Circuito convertidor de conmutación suave y procedimiento para su control.

Disposición de circuito para la conversión de un voltaje de entrada (UE) en un voltaje de salida (UA)

- que comprende al menos un semipuente de salida (202) y al menos un semipuente de entrada (201),

que están conectados en paralelo a una capacidad de circuito intermedio (CDC),

- en la que cada semipuente (201; 202) presenta un elemento de puente superior (S1, D1; C1; D1', C1; S3, D3, C3), un elemento de puente inferior (S2, D2; C2; S4; D4, C4; D4', C4) y un punto medio accesible (M1; M2) entre el elemento de puente superior (S1, D1; C1; D1', C1; S3, D3, C3) y el elemento de puente inferior (S2, D2; C2; S4; D4, C4; D4', C4), comprendiendo los elementos de puente un circuito paralelo de un elemento de conmutación (S1, D1; D1'; S2, D2; S3, D3; S4, D4; D4') y una capacidad (C1; C2; C3; C4),

- en la que una corriente (iL1; iL2) que fluye a través del punto medio (M1; M2) de un semipuente (201; 202) puede conmutarse mediante una conmutación de al menos un elemento de conmutación de los elementos de puente del semipuente (201; 202) desde el elemento de puente inferior hasta el elemento de puente superior y a la inversa,

- en la que el punto medio (M1) del semipuente de entrada (201) está conectado a través de una inductancia de entrada (L1) con una conexión de voltaje de entrada (205), y

- en la que el punto medio (M2) del semipuente de salida (202) está conectado a través de una inductancia de salida (L2) con una conexión de voltaje de salida (208),

caracterizada porque el punto medio (M1) del semipuente de entrada (201) está conectado a través de un conmutador de acoplamiento (S5; S5') con el punto medio (M2) del semipuente de salida (202).

Circuito convertidor de conmutación suave y procedimiento para su control.

Campo técnico

La invención se refiere a una disposición de circuito para la conversión de al menos un voltaje de entrada en al menos un voltaje de salida. Así mismo la invención se refiere a un procedimiento para controlar la disposición de circuito.

Antecedentes de la invención Para la conversión de un voltaje de entrada en uno o varios voltajes de salida se usan circuitos convertidores, que presentan conmutadores semiconductores, en particular transistores, para conmutar caminos de corriente dentro de los circuitos convertidores. Si estos conmutadores semiconductores se pasan a estado de conducción durante una tensión de bloqueo existente, se generan pérdidas de conmutación, dado que en este caso comienza a fluir una corriente a través de los conmutadores semiconductores, cuando la tensión de bloqueo no se ha suprimido por completo. Un proceso de pasar a estado de conducción de este tipo se designa también proceso de pasar a estado de conducción duro.

Para la reducción de las pérdidas de conmutación que se generan debido a procesos de conmutación duros, se conocen los denominados circuitos convertidores de conmutación suave, en los que el voltaje se reduce hasta el valor cero a través del conmutador semiconductor antes o durante la puesta en estado de conducción. Por lo tanto, en este contexto se habla también de conmutación a voltaje cero.

Un circuito, que permite una puesta en estado de conducción y una puesta en estado de no conducción suaves de los conmutadores semiconductores en un convertidor de corriente, es el denominado Auxiliar y -ResonantCommutated-Pole-Inverter (inversor de polos conmutados resonantes auxiliar) (ARCPI) , que se describe por ejemplo en la publicación R.W. DeDoncker, J.P.Lyons, "The Auxiliar y Commutated Pole Converter", IEEE-IAS Annual Conference 1990, pág. 1228-1235. A este respecto, en la figura 1 se ilustra una rama de puente del circuito. Ésta comprende un semipuente conectado en paralelo al voltaje de entrada Uz, con dos conmutadores semiconductores 100a, b. De manera anti-paralela a los conmutadores semiconductores 100a, b están dispuestos diodos libres 101a, b. Así mismo, están conectadas capacidades de resonancia 102a, b en paralelo a los conmutadores semiconductores 100a, b. El punto medio del semipuente está unido con la inductancia de carga 103. Así mismo, el punto medio está unido a través de un inductor de resonancia 104 y un conmutador auxiliar 105 con el punto medio del voltaje de entrada UZ. Durante una conmutación de la corriente de carga J se pasa a estado de conducción el conmutador auxiliar 105. Con ello se infunde una corriente hacia el punto medio del semipuente que permite una reoscilación de los voltajes en las capacidades de resonancia 102 y por lo tanto una conmutación a voltaje cero.

El ARCPI presenta a este respecto la desventaja de que con el inductor de resonancia y el conmutador auxiliar son necesarios componentes adicionales, para permitir la conmutación a voltaje cero. Estos componentes aumentan el gasto de los componentes y no contribuyen a la transmisión de potencia. Así mismo, la activación del conmutador auxiliar 105 y de los conmutadores semiconductores 100a, b ha de ajustarse al proceso de reoscilación que se hace funcionar a través del inductor de resonancia 104, con lo que, por lo general, deben preverse costosos circuitos de excitación, que comprenden en particular detectores para el estado del circuito de resonancia.

Exposición de la invención Por lo tanto es un objetivo de la invención, garantizar una conversión lo más eficiente posible de un voltaje de entrada en un voltaje de salida.

El objetivo se resuelve mediante una disposición de circuito con las características de la reivindicación 1 y un procedimiento para controlar esta disposición de circuito de acuerdo con la reivindicación 25. Configuraciones de la disposición de circuito y del procedimiento se indican en las reivindicaciones dependientes.

Por consiguiente, según un primer aspecto de la invención está previsto que una disposición de circuito para la conversión de un voltaje de entrada en un voltaje de salida comprenda al menos un semipuente de salida y al menos un semipuente de entrada, que están conectados en paralelo a una capacidad de circuito intermedio entre un carril de voltaje superior y un carril de voltaje inferior. Cada semipuente presenta un elemento de puente superior, un elemento de puente inferior y un punto medio accesible entre el elemento de puente superior y el elemento de puente inferior, comprendiendo los elementos de puente un circuito paralelo de un elemento de conmutación y una capacidad. A este respecto, una corriente que fluye a través del punto medio de un semipuente puede conmutarse mediante una conmutación de al menos un elemento de conmutación de los elementos de puente del semipuente desde el elemento de puente inferior hasta el elemento de puente superior y a la inversa. El punto medio del semipuente de entrada está unido a través de una inductancia de entrada con una conexión de voltaje de entrada. El punto medio del semipuente de salida está unido a través de una inductancia con una conexión de voltaje de salida, y el punto medio del semipuente de entrada está unido a través de un conmutador de acoplamiento con el punto medio del semipuente de salida.

La invención incluye la idea de utilizar una disposición de circuito para la conversión de un voltaje de entrada en un voltaje de salida, que esté construida por al menos un semipuente de salida y un semipuente de entrada, que presenten elementos de puente para la conmutación de las corrientes que fluyen a través de los puntos medios de los semipuentes. A este respecto, el semipuente de entrada puede trabajar por ejemplo en el modo de convertidor elevador y el semipuente de salida en el modo de convertidor reductor. En el caso del voltaje de entrada y en el caso del voltaje de salida puede tratarse en cada caso de un voltaje continuo o de un voltaje alterno monofásico o polifásico. En el caso de las capacidades, que están conectadas en paralelo a los elementos de conmutación de los elementos de puente, puede tratarse de las capacidades parásitas de los elementos de conmutación. Igualmente, sin embargo también puede estar previsto que las capacidades se formen por condensadores que estén conectados adicionalmente en paralelo a los elementos de conmutación.

Por una conmutación de la corriente desde un primer elemento de puente hasta un segundo elemento de puente de un semipuente se entiende un proceso en el que se pasa a estado de no conducción un camino de corriente a través del primer elemento de puente y se pasa a estado de conducción un camino de corriente a través del segundo elemento de puente. Un proceso de conmutación de este tipo de una corriente en un semipuente desde un primer elemento de puente hasta un segundo elemento de puente, en el caso de la disposición de circuito, puede respaldarse por una corriente que fluye a través del conmutador de acoplamiento entre los puntos medios de los semipuentes, de tal manera que puede tener lugar una puesta en estado de conducción del segundo elemento de puente mediante conmutación a voltaje cero. De este modo se reducen claramente las pérdidas de conmutación de la disposición de circuito. Además, el conmutador de acoplamiento puede transmitir energía desde el semipuente de entrada hasta el semipuente de salida. De este modo pueden reducirse las pérdidas de potencia de la disposición de circuito. Una ventaja adicional de la disposición de circuito consiste en que no es necesario ningún elemento constructivo adicional para realizar el funcionamiento de conmutación suave. De este modo se simplifica en particular la activación de los elementos de conmutación de los elementos de puente, dado que el estado del sistema no depende de elementos constructivos pasivos. En particular no tiene que preverse ningún detector para detectar el estado de un circuito oscilante.

El procedimiento así como una configuración del circuito convertidor de corriente prevén que, en el caso de una conmutación de la corriente que fluye a través del punto medio de un semipuente desde un primer elemento de puente hasta el segundo elemento de puente del semipuente, los elementos de puente durante una fase de conmutación se hacen funcionar en un estado de bloqueo.

En esta configuración la corriente que fluye a través del punto medio del semipuente, puede aprovecharse para descargar la capacidad del elemento de puente a pasar a estado de conducción, de modo que se permita una puesta en estado de conducción mediante conmutación a voltaje cero. La corriente se aprovecha a este respecto... [Seguir leyendo]

1. Disposición de circuito para la conversión de un voltaje de entrada (UE) en un voltaje de salida (UA)

- que comprende al menos un semipuente de salida (202) y al menos un semipuente de entrada (201) , que están conectados en paralelo a una capacidad de circuito intermedio (CDC) ,

- en la que cada semipuente (201; 202) presenta un elemento de puente superior (S1, D1; C1; D1’, C1; S3, D3, C3) , un elemento de puente inferior (S2, D2; C2; S4; D4, C4; D4’, C4) y un punto medio accesible (M1; M2) entre el elemento de puente superior (S1, D1; C1; D1’, C1; S3, D3, C3) y el elemento de puente inferior (S2, D2; C2; S4; D4, C4; D4’, C4) , comprendiendo los elementos de puente un circuito paralelo de un elemento de conmutación (S1, D1; D1’; S2, D2; S3, D3; S4, D4; D4’) y una capacidad (C1; C2; C3; C4) ,

- en la que una corriente (iL1; iL2) que fluye a través del punto medio (M1; M2) de un semipuente (201; 202) puede conmutarse mediante una conmutación de al menos un elemento de conmutación de los elementos de puente del semipuente (201; 202) desde el elemento de puente inferior hasta el elemento de puente superior y a la inversa,

- en la que el punto medio (M1) del semipuente de entrada (201) está conectado a través de una inductancia de entrada (L1) con una conexión de voltaje de entrada (205) , y

- en la que el punto medio (M2) del semipuente de salida (202) está conectado a través de una inductancia de salida (L2) con una conexión de voltaje de salida (208) ,

caracterizada porque el punto medio (M1) del semipuente de entrada (201) está conectado a través de un conmutador de acoplamiento (S5; S5’) con el punto medio (M2) del semipuente de salida (202) .

2. Disposición de circuito de acuerdo con la reivindicación 1,

caracterizada porque en el caso de una conmutación de la corriente que fluye a través del punto medio (M1; M2) de un semipuente (201; 202) desde un primer elemento de puente hasta el segundo elemento de puente del semipuente (201; 202) los elementos de puente durante una fase de conmutación se hacen funcionar en un estado de bloqueo.

3. Disposición de circuito de acuerdo con la reivindicación 1 o 2,

caracterizada porque el conmutador de acoplamiento (S5; S5’) , durante una conmutación de una corriente de salida (iL2) que fluye a través del punto medio (M2) del semipuente de salida (202) hacia la inductancia de salida (L2) desde un primer elemento de puente hasta un segundo elemento de puente del semipuente de salida (202) , se pasa a estado de conducción, cuando la corriente de salida (iL2) no es adecuada en cuanto su magnitud y/o signo, para provocar una descarga de la capacidad (C3; C4) del segundo elemento de puente.

4. Disposición de circuito de acuerdo con la reivindicación 3,

caracterizada porque una corriente de entrada (iL1) que fluye durante la conmutación a través de la inductancia de entrada (L1) hacia el punto medio (M1) del semipuente de entrada (201) se ajusta de tal manera que una diferencia entre esta corriente de entrada (iL1) y la corriente de salida (iL2) sea adecuada en cuanto a su magnitud y signo, para provocar una descarga de la capacidad (C3; C4) del segundo elemento de puente.

5. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque el conmutador de acoplamiento (S5’) se pasa a estado de no conducción, cuando tanto el elemento de puente superior (S1, D1; C1; D1’, C1) del semipuente de entrada (201) como el elemento de puente inferior (S4, D4; C4; D4’, C4) del semipuente de salida (202) se encuentran en un estado de conducción, o cuando tanto el elemento de puente inferior (S2, D2; C2) del semipuente de entrada (201) como el elemento de puente superior (S3, D3, C3) del semipuente de salida (202) se encuentran en un estado de conducción.

6. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque el conmutador de acoplamiento (S5, S5’) sólo se pasa a estado de conducción cuando los elementos de puente superiores (S1, D1; C1; D1’, C1; S3, D3, C3) del semipuente de entrada (201) y del semipuente de salida (202) se encuentran en cada caso en un estado de conducción o en un estado de bloqueo.

7. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque una conmutación de la corriente de salida (iL2) que fluye desde el punto medio (M2) del semipuente de salida (202) hacia la inductancia de salida (L2) desde un primer elemento de puente hasta un segundo elemento de puente del semipuente de salida (202) , en la que el conmutador de acoplamiento (S5; S5’) se pasa a estado de conducción, se sincroniza con la conmutación de la corriente de entradas (iL1) que fluye desde la inductancia de entrada (L1) hacia el punto medio (M1) del semipuente de entrada (201) desde un primer elemento de puente hasta un segundo elemento de puente del semipuente de entrada (201) , en la que la corriente de entrada (iL1) está ajustada de tal manera que la diferencia entre la corriente de entrada (iL1) y la corriente de salida (iL2) sea adecuada en cuanto a su magnitud y signo, para provocar una descarga de la capacidad (C3; C4) del segundo elemento de puente del semipuente de salida.

8. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque una corriente que fluye desde la inductancia de entrada (L1) hacia el semipuente de entrada (201) se ajusta de modo que durante la conmutación desde un primer elemento de puente hasta un segundo elemento de puente del semipuente de entrada (201) es adecuada en cuanto a su magnitud y/o su signo, para provocar durante la fase de conmutación una descarga de la capacidad (C1; C2) del segundo elemento de puente.

9. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque el semipuente de salida (202) se temporiza con una frecuencia, que es igual a la frecuencia del semipuente de entrada (201) , y/o porque la frecuencia del semipuente de entrada (201) es un múltiplo entero de la frecuencia del semipuente de salida (202) .

10. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque están previstos varios semipuentes de salida (202; 202a..c) conectados eléctricamente en paralelo a la capacidad de circuito intermedio (CDC) , que se hacen funcionar como un conversor monofásico o polifásico.

11. Disposición de circuito de acuerdo con la reivindicación 10,

caracterizada porque está previsto un funcionamiento bidireccional, pudiendo hacerse funcionar los semipuentes de salida (202; 202a..c; 202a, b) en un modo de funcionamiento como rectificador.

12. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque el número de los semipuentes de entrada (201) corresponde al número de los semipuentes de salida (202) , estando conectados los puntos medios (M2) de los semipuentes de salida (202) en cada caso a través de un conmutador de acoplamiento (S5; S5’) precisamente con un punto medio (M1) de un semipuente de entrada (201) .

13. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque los puntos medios (M1) de los semipuentes de entrada (201) están unidos a través de en cada caso una inductancia de entrada (L1) con una conexión de voltaje de entrada (205) .

14. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque los semipuentes de salida (202) conectados eléctricamente en paralelo a la capacidad de circuito intermedio (CDC) están unidos a través de en cada caso un conmutador de acoplamiento (S5; S5’) precisamente con un semipuente de entrada (201) .

15. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque los semipuentes de salida (202a..c) que forman el conversor se activan conforme a una modulación flat-top de 120º, de modo que los elementos de puente en cada caso de un semipuente de salida (202a; 202b; 202c) no se conectan durante un tercio del periodo de la corriente de salida media (iL2a; iL2b; iL2c) del semipuente de salida (202) .

16. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque están previstos dos semipuentes de entrada (201a, b) conectados eléctricamente en paralelo a la capacidad de circuito intermedio (CDC) , cuyos puntos medios (M1a, b) están conectados en cada caso a través de una inductancia de entrada (L1a, b) a un polo (205; 206) del voltaje de entrada (UE) , trabajando un primer semipuente de entrada (201 a) en el modo de convertidor elevador y un segundo semipuente de entrada (201 b) en el modo de convertidor reductor, y estando unido el punto medio (M2) del semipuente de salida (202) a través de en cada caso un conmutador de acoplamiento (S51; S52) con los puntos medios (M1a, b) de los semipuentes de entrada (201a, b) .

17. Disposición de circuito de acuerdo con la reivindicación 16,

caracterizada porque uno de los conmutadores de acoplamiento (S51; S52) durante una conmutación de una corriente de salida (iL2) que fluye a través del punto medio (M2) del semipuente de salida (202) en la dirección de la inductancia de salida (L2) , desde un primer elemento de puente hasta un segundo elemento de puente del semipuente de salida (202) se pasa a estado de conducción, en caso de que la corriente de salida (iL2) no sea adecuada en cuanto a la magnitud y/o dirección, para provocar una descarga de la capacidad (C3; C4) del segundo elemento de puente.

18. Disposición de circuito de acuerdo con la reivindicación 16 o 17,

caracterizada porque se pasa a estado de conducción aquel conmutador de acoplamiento (S51; S52) que une el punto medio (M2) del semipuente de salida (202) con el punto medio (M1a; M1b) del semipuente de entrada (201; 201 b) , el cual se selecciona de tal modo que la corriente de entrada (iL1a; iL1b) que fluye durante la conmutación a través de la inductancia de entrada (L1a; L1b) del semipuente de entrada (201; 201b) hacia el punto medio (M1a; M1b) del semipuente de entrada (201 a; 201 b) se ajusta de modo que una diferencia entre esta corriente de entrada (iL1a; iL1b) y la corriente de salida (iL2) sea adecuada para provocar una descarga de la capacidad (C3; C4) del segundo elemento de puente del semipuente de salida (202) .

19. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque el semipuente de entrada (201) se hace funcionar como rectificador monofásico o polifásico.

20. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque en el caso del elemento de conmutación (S2; D2) del elemento de puente inferior del semipuente de entrada (201) y en el caso del elemento de conmutación (S3; D3) del elemento de puente superior del semipuente de salida (202) se trata en cada caso de un transistor con diodo libre conectado de manera anti-paralela.

21. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque en el caso del elemento de conmutación (S1; D1; D1’) del elemento de puente superior del semipuente de entrada (201) y en el caso del elemento de conmutación (S4, D4; D4’) del elemento de puente inferior del semipuente de salida (201) se trata en cada caso de un transistor con diodo libre conectado de manera anti-paralela o se trata de un diodo, que está conectado de tal manera que se encuentra en un estado de bloqueo, cuando el elemento de conmutación (S2, D2; S3; D3) del elemento de puente opuesto está conectado de manera conductora.

22. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque el conmutador de acoplamiento (S5; S5’) comprende al menos un transistor, cuya conexión de fuente o de emisor está unida con el punto medio del semipuente de entrada o del semipuente de salida, alimentándose un circuito de excitación del transistor por medio de de un procedimiento de autocarga.

23. Disposición de circuito de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada porque los elementos de puente y los conmutadores de acoplamiento (S5; S5’) están alojados en un módulo.

24. Disposición de circuito de acuerdo con la reivindicación 23,

caracterizada porque un circuito de excitación está integrado al menos parcialmente en el módulo.

25. Procedimiento para controlar una disposición de circuito para la conversión de un voltaje de entrada (UE) en un voltaje de salida (UA) con las etapas:

- conectar en paralelo al menos un semipuente de salida (202) y al menos un semipuente de entrada (201) con una capacidad de circuito intermedio (CDC) ,

-establecer cada semipuente (201; 202) con ayuda de un elemento de puente superior (S1, D1; C1; D1’, C1; S3, D3, C3) , de un elemento de puente inferior (S2, D2; C2; S4; D4, C4; D4’, C4) y de un punto medio accesible (M1; M2) entre el elemento de puente superior (S1, D1; C1; D1’, C1; S3, D3, C3) y el elemento de puente inferior (S2, D2; C2; S4; D4, C4; D4’, C4) , conectándose en paralelo para la formación de los elementos de puente en cada caso un elemento de conmutación (S1, D1; D1’; S2, D2; S3, D3; S4, D4; D4’) y una capacidad (C1; C2; C3; C4) ,

- conmutar una corriente (iL1; iL2) que fluye a través del punto medio (M1; M2) de un semipuente (201; 202) mediante una conmutación de al menos un elemento de conmutación de los elementos de puente del semipuente (201; 202) desde el elemento de puente inferior hasta el elemento de puente superior y a la inversa,

- unir el punto medio (M1) del semipuente de entrada (201) a través de una inductancia de entrada (L1) con una conexión de voltaje de entrada (205) ,

- unir el punto medio (M2) del semipuente de salida (202) a través de una inductancia de salida (L2) con una conexión de voltaje de salida (208) , y

- unir el punto medio (M1) del semipuente de entrada (201) a través de un conmutador de acoplamiento (S5; S5’) con el punto medio (M2) del semipuente de salida (202) ,

haciéndose funcionar además los elementos de puente, en el procedimiento en el caso de una conmutación de la corriente que fluye a través del punto medio (M1; M2) de un semipuente (201; 202) (iL1; iL2) desde un primer elemento de puente hasta el segundo elemento de puente del semipuente (201; 202) , durante una fase de conmutación, en un estado de bloqueo, pasándose a estado de conducción el conmutador de acoplamiento (S5; S5’) durante una conmutación de una corriente de salida (iL2) que fluye a través del punto medio (M2) del semipuente de salida (202) hacia la inductancia de salida (L2) desde un primer elemento de puente hasta un segundo elemento de puente del semipuente de salida (202) , cuando la corriente de salida (iL2) no es adecuada en cuanto su magnitud y/o signo, durante la fase de conmutación, para provocar una descarga de la capacidad (C3; C4) del segundo elemento de puente.