the first DC device is connected to each of the first DC voltage inputs (7a, 7b, 7c) of the partial power DC-DC converters (1a, 1b, 1 c) of plurality.
  • the negative DC terminal of the first direct current device is connected to each of the input references (8a, 8b, 8c) of the DC-DC partial power converters (1 a, 1 b, 1 c) of said plurality.
  • the positive DC terminal of the second direct current device is connected to the first DC voltage output (9a) of the first DC-DC partial power converter (1 a) and the negative DC terminal of the second direct current device it is connected to the output reference (10c) of the last DC-DC partial power converter (1 c).
  • the output reference (10a) of the first DC-DC partial power converter (1 a) is connected to the first voltage output (9b) of the second DC-DC partial power converter (1 b); the output reference (8b) of the second DC-DC partial power converter (1 b) to the first voltage output (9c) of the third DC-DC partial power converter (1 c) and so on until all the outputs are connected of the plurality of partial power DC-DC converters (1 a, 1 b, 1 c).
  • said plurality of DC-DC partial power converters (1 a, 1 b, 1 c) can be connected in Input Parallel, Output Parallel (IPOP) configuration.
  • the positive DC terminal of the first DC device is connected to each of the first DC voltage inputs (7a, 7b, 7c) of the partial power DC-DC converters (1a, 1b, 1 c) of plurality.
  • the negative DC terminal of the first direct current device is connected to each of the references of input (8a, 8b, 8c) of the DC-DC partial power converters (1 a, 1 b, 1 c).
  • the positive DC terminal of the second DC device is connected to each of the first DC voltage outputs (9a, 9b, 9c) of the DC-DC partial power converters (1a, 1b, 1 c) of said plurality and the negative DC terminal of the second direct current device is connected to each of the output references (10a, 10b, 10c) of the partial power DC-DC converters (1 a, 1 b, 1 c) of said plurality.
  • Example 1 Use of the partial power DC-DC converter in battery arrangements
  • the DC-DC partial power converter that is the object of the present invention can be used to connect a group of cells or battery array (13) with a direct voltage line or bus. (14).
  • both positive terminals (131) and negative terminals (132) of said group of cells or battery arrangement are connected with the first voltage input (7) and the input reference (8), respectively, of the DC-DC partial power converter (1).
  • the positive (141) and negative (142) terminals of the DC voltage bus (14) are connected, respectively, to the first voltage output (9) and to the output reference (10) of the partial power converter.
  • DC-DC (1) DC-DC (1).
  • an input capacitor (15) is provided that connects the first voltage input (7) with the input reference (8) and an output capacitor (16) that connects the first voltage output (9) with the reference outlet (10).
  • an output inductor (17) that connects the positive output (5) of the DC-DC converter (2) with the first voltage output (9).
  • the DC-DC converter (2) is bidirectional in power, which allows both the charging and discharging of the battery (15).
  • Example 2 Implementation of the DC-DC partial power converter in conjunction with a battery array
  • Figure 4 also illustrates a schematic diagram of an implementation of the DC-DC partial power converter in conjunction with a battery array (13). The connections are made as described in example 1 .
  • the DC-DC converter (2) is a galvanically isolated converter and includes a transformer (21) that has a primary and a secondary.
  • a first H-bridge (22), formed by four unidirectional switches, is connected to the primary of the transformer (21) and a second H-bridge (23), formed by four bidirectional switches, is connected to the secondary of the transformer (21).
  • an output inductor (17) is provided which connects the positive output (5) of the DC-DC converter (2) with the first voltage output (9).

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Abstract

La invención proporciona un convertidor de potencia parcial DC-DC de topología controlable que comprende: un convertidor DC-DC con aislación galvánica que posee una entrada positiva, una entrada negativa, una salida positiva y una salida negativa; una primera entrada de voltaje DC conectada eléctricamente a dicha salida negativa del convertidor DC-DC; una referencia de entrada; una primera salida de voltaje DC conectada eléctricamente a dicha salida positiva del convertidor DC-DC; y una referencia de salida conectada eléctricamente a dicha referencia de entrada y a dicha entrada negativa del convertidor DC-DC; donde dicho convertidor de potencia parcial DC-DC adicionalmente comprende: un primer conmutador dispuesto para conectar selectivamente primera entrada de voltaje DC con dicha entrada positiva del convertidor DC-DC; y un segundo conmutador dispuesto para conectar selectivamente dicha salida positiva del convertidor DC-DC con dicha entrada positiva del convertidor DC-DC.

Description

CONVERTIDOR DE POTENCIA PARCIAL DC-DC DE TOPOLOGÍA CONTROLABLE
Campo técnico de la invención
La presente invención se relaciona con el campo de la generación, conversión o distribución de energía eléctrica; más específicamente con el campo de la conversión de una entrada DC en una salida DC y en particular proporciona un convertidor de potencia parcial DC-DC de topología controlable.
Antecedentes de la invención
Dentro del campo de la conversión de energía, en el último tiempo han cobrado relevancia los convertidores de potencia parcial. En general, se conoce que los convertidores de potencia parcial poseen ventajas intrínsecas, tales como la reducción de las pérdidas de potencia, del tamaño y del costo del sistema. El principio subyacente es que la potencia se divide entre un enlace directo de potencia entre la entrada y la salida, y una porción que es procesada por un convertidor DC-DC. Esto se logra mediante la conexión entre una de las entradas del convertidor DC-DC y una de las salidas del mismo.
Existen dos tipos de convertidores de potencia parcial DC-DC, a saber, tipo I (que se observa en la Fig. 1 ), en donde la división de la potencia se realiza en el lado de la entrada al convertidor de potencia parcial DC-DC, y tipo II (que se observa en la Fig. 2), en donde la división de potencia se realiza en el lado de la salida del convertidor de potencia parcial (normalmente denominado DC-link). Adicionalmente, dentro de cada configuración (tipo I o tipo II) se reconoce una configuración elevadora, en la cual el voltaje de salida es mayor al voltaje de entrada y una configuración reductora, en la cual el voltaje de salida es menor al voltaje de entrada. Existe, además, para cada configuración (tipo I o tipo II) una configuración elevadora-reductora en la cual el voltaje de salida puede ser tanto mayor como menor que el voltaje de entrada.
Una de las características de los convertidores de potencia parcial DC-DC es que la relación entre el voltaje de entrada y de salida, y la potencia del convertidor, depende solo de la topología de conexión, pero no del tipo de convertidor DC-DC utilizado.
En el estado de la técnica se conocen aplicaciones de convertidores de potencia parcial DC-DC a la generación fotovoltaica de energía eléctrica y a la electromovilidad. Por ejemplo, el documento US 9,960,687 describe un convertidor de potencia parcial DC-DC de tipo I que utiliza un convertidor DC-DC bidireccional con aislación galvánica.
Los inventores de la presente invención han descubierto, sin embargo, que en algunas aplicaciones es preferible poseer un convertidor de potencia parcial DC- DC cuya topología sea controlable entre una tipo I y una tipo II. Un convertidor de potencia parcial DC-DC con ambas características, sin embargo, no se encuentra descrito en el estado de la técnica. En consecuencia, se requiere de un convertidor de potencia parcial DC-DC cuya topología sea controlable entre tipo I y tipo II.
Sumario de la invención
La presente invención proporciona un convertidor de potencia parcial DC-DC de topología controlable, que se caracteriza porque comprende: un convertidor DC- DC con aislación galvánica que posee una entrada positiva, una entrada negativa, una salida positiva y una salida negativa; una primera entrada de voltaje DC conectada eléctricamente a dicha salida negativa de dicho convertidor DC-DC; una referencia de entrada; una primera salida de voltaje DC conectada eléctricamente a dicha salida positiva de dicho convertidor DC-DC; y una referencia de salida conectada eléctricamente a dicha referencia de entrada y a dicha entrada negativa de dicho convertidor DC-DC; en donde dicho convertidor de potencia parcial DC- DC adicionalmente comprende: un primer conmutador dispuesto para conectar selectivamente primera entrada de voltaje DC con dicha entrada positiva de dicho convertidor DC-DC; y un segundo conmutador dispuesto para conectar selectivamente dicha salida positiva de dicho convertidor DC-DC con dicha entrada positiva de dicho convertidor DC-DC; y en donde dicho convertidor DC-DC es bidireccional en potencia y bipolar en voltaje. En una realización preferida, el convertidor de potencia parcial se caracteriza porque dicho primer conmutador y dicho segundo conmutador son conmutadores unidireccionales. En una realización más preferida, el convertidor de potencia parcial se caracteriza porque cada uno de dichos conmutadores unidireccionales está formado por un transistor de efecto de campo en anti-paralelo con un diodo rectificador.
En otra realización preferida, el convertidor de potencia parcial se caracteriza porque dicho primer conmutador y dicho segundo conmutador son conmutadores bidireccionales.
En una realización preferida adicional, el convertidor de potencia parcial se caracteriza porque dicho convertidor DC-DC conectado en configuración parcial se selecciona del grupo formado por convertidores forward, convertidores push-pull, convertidores con puente H, convertidores flyback, convertidores de medio puente y convertidores Cuk.
En otra realización preferida, el convertidor de potencia parcial se caracteriza porque dicho convertidor DC-DC comprende un transformador que posee un primario y un secundario, un primer puente H conectado al primario de dicho transformador y un segundo puente H conectado al secundario de dicho transformador.
Breve descripción de las figuras
La Fig. 1 ¡lustra un convertidor de potencia parcial tipo I del estado de la técnica.
La Fig. 2 ¡lustra un convertidor de potencia parcial tipo II del estado de la técnica.
La Fig. 3 ¡lustra esquemáticamente una realización del convertidor de potencia parcial de topología controlable que es objeto de la presente invención.
La Fig. 4 ¡lustra un ejemplo de realización del convertidor de potencia parcial de topología controlable que es objeto de la presente invención. La Fig. 5 ¡lustra la interconexión de una pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC de acuerdo con la presente invención en una configuración serie a la entrada, serie a la salida.
La Fig. 6 ¡lustra la interconexión de una pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC de acuerdo con la presente invención en una configuración serie a la entrada, paralelo a la salida.
La Fig. 7 ¡lustra la interconexión de una pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC de acuerdo con la presente invención en una configuración paralelo a la entrada, serie a la salida.
La Fig. 8 ¡lustra la interconexión de una pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC de acuerdo con la presente invención en una configuración paralelo a la entrada, paralelo a la salida.
Descripción detallada de la invención
A continuación, se describirá de manera detallada la presente invención, haciendo referencia para esto a las figuras que acompañan la presente invención.
En un primer objeto de la presente invención, tal como se ¡lustra esquemáticamente en la Figura 3, se proporciona un convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) de topología controlable que comprende, de manera esencial: un convertidor DC-DC con aislación galvánica (2) que posee una entrada positiva (3), una entrada negativa (4), una salida positiva (5) y una salida negativa (6); una primera entrada de voltaje DC (7) conectada eléctricamente a dicha salida negativa (6) de dicho convertidor DC-DC (2); una referencia de entrada (8); una primera salida de voltaje DC (9) conectada eléctricamente a dicha salida positiva (5) de dicho convertidor DC-DC (2); y una referencia de salida (10) conectada eléctricamente a dicha referencia de entrada (8) y a dicha entrada negativa (4) de dicho convertidor DC-DC (2) en donde dicho convertidor de potencia parcial DC- DC (1 ) adicionalmente comprende: un primer conmutador (1 1 ) dispuesto para conectar selectivamente primera entrada de voltaje DC (7) con dicha entrada positiva (3) de dicho convertidor DC-DC (2); y un segundo conmutador (12) dispuesto para conectar selectivamente dicha salida positiva (5) de dicho convertidor DC-DC (2) con dicha entrada positiva (3) de dicho convertidor DC-DC (2).
En lo sucesivo, por simplicidad y sin que esto limite el alcance de la presente invención, se hará referencia al convertidor DC-DC de potencia parcial (1 ) de topología controlable que es objeto de la presente invención como convertidor DC- DC de potencia parcial (1 ).
En el contexto de la presente invención, se entenderá como convertidor DC- DC a un conjunto de componentes eléctricos y electrónicos dispuestos de manera tal que, en respuesta a una señal continua (DC) de entrada genera una señal DC de salida. Normalmente, la relación entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida de un convertidor DC-DC está controlado por la razón entre el tiempo de apertura y el tiempo de cierre de uno o más conmutadores que forman parte de dicho convertidor DC-DC.
El convertidor DC-DC (2) que forma parte del convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención, presenta dos entradas que, en el contexto de la presente invención y sin que esto limite el alcance de la misma, se denominarán como entrada positiva (3) y entrada negativa (4). Además, el convertidor DC-DC (2) presenta dos salidas que, en el contexto de la presente invención y sin que esto limite el alcance de la misma, se denominarán como salida positiva (5) y salida negativa (6).
El convertidor DC-DC (2) puede ser cualquier tipo de convertidor DC-DC (2) que posea aislación galvánica, sin que esto limite el alcance de la presente invención. En una realización más preferida, sin que esto limite el alcance de la presente invención, dicho convertidor DC-DC (2) puede ser un convertidor con aislación galvánica que puede seleccionarse, por ejemplo y sin que esto limite el alcance de la presente invención, del grupo formado por convertidores forward, convertidores push-pull, convertidores con puente H, convertidores flyback, convertidores de medio puente y convertidores Cuk. Adicionalmente, dicho convertidor DC-DC (2) es un convertidor bidireccional en potencia y bipolar en voltaje.
Por ejemplo, y sin que esto limite el alcance de la presente invención, el convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención puede ser utilizado para conectar un módulo solar fotovoltaico a un bus DC. En otro ejemplo, sin que esto limite el alcance de la presente invención, el convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención puede ser utilizado para conectar una batería con un inversor en un vehículo eléctrico. En ambos casos, dicho convertidor DC-DC (2) es un convertidor bidireccional en potencia.
En el contexto de la presente invención, sin que esto limite el alcance de la misma, se entenderá como bidireccional en potencia, o indistintamente como bidireccional, a un componente que posee entradas y salidas y en donde la potencia puede circular tanto desde la entrada hacia la salida, como desde la salida hacia la entrada. Por otra parte, sin que esto limite el alcance de la presente invención, se entenderá que un componente es bipolar en voltaje, o indistintamente bipolar, cuando el voltaje medido entre una primera salida y una segunda salida de dicho componente puede ser tanto positivo como negativo.
En una realización preferida, sin que esto limite el alcance de la presente invención, dicho convertidor DC-DC (2) puede comprender un transformador (21 ) que posee un primario y un secundario, un primer puente H (22) conectado al primario de dicho transformador (21 ) y un segundo puente H (23) conectado al secundario de dicho transformador (21 ). Adicionalmente, dicho segundo puente H (23) es bidireccional y bipolar. La relación entre el número de espiras del primario y del secundario de dicho transformador (21 ) no limita el alcance de la presente invención.
El convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención comprende, además, una primera entrada de voltaje DC (7) conectada eléctricamente a la salida negativa (6) del convertidor DC-DC (2); y una primera salida de voltaje DC (9) conectada eléctricamente a la salida positiva (5) de dicho convertidor DC-DC (2). Además, el convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención comprende una referencia de entrada (8) y una referencia de salida (10) conectada eléctricamente a dicha referencia de entrada (8) y a la entrada negativa (4) del convertidor DC-DC (2). De esta forma, por ejemplo y sin que esto limite el alcance de la presente invención, el convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención permite la conexión entre dos dispositivos de corriente continua, los cuales se conectan, respectivamente, a dicha primera entrada de voltaje DC (7) y a dicha referencia de entrada (8); y a dicha primera salida de voltaje DC (9) y a dicha referencia de salida (10).
Tal como se mencionó previamente, el convertidor de potencia parcial DC- DC (1 ) que es objeto de la presente invención, adicionalmente comprende un conjunto de conmutadores (1 1 , 12) que permiten controlar la topología del convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención entre una topología tipo I y una topología tipo II. Un primer conmutador (1 1 ) se dispone para conectar selectivamente la primera entrada de voltaje DC (7) con la entrada positiva (3) del convertidor DC-DC (2). Un segundo conmutador (12) se dispone para conectar selectivamente la salida positiva (5) de dicho convertidor DC- DC (2) con la entrada positiva (3) de dicho convertidor DC-DC.
En el contexto de la presente invención debe entenderse el término conexión selectiva como una conexión que se encuentra controlada por el estado de conmutación de un conmutador. En este sentido, por ejemplo y sin que esto limite el alcance de la presente invención, cuando el primer conmutador (11 ) se encuentra en posición cerrada, se proporciona una conexión eléctrica entre la primera entrada de voltaje DC (7) y la entrada positiva (3) del convertidor DC-DC (2). En contraste, cuando el primer conmutador (1 1 ) se encuentra en posición abierta, se interrumpe la conexión eléctrica entre la primera entrada de voltaje DC (7) y la entrada positiva (3) de dicho convertidor DC-DC (2). De manera análoga, sin que esto limite el alcance de la presente invención, la conexión eléctrica la salida positiva (5) de dicho convertidor DC-DC (2) y la entrada positiva (3) de dicho convertidor DC-DC estará controlada por el estado de conmutación del segundo conmutador (12).
Por otra parte, la naturaleza de dicho primer conmutador (11 ) y de dicho segundo conmutador (12) no limita el alcance de la presente invención. Dichos primer conmutador (1 1 ) y segundo conmutador (12) pueden o no implementarse de la misma manera sin que esto limite el alcance de la presente invención.
En una realización preferida, sin que esto limite el alcance de la presente invención, dicho primer conmutador (1 1 ) y dicho segundo conmutador (12) pueden ser conmutadores unidireccionales. Dicha configuración se obtiene, por ejemplo y sin que esto limite el alcance de la presente invención, disponiendo un transistor en paralelo con un diodo rectificador. Dicho transistor puede ser un transistor bipolar o un transistor de efecto de campo sin que esto limite el alcance de la presente invención. En una realización preferida, sin que esto limite el alcance de la presente invención, dicho transistor es un transistor de efecto de campo y dicho diodo rectificador se conecta en anti-paralelo a la fuente y al drenaje de dicho transistor de efecto de campo.
Sin embargo, en otras realizaciones preferidas, dichos primer conmutador (1 1 ) y segundo conmutador (12) pueden ser conmutadores bidireccionales. Dicha configuración puede obtenerse, por ejemplo y sin que esto limite el alcance de la presente invención, disponiendo dos conmutadores unidireccionales en paralelo entre sí, en donde dichos conmutadores unidireccionales permiten la circulación de corriente en direcciones contrarias entre sí. Además, en esta realización preferida, debe controlarse dichos dos conmutadores unidireccionales conectados en paralelo de forma tal que su estado de conmutación sea el mismo en todo instante de tiempo.
Tal como se mencionó previamente, el estado de conmutación de dichos primer conmutador (1 1 ) y segundo conmutador (12) permiten controlar la topología del convertidor de potencia parcial DC-DC que es objeto de la presente invención entre una topología tipo I y una topología tipo II. Sin embargo, de manera ventajosa y sin que esto limite el alcance de la presente invención, el convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención posee un tercer modo de operación que se denominará, sin que esto limite el alcance de la presente invención, como bypass. En dicha configuración bypass el dispositivo de corriente continua que se conecta a la primera entrada de voltaje (7) y a la primera referencia (8) se conecta directamente con el dispositivo de corriente continua que se conecta a la primera salida de voltaje (9) y a la segunda referencia (10), con independencia de la operación del convertidor DC-DC (2).
Para llevar al convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención a una topología tipo I, debe mantenerse dicho primer conmutador (11 ) cerrado y dicho segundo conmutador (12) abierto. De esta manera, el convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ), que se ¡lustra esquemáticamente en la Figura 3, adquirirá la topología que se ¡lustra en la Figura 1 . Para llevar al convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención a una topología tipo II, debe mantenerse dicho primer conmutador (11 ) abierto y dicho segundo conmutador (12) cerrado. De esta manera, el convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ), que se ¡lustra esquemáticamente en la Figura 3, adquirirá la topología que se ¡lustra en la Figura 2.
Por último, para llevar al convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención a una topología bypass debe mantenerse cerrado dicho primer conmutador (1 1 ) y dicho segundo conmutador (12).
De acuerdo a la descripción previa, es posible obtener un convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) cuya topología es controlable entre una de tipo I, una de tipo II y una bypass y que permite la conexión de dos dispositivos de corriente continua.
Además, en otras realizaciones preferidas y sin que esto limite el alcance de la presente invención, es posible proporcionar otras configuraciones para la interconexión entre los dispositivos de corriente continua. Para esto, se puede disponer de una pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c), cada uno de acuerdo a la presente invención, que pueden conectarse de acuerdo a la configuración deseada.
En un primer ejemplo de realización, tal como se ¡lustra en la Figura 7 y sin que esto limite el alcance de la presente invención, dicha pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c) puede conectarse en configuración serie a la entrada y serie a la salida (ISOS, por sus siglas en inglés Input Series, Output Series). En esta configuración, el terminal DC positivo del primer dispositivo de corriente continua se conecta a la primera entrada de voltaje DC (7a) del primer convertidor de potencia parcial DC-DC (1 a) de la pluralidad. Por su parte, el terminal DC negativo del primer dispositivo de corriente continua se conecta a la referencia de entrada (8c) del último convertidor de potencia parcial DC-DC (1 c). De manera análoga, el terminal DC positivo del segundo dispositivo de corriente continua se conecta a la primera salida de voltaje DC (9a) del primer convertidor de potencia parcial DC-DC (1 a) y el terminal DC negativo del segundo dispositivo de corriente continua se conecta a la referencia de salida (10c) del último convertidor de potencia parcial DC-DC (1 c). A su vez, la referencia de entrada (8a) del primer convertidor de potencia parcial DC-DC (1 a) se conecta a la primera entrada de voltaje (7b) del segundo convertidor de potencia parcial DC-DC (1 b); la referenda de entrada (8b) del segundo convertidor de potencia parcial DC-DC (1 b) a la primera entrada de voltaje (7c) del tercer convertidor de potencia parcial DC- DC (1 c) y así sucesivamente hasta conectar todas las entradas de la pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c). De manera análoga, la referencia de salida (10a) del primer convertidor de potencia parcial DC-DC (1 a) se conecta a la primera salida de voltaje (9b) del segundo convertidor de potencia parcial DC-DC (1 b); la referencia de salida (8b) del segundo convertidor de potencia parcial DC-DC (1 b) a la primera salida de voltaje (9c) del tercer convertidor de potencia parcial DC-DC (1 c) y así sucesivamente hasta conectar todas las salidas de la pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c).
En un segundo ejemplo de realización, tal como se ¡lustra en la Figura 8 y sin que esto limite el alcance de la presente invención, dicha pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c) puede conectarse en configuración serie a la entrada y paralelo a la salida (ISOP, por sus siglas en inglés Input Seríes, Output Parallel). En esta configuración, el terminal DC positivo del primer dispositivo de corriente continua se conecta a la primera entrada de voltaje DC (7a) del primer convertidor de potencia parcial DC-DC (1 a) de la pluralidad. Por su parte, el terminal DC negativo del primer dispositivo de corriente continua se conecta a la referencia de entrada (8c) del último convertidor de potencia parcial DC-DC (1 c). Por su parte, el terminal DC positivo del segundo dispositivo de corriente continua se conecta a cada una de las primeras salidas de voltaje DC (9a, 9b, 9c) de los convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c) que forman parte de dicha pluralidad y el terminal DC negativo del segundo dispositivo de corriente continua se conecta a cada una de las referencias de salida (10a, 10b, 10c) de los convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c) que forman parte de dicha pluralidad. A su vez, la referencia de entrada (8a) del primer convertidor de potencia parcial DC-DC (1 a) se conecta a la primera entrada de voltaje (7b) del segundo convertidor de potencia parcial DC-DC (1 b); la referencia de entrada (8b) del segundo convertidor de potencia parcial DC-DC (1 b) a la primera entrada de voltaje (7c) del tercer convertidor de potencia parcial DC-DC (1 c) y así sucesivamente hasta conectar todas las entradas de la pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c).
En un tercer ejemplo de realización, tal como se ¡lustra en la Figura 9 y sin que esto limite el alcance de la presente invención, dicha pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c) puede conectarse en configuración paralelo a la entrada y serie a la salida (IPOS, por sus siglas en inglés Input Parallel, Output Series). En esta configuración, el terminal DC positivo del primer dispositivo de corriente continua se conecta a cada una de las primeras entradas de voltaje DC (7a, 7b, 7c) de los convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c) de la pluralidad. Por su parte, el terminal DC negativo del primer dispositivo de corriente continua se conecta a cada una de las referencias de entrada (8a, 8b, 8c) de los convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c) de dicha pluralidad. Por otra parte, el terminal DC positivo del segundo dispositivo de corriente continua se conecta a la primera salida de voltaje DC (9a) del primer convertidor de potencia parcial DC-DC (1 a) y el terminal DC negativo del segundo dispositivo de corriente continua se conecta a la referencia de salida (10c) del último convertidor de potencia parcial DC-DC (1 c). A su vez, la referencia de salida (10a) del primer convertidor de potencia parcial DC-DC (1 a) se conecta a la primera salida de voltaje (9b) del segundo convertidor de potencia parcial DC-DC (1 b); la referencia de salida (8b) del segundo convertidor de potencia parcial DC-DC (1 b) a la primera salida de voltaje (9c) del tercer convertidor de potencia parcial DC-DC (1 c) y así sucesivamente hasta conectar todas las salidas de la pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c).
En un cuarto ejemplo de realización, tal como se ¡lustra en la Figura 10 y sin que esto limite el alcance de la presente invención, dicha pluralidad de convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c) puede conectarse en configuración paralelo a la entrada y paralelo a la salida (IPOP, por sus siglas en inglés Input Parallel, Output Parallel). En esta configuración, el terminal DC positivo del primer dispositivo de corriente continua se conecta a cada una de las primeras entradas de voltaje DC (7a, 7b, 7c) de los convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c) de la pluralidad. Por su parte, el terminal DC negativo del primer dispositivo de corriente continua se conecta a cada una de las referencias de entrada (8a, 8b, 8c) de los convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c). De manera análoga, el terminal DC positivo del segundo dispositivo de corriente continua se conecta a cada una de las primeras salidas de voltaje DC (9a, 9b, 9c) de los convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c) de dicha pluralidad y el terminal DC negativo del segundo dispositivo de corriente continua se conecta a cada una de las referencias de salida (10a, 10b, 10c) de los convertidores de potencia parcial DC-DC (1 a, 1 b, 1 c) de dicha pluralidad.
De acuerdo con la descripción previamente detallada, es posible obtener un convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) cuya topología es controlable mediante el estado de conmutación de dichos primer conmutador (11 ) y segundo conmutador (12).
Debe entenderse que las diferentes opciones descritas para las características técnicas del convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) que es objeto de la presente invención pueden combinarse entre sí, o con otras conocidas para una persona normalmente versada en la materia, de cualquier manera prevista sin que esto limite el alcance de la presente invención.
En lo sucesivo, se describirán ejemplos de realización de la presente invención. Debe entenderse que dichos ejemplos de realización buscan proporcionar un mejor entendimiento de la invención pero no limitan el alcance de la misma. Adicionalmente, características técnicas descritas en ejemplos diferentes pueden combinarse entre sí, o con otras previamente descritas, de cualquier manera prevista por una persona normalmente versada en la materia sin que esto limite el alcance de la presente invención.
Ejemplo 1 : Uso del convertidor de potencia parcial DC-DC en arreglos de baterías
Tal como se ¡lustra esquemáticamente en la Figura 4, el convertidor de potencia parcial DC-DC que es objeto de la presente invención puede ser utilizado para conectar un grupo de celdas o arreglo de baterías (13) con una línea o bus de tensión continua (14). Para esto, se conectan sendos terminales positivos (131 ) y negativos (132) de dicho grupo de celdas o arreglo de baterías con la primera entrada de voltaje (7) y la referencia de entrada (8), respectivamente, del convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ). Por su parte, los terminales positivo (141 ) y negativo (142) del bus de tensión continua (14) se conectan, respectivamente, a la primera salida de voltaje (9) y a la referencia de salida (10) del convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ). Además, se dispone un condensador de entrada (15) que conecta la primera entrada de voltaje (7) con la referencia de entrada (8) y un condensador de salida (16) que conecta la primera salida de voltaje (9) con la referencia de salida (10). Se dispone, además, un inductor de salida (17) que conecta la salida positiva (5) del convertidor DC-DC (2) con la primera salida de voltaje (9). En este ejemplo de realización, además, el convertidor DC-DC (2) es bidireccional en potencia, lo cual permite tanto la carga como la descarga de la batería (15).
Ejemplo 2: Implementación del convertidor de potencia parcial DC-DC en conjunto con un arreglo de baterías
La Figura 4 ¡lustra, además, un diagrama esquemático de una implementación del convertidor de potencia parcial DC-DC en conjunto con un arreglo de baterías (13). Las conexiones se realizan según lo descrito en el ejemplo 1 .
En este ejemplo, el convertidor DC-DC (2) es un convertidor con aislamiento galvánico e incluye un transformador (21 ) que posee un primario y un secundario. Un primer puente H (22), formado por cuatro conmutadores unidireccionales, se conecta al primario del transformador (21 ) y un segundo puente H (23), formado por cuatro conmutadores bidireccionales, se conecta al secundario del transformador (21 ). Además, se proporciona un inductor (17) de salida que conecta la salida positiva (5) del convertidor DC-DC (2) con la primera salida de voltaje (9).

Claims

REIVINDICACIONES Un convertidor de potencia parcial DC-DC de topología controlable (1 ), CARACTERIZADO porque comprende: un convertidor DC-DC con aislación galvánica (2) que posee una entrada positiva (3), una entrada negativa (4), una salida positiva (5) y una salida negativa (6); una primera entrada de voltaje DC (7) conectada eléctricamente a dicha salida negativa (6) de dicho convertidor DC-DC (2); una referencia de entrada (8); una primera salida de voltaje DC (9) conectada eléctricamente a dicha salida positiva (5) de dicho convertidor DC-DC (2); y una referencia de salida (10) conectada eléctricamente a dicha referencia de entrada (8) y a dicha entrada negativa (4) de dicho convertidor DC-DC (2); en donde dicho convertidor de potencia parcial DC-DC (1 ) adicionalmente comprende: un primer conmutador (1 1 ) dispuesto para conectar selectivamente primera entrada de voltaje DC (7) con dicha entrada positiva (3) de dicho convertidor DC-DC (2); y un segundo conmutador (12) dispuesto para conectar selectivamente dicha salida positiva (5) de dicho convertidor DC-DC (2) con dicha entrada positiva (3) de dicho convertidor DC-DC (2); y en donde dicho convertidor DC-DC (2) es bidireccional en potencia y bipolar en voltaje. El convertidor de potencia parcial de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dicho primer conmutador (1 1 ) y dicho segundo conmutador (12) son conmutadores unidireccionales. El convertidor de potencia parcial de la reivindicación 2, CARACTERIZADO porque cada uno de dichos conmutadores unidireccionales está formado por un transistor de efecto de campo en paralelo con un diodo rectificador. El convertidor de potencia parcial de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dicho primer conmutador (1 1 ) y dicho segundo conmutador (12) son conmutadores bidireccionales. El convertidor de potencia parcial de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dicho convertidor DC-DC (2) interconectado en potencia parcial se selecciona del grupo formado por convertidores forward, convertidores push- pull, convertidores con puente H, convertidores flyback, convertidores de medio puente y convertidores Cuk. El convertidor de potencia parcial de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dicho convertidor DC-DC (2) comprende un transformador (21 ) que posee un primario y un secundario, un primer puente H (22) conectado al primario de dicho transformador y un segundo puente H (23) conectado al secundario de dicho transformador (21 ).
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