CONVERTIDOR DE POTENCIA.

Un convertidor de potencia para controlar el flujo de energía entre unas tensiones primera y segunda,

el convertidor de potencia comprende; una conexión común entre una primera polaridad de las tensiones primera y segunda; una capacitancia (C3), acoplada en un primer electrodo a la conexión común; unos interruptores primero y segundo (S1, S2), que cuando se activan conducen la corriente en los dos sentidos y cuando se desactivan se comportan como un diodo semiconductor, conectados en serie entre la conexión común y un segundo electrodo de la capacitancia (C3); unos interruptores tercero y cuarto (S3, S4), que cuando se activan conducen la corriente en los dos sentidos y cuando se desactivan se comportan como un diodo semiconductor, conectados en serie entre la conexión común y un segundo electrodo de la capacitancia (C3); una primera inductancia (L1) acoplada entre una segunda polaridad de la primera tensión y una conexión que une los interruptores primero y segundo; una segunda inductancia (L2) acoplada entre una segunda polaridad de la segunda tensión y una conexión que une los interruptores tercero y cuarto; y un controlador para controlar el funcionamiento de los interruptores para controlar el flujo de energía entre las tensiones primera y segunda; caracterizado porque el convertidor tiene un primer modo de funcionamiento cuando el controlador hace que el primer interruptor (S1) esté abierto, el segundo interruptor (S2) esté cerrado, y los interruptores tercero y cuarto (S3, S4) se conmuten alternativamente, la segunda tensión es inferior a la primera tensión, un segundo modo de funcionamiento cuando el controlador hace que los interruptores primero y segundo (S1, S2) se conmuten alternativamente, el tercer interruptor (S3) esté abierto y el cuarto interruptor (S4) esté cerrado, siendo la segunda tensión mayor que la primera tensión, y un tercer modo de funcionamiento cuando el controlador hace que los interruptores segundo y cuarto (S2, S4) estén cerrados y los interruptores primero y tercero (S1, S3) estén abiertos, siendo iguales las tensiones primera y segunda

La invención se refiere a un convertidor de potencia para convertir energía eléctrica entre unas tensiones primera y segunda, y en particular a un convertidor de potencia de modo conmutado.

El documento US 4.354.223 describe un circuito recortador elevador y reductor modulado por ancho de impulso que utiliza transistores de potencia, que permite que la tensión de salida sea a la vez disminuida desde su valor de entrada y aumentada desde su valor de entrada.

El documento US 6.232.752 describe un convertidor de potencia CC/CC que utiliza dispositivos MOSFET como conmutadores para proporcionar un convertidor de doble sentido.

1.0 Sumario de la invención

La invención en sus diversos aspectos se define en la reivindicación anexada independiente, a la que ahora se debe hacer referencia. Las características preferidas o ventajosas de la invención se establecen en las reivindicaciones subordinadas dependientes.

El siguiente texto describe la invención, sus principios de funcionamiento, sus ventajas sobre la técnica anterior conocida y, a modo de ejemplo, diversas aplicaciones prácticas de la invención. El texto se refiere a los dibujos que se enumeran a continuación, que incluyen ejemplos de circuitos e ilustraciones del control de estos circuitos. A menos que específicamente se indique lo contrario, estos dibujos son de referencia para ilustrar los principios generales de la invención y no deben considerarse como delimitación del alcance de las reivindicaciones.

La figura 1 muestra la forma genérica de un primer convertidor de potencia de 'modo conmutado' de acuerdo con la invención;

La figura 2 muestra una forma sencilla genérica derivada del circuito de la figura 1, en la que los filtros son simplemente condensadores;

Las figuras 3 y 4 muestran esquemas de circuitos prácticos que utilizan MOSFET y simples filtros de condensadores: (la Fig. 3 tiene ventajas para los circuitos prácticos de mayor potencia ya que los dispositivos MOSFET de canal N suelen estar disponibles en potencias mayores, y con menor 'resistencia en conducción' que los dispositivos de canal P. En la figura 4 se utilizan transistores de tipo P y N; esto tiene la ventaja de la simplicidad en el trazado de circuito de la señal de accionamiento);

Las figuras 5 y 5a a 5e muestran señales de control para el circuito de la figura 2 e ilustran los flujos de corriente en el circuito bajo diferentes condiciones de carga;

La figura 6 es una versión simplificada de un circuito de la técnica anterior;

Las figuras 7 y 8a a 8b muestran señales de control para el circuito de la figura 3 e ilustran los flujos de corriente en el circuito bajo diferentes condiciones de carga;

La figura 9 muestra una versión modificada, de polaridad negativa, del circuito de la figura 4;

La figura 10 muestra un convertidor de potencia de tres fases que incorpora tres circuitos basados en el de la figura 1; y

La figura 11 muestra una forma genérica del circuito de la figura 1, incorporando filtros de entrada y de salida.

Los convertidores de potencia en un aspecto preferido de la invención son simétricos y de doble sentido: la característica general de estos convertidores es que establecen una relación de tensión entre el lado derecho e izquierdo, y la potencia fluirá en ambos sentidos a través del convertidor determinado por las características de las cargas o las fuentes de electricidad que se conecten. La relación de tensiones puede ser tal que la tensión en un lado es más alta o más baja que la otra, independiente del sentido o la magnitud del flujo de corriente. Hay un caso especial en el que los dos interruptores de arriba (como se muestra en los dibujos) se activan, lo que directamente conectará un lado con el otro con sólo pequeñas pérdidas resistivas en serie: está claro que la relación de tensiones es ahora 1:1 y la eficiencia en cuanto a energía es muy alta.

Debido a la falta de inevitables caídas de tensión (tales como caídas de tensión directa de diodos semiconductores)

o cualquier otro elemento disipador necesario, no hay pérdidas de potencia intrínsecas, y sometida a las limitaciones de diseño práctico la eficacia en potencia puede acercarse ventajosamente al 100%.

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El diseño es particularmente adecuado para su uso en sistemas de varias fases, en los que se puede realizar una gran reducción del coste y el tamaño de los componentes. Esta topología de diseño es única en muchos sentidos: en diseños de varias fases se distingue al tener cuatro terminales que se pueden conectar en paralelo.

Estas características hacen del diseño particularmente adecuado para los controladores de vehículos eléctricos, que se encuentran entre una batería recargable y un motor impulsor. Las características de tensión del motor y la batería pueden elegirse para que coincidan con la velocidad de crucero: en el caso especial de conexión directa la eficiencia es especialmente alta, pero la eficiencia es también alta a velocidades en torno a la velocidad de crucero, y la velocidad del motor se puede controlar desde cero a cualquier velocidad deseada superior (que puede, en principio, ser una velocidad proporcional a cualquier múltiplo de la tensión de alimentación).

En este documento, el funcionamiento se describe en gran medida en lo que se refiere a la aplicación al vehículo eléctrico, pero la invención tiene muchas otras áreas de aplicación, como se apreciará fácilmente por parte de la persona experta en la técnica.

2.0 Teoría de funcionamiento

Los cuatro interruptores del circuito básico en la figura 1 se pueden cerrar en varias combinaciones, y en la Tabla 1 a continuación se enumeran estas. Algunas de estas son conmutación fija, en la que los lados izquierdo y derecho se conectan directamente, o en la que se pueden hacer conexiones 'especiales' para aislar una alimentación, o aplicar un corto con una carga del motor (para proporcionar una función de amortiguación o de freno de 'estacionamiento'.

TABLA 1 SUMARIO DE COMBINACIONES ÚTILES DE CONMUTACIÓN

S4 S3 S2 S1

El funcionamiento principal del diseño es como un convertidor de modo conmutado, en el que dos interruptores están activos, lo que es capaz de transferir energía en ambos sentidos entre dos tensiones diferentes. En las aplicaciones prácticas un lado es probable que sea una fuente de alimentación, tal como una batería recargable, el otro lado una carga tal como un motor eléctrico. Después de la convención la descripción siguiente sitúa la batería a la izquierda del diagrama (figura) y el motor en la derecha. Cabe señalar que una batería recargable se puede tanto cargar como descargar, y que un motor eléctrico de CC, puede actuar generalmente como un motor y como una dinamo, de manera que el flujo de corriente puede ser en cualquier sentido, independientemente de las tensiones reales de batería y motor.

En una aplicación práctica normalmente sería el requisito llevar el motor desde un estado en el que no hubiera impulsión (cuando puede estar inducido con un corto a través del mismo), de manera progresiva a una tensión de trabajo, que puede variarse, a continuación volver a cero. Esta progresión suave, con corrientes y tensiones eléctricas y cargas mecánicas dentro de los límites de diseño permiten una descripción simple, en la que se suponen estas características 'dentro de límites'. En un circuito de prácticas también es necesario añadir funciones de control de seguridad, y estas se describen más adelante.

La mayoría de los convertidores convencionales de modo conmutado son o 'convertidores elevadores' o 'convertidores reductores', y en la mayoría la corriente sólo puede fluir en un sentido, es decir, desde la fuente hasta la carga.... [Seguir leyendo]

1. Un convertidor de potencia para controlar el flujo de energía entre unas tensiones primera y segunda, el convertidor de potencia comprende; una conexión común entre una primera polaridad de las tensiones primera y segunda; una capacitancia (C3), acoplada en un primer electrodo a la conexión común; unos interruptores primero y segundo (S1, S2), que cuando se activan conducen la corriente en los dos sentidos y cuando se desactivan se comportan como un diodo semiconductor, conectados en serie entre la conexión común y un segundo electrodo de la capacitancia (C3); unos interruptores tercero y cuarto (S3, S4), que cuando se activan conducen la corriente en los dos sentidos y cuando se desactivan se comportan como un diodo semiconductor, conectados en serie entre la conexión común y un segundo electrodo de la capacitancia (C3); una primera inductancia (L1) acoplada entre una segunda polaridad de la primera tensión y una conexión que une los interruptores primero y segundo; una segunda inductancia (L2) acoplada entre una segunda polaridad de la segunda tensión y una conexión que une los interruptores tercero y cuarto; y un controlador para controlar el funcionamiento de los interruptores para controlar el flujo de energía entre las tensiones primera y segunda; caracterizado porque el convertidor tiene un primer modo de funcionamiento cuando el controlador hace que el primer interruptor (S1) esté abierto, el segundo interruptor (S2) esté cerrado, y los interruptores tercero y cuarto (S3, S4) se conmuten alternativamente, la segunda tensión es inferior a la primera tensión, un segundo modo de funcionamiento cuando el controlador hace que los interruptores primero y segundo (S1, S2) se conmuten alternativamente, el tercer interruptor (S3) esté abierto y el cuarto interruptor (S4) esté cerrado, siendo la segunda tensión mayor que la primera tensión, y un tercer modo de funcionamiento cuando el controlador hace que los interruptores segundo y cuarto (S2, S4) estén cerrados y los interruptores primero y tercero (S1, S3) estén abiertos, siendo iguales las tensiones primera y segunda.

2. Un convertidor de potencia según la reivindicación 1, en el que la conmutación alternativa de los interruptores primero y segundo (S1, S2) o los interruptores tercero y cuarto (S3, S4) determina la relación entre la primera tensión y la segunda tensión.

3. Un convertidor de potencia según la reivindicación 1, en el que la potencia puede ser transferida en cualquier sentido, desde la primera tensión a la segunda tensión o desde la segunda tensión a la primera tensión.

4. Un convertidor de potencia según la reivindicación 1, que es sustancialmente simétrico entre las tensiones primera y segunda.

5. Un convertidor de potencia según la reivindicación 1, que comprende un filtro, tal como un condensador (C1), acoplado entre las polaridades primera y segunda de la primera tensión.

6. Un convertidor de potencia según la reivindicación 1, que puede funcionar como una fuente de alimentación o en un modo de regeneración sin variar el funcionamiento del controlador de los interruptores.

7. Un convertidor de potencia según la reivindicación 1, en el que uno o varios de los interruptores (S1, S2, S3, S4) comprende un MOSFET.

8. Un convertidor de potencia según la reivindicación 7, en el que el controlador conmuta de forma alterna un par de interruptores, siendo los interruptores primero y segundo (S1, S2), o los interruptores tercero y cuarto (S3, S4), con un retraso de intervención durante el que los dos interruptores del par se desactivan y la corriente es llevada temporalmente por la parte intrínseca del diodo del MOSFET.

9. Una fuente de tensión variable que comprende un convertidor de potencia según la reivindicación 1.

10. Un vehículo de propulsión eléctrica que comprende un convertidor de potencia, según la reivindicación 1.