Convertidor DC/DC con filtro para limitar la oscilación de la corriente de entrada y método asociado.

Convertidor DC/DC (1) con una corriente de salida (Iout) que es variable periódicamente en el tiempo en una frecuencia de oscilación, que comprende una red de control

(11), que genera una señal de referencia variable (RefI) para la corriente de acceso (Iin), dicha señal de referencia (RefI) se obtiene de la diferencia entre el voltaje de salida (Vout) de dicho convertidor y un voltaje de referencia (Vref), donde dicha señal de referencia (RefI) causa una variación en el ciclo de funcionamiento del convertidor para compensar la variación en el voltaje de salida (Vout) que resulta de una variación en la corriente de salida (Iout); caracterizado por el hecho de que dicha señal de referencia (RefI) se suaviza esencialmente eliminando de ella o reduciendo sustancialmente una onda en dicha frecuencia de oscilación tal como para mantener el valor de la corriente de acceso (Iin) del convertidor esencialmente suavizado, independientemente de la variación cíclica en la corriente absorbida por la carga en dicha frecuencia de oscilación.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E02425389.

Solicitante: ABB TECHNOLOGY AG.

Nacionalidad solicitante: Suiza.

Dirección: AFFOLTERNSTRASSE 44 8050 ZURICH SUIZA.

Inventor/es: CINCINELLI, LORENZO, MACERINI,SAURO.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA... > Transformación de una potencia de entrada en corriente... > H02M3/156 (con control automático de la tensión o de la corriente de salida, p. ej. reguladores de conmutación)

PDF original: ES-2545682_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Convertidor DC/DC con filtro para limitar la oscilación de la corriente de entrada y método asociado.

La presente invención se refiere a un convertidor DC/DC que se puede conectar a una carga que absorbe 5 una corriente de salida del convertidor que es variable en el tiempo, por ejemplo con una variación cíclica a una frecuencia de 100 o 120 Hz.

En muchas aplicaciones el convertidor DC/DC se usa como un componente para la emisión de un voltaje continuo a una carga que absorbe una corriente de manera periódica. La oscilación de la corriente absorbida por la 10 carga, si no se toma ninguna medida especial, produce una correspondiente oscilación u onda que afecta a la corriente de acceso del convertidor DC/DC. En ciertos casos esta oscilación u onda no es aceptable o en cualquier caso debe ser limitada. Este requisito surge, por ejemplo, cuando la fuente de voltaje continua conectada a la entrada del convertidor DC/DC consiste en una o varias células de combustible que pueden sólo tolerar oscilaciones pequeñas de la corriente suministrada o en aplicaciones en el sector de las telecomunicaciones, donde la absorción 15 pulsada en el rango psofométrico supondría el trastorno de las transmisiones a lo largo de la linea telefónica.

Actualmente se usan filtros pasivos del tipo LC para reducir la onda que afecta a la corriente de entrada de un convertidor DC/DC. Se requieren grandes inductancias para eliminar la oscilación de la corriente de entrada. Estas inductancias son costosas, aparatosas y pesadas y por lo tanto constituyen un problema con respecto a la formación 20 de circuitos de tamaño pequeño y de bajo coste.

El documento US-A-6, 181, 120 divulga un convertidor de modo de corriente DC/DC que incluye un bucle de control de voltaje, que genera una señal de error de voltaje basada en una corriente de salida convertidora y un voltaje de referencia. La señal de error de voltaje se utiliza para generar una señal de accionamiento PWM para el 25 accionamiento del interruptor del convertidor DC/DC. El bucle de control de voltaje mantiene una inflexión controlada en el voltaje de salida en respuesta a las cargas transitorias.

El objetivo de la presente invención es proporcionar un convertidor DC/DC del tipo anteriormente mencionado que evite los inconvenientes de los convertidores convencionales, eliminando los filtros pasivos LC usados 30 actualmente y en cualquier caso reduciendo suficientemente la onda de la corriente absorbida por el convertidor.

Este objeto se consigue con un convertidor DC/DC según la reivindicación 1.

El objetivo de la invención es también proporcionar un método para suavizar la corriente de entrada de un 35 convertidor DC/DC sin usar filtros pasivos LC.

Este objeto se consigue con un método según la reivindicación 20.

La reivindicación dependiente se refiere a características ventajosas adicionales del convertidor y método 40 según algunas formas de realización de la invención.

Esencialmente, según un primer aspecto de la invención se provee un convertidor DC/DC, con una corriente de salida variable cíclicamente en el tiempo, que comprende una red de control que genera una señal de referencia variable para la corriente de entrada que es esencialmente suavizada y obtenida de la diferencia entre el voltaje de 45 salida y un voltaje de referencia adicional, y en el cual dicha señal de referencia de corriente esencialmente suavizada causa una variación en el ciclo de funcionamiento del convertidor para compensar la variación en el voltaje de salida que resulta de una variación en la corriente de salida. Se entiende que una "señal de referencia esencialmente suavizada" significa una señal que no se ve afectada (o sólo en un grado muy pequeño) por las oscilaciones periódicas del voltaje de salida que resultan de la frecuencia de oscilación de la corriente absorbida por 50 la carga. Al hacer eso, el ciclo de funcionamiento del convertidor se puede modificar sin que la señal de retroacción se vea afectada por la onda del voltaje de salida provocada por la absorción pulsada de corriente en la salida misma.

Según una forma de realización posible de la invención, la red de control comprende un nodo para la comparación de la corriente de entrada y dicha señal de referencia. La diferencia entre dichas dos señales, 55 adecuadamente compensadas, causa una variación en el ciclo de funcionamiento del convertidor.

La red de control puede comprender en la práctica una primera fase para la estabilización del valor del voltaje de salida del convertidor y una segunda fase para controlar la corriente de entrada del convertidor. La segunda fase recibe, en su entrada, la señal de referencia, suministrada por la primera fase, y modifica el ciclo de funcionamiento 60 del convertidor DC/DC para mantener la corriente de entrada del convertidor más o menos "suavizada".

En una forma de realización posible de la invención la red de control comprende en combinación:

- un primer nodo de comparación donde el voltaje de salida del convertidor se compara con el voltaje de referencia 65 para generar una señal de error;

- y una primera red integradora proporcional que recibe en su entrada dicha señal de error y la salida de la cual forma la señal de referencia del bucle para la regulación de la corriente de entrada.

El efecto de esta red integradora proporcional, además de la compensación de la respuesta de bucle del voltaje de salida, es el de suavizar la señal de referencia de corriente, para eliminar o reducir esencialmente la onda, 5 para ser capaz de usar esta señal en un nodo para la comparación con una señal de corriente de entrada y generar una retroacción que modifica el ciclo de funcionamiento del convertidor. Así es posible eliminar de la señal de error la influencia en ésta de la oscilación periódica en el voltaje en los terminales del condensador de salida del convertidor DC/DC debido a la absorción variable, en el tiempo, de la corriente por la carga.

En la práctica la red integradora proporcional tiene una frecuencia de corte esencialmente inferior a la frecuencia de la variación periódica en la corriente de salida del convertidor, es decir la corriente que suministra a la carga. De esta manera la señal de referencia generada por el circuito es una señal calculada según el promedio.

Esencialmente, la frecuencia de corte de la red integradora proporcional de la primera fase de la red de 15 control puede ser al menos un orden de magnitud menor que la frecuencia de oscilación de la corriente de salida del convertidor. Por lo tanto, si el convertidor está asociado con una carga que absorbe una corriente que oscila a una frecuencia de 100 Hz, la frecuencia de corte de la red integradora proporcional de la primera fase puede encontrarse en el rango de 1-10 Hz.

Ventajosamente la segunda fase de la red de control comprende un circuito que genera una señal de error dependiendo de la diferencia entre la señal de referencia generada por la primera fase y una señal que es proporcional a la corriente de entrada del convertidor. En la práctica, la segunda fase comprende un segundo nodo de comparación donde la señal de referencia suministrada por la primera fase se compara con una señal de corriente proporcional a la corriente de entrada de dicho convertidor. 25

La señal de salida de este segundo nodo de comparación puede aplicarse ventajosamente a una segunda red integradora proporcional que posee una frecuencia de corte esencialmente superior a la frecuencia de corriente de salida, por ejemplo superior a este último en al menos un orden de magnitud o más. El paso de banda de la red integradora proporcional de la segunda fase es en cualquier caso de manera que su... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Convertidor DC/DC (1) con una corriente de salida (Iout) que es variable periódicamente en el tiempo en una frecuencia de oscilación, que comprende una red de control (11) , que genera una señal de referencia variable (RefI) para la corriente de acceso (Iin) , dicha señal de referencia (RefI) se obtiene de la diferencia entre el voltaje de salida 5 (Vout) de dicho convertidor y un voltaje de referencia (Vref) , donde dicha señal de referencia (RefI) causa una variación en el ciclo de funcionamiento del convertidor para compensar la variación en el voltaje de salida (Vout) que resulta de una variación en la corriente de salida (Iout) ; caracterizado por el hecho de que dicha señal de referencia (RefI) se suaviza esencialmente eliminando de ella o reduciendo sustancialmente una onda en dicha frecuencia de oscilación tal como para mantener el valor de la corriente de acceso (Iin) del convertidor esencialmente suavizado, 10 independientemente de la variación cíclica en la corriente absorbida por la carga en dicha frecuencia de oscilación.

2. Convertidor según la reivindicación 1, en el que dicha red de control (11) comprende un nodo (19) para la comparación de la corriente de entrada (Iin) y dicha señal de referencia (RefI) , la diferencia entre dichas dos señales, adecuadamente compensadas, es usada para variar el ciclo de funcionamiento del convertidor. 15

3. Convertidor según la reivindicación 1 o 2, con una primera fase (13) para la estabilización del valor del voltaje de salida (Vout) de dicho convertidor, y una segunda fase (14) para controlar la corriente de entrada (Iin) de dicho convertidor, la segunda fase recibe, en su entrada, dicha señal de referencia (RefI) suministrada por la primera fase y modifica el ciclo de funcionamiento del convertidor DC/DC para mantener la corriente de entrada de dicho 20 convertidor esencialmente constante.

4. Convertidor según la reivindicación 1 o 2 o 3, donde dicha red de control (11) comprende:

- un primer nodo de comparación (15) en el que el voltaje de salida (Vout) del convertidor se compara con el voltaje 25 de referencia (Vref) para generar una señal de error (Verr) ;

- y una primera red integradora proporcional (17) que recibe en su entrada dicha señal de error (Verr) y la salida de la cual está formada por dicha señal de referencia (RefI) .

5. Convertidor según las reivindicaciones 3 y 4, donde dicho primer nodo de comparación y dicha primera red 30 integradora proporcional (17) están dispuestos en dicha primera fase (13) .

6. Convertidor según la reivindicación 4 o 5, donde dicha primera red integradora proporcional (17) tiene una frecuencia de corte esencialmente menor que la frecuencia de la corriente de salida (Iout) del convertidor.

7. Convertidor según la reivindicación 4 o 5 o 6, donde la frecuencia de corte de dicha primera red integradora proporcional (17) tiene una frecuencia de corte al menos un orden de magnitud menor que la frecuencia de la corriente de salida (Iout) del convertidor.

8. Convertidor según al menos la reivindicación 3, donde dicha segunda fase (14) de la red de control (11) 40 comprende un circuito que genera una señal de retroacción dependiendo de la diferencia entre la señal de referencia (RefI) generada por la primera fase (13) y una señal que es proporcional a la corriente de entrada (Iin) del convertidor.

9. Convertidor según la reivindicación 8, donde dicha segunda fase (14) comprende un segundo nodo de 45 comparación (19) donde la señal de referencia (Refl) suministrada por la primera fase se compara con dicha señal de corriente proporcional a la corriente de entrada (Iin) de dicho convertidor.

10. Convertidor según la reivindicación 8 o 9, en el que dicha segunda fase (14) también comprende una segunda red integradora proporcional (21) con una frecuencia de corte esencialmente superior a la frecuencia de la corriente 50 de salida y en el que dicha segunda red integradora proporcional recibe en su entrada una señal de salida desde dicho segundo nodo de comparación (19) y emite una señal para controlar el ciclo de funcionamiento del convertidor.

11. Convertidor según la reivindicación 10, donde la frecuencia de corte inferior de la red integradora proporcional (21) de dicha segunda fase (14) es al menos un orden de magnitud superior a la frecuencia de la corriente de salida. 55

12. Convertidor según una o más de las reivindicaciones anteriores, en el que se prevé un aislamiento galvánico (41) entre la primera y la segunda fase de la red de control (11) .

13. Convertidor según la reivindicación 12, en el que dicho aislamiento galvánico se encuentra en forma de un 60 acoplador optoelectrónico.

14. Convertidor según una o más de las reivindicaciones anteriores, que comprende una red de delinealización (33A, 33B) para delinealizar la red de control en caso de grandes variaciones en la corriente de salida.

15. Convertidor según la reivindicación 14, en el que dicha red de delinealización comprende dos diodos en una disposición anti-paralela.

16. Convertidor según la reivindicación 3, en el que dicha primera fase comprende un primer amplificador operativo de inversión (31) , a la entrada sin inversión del cual se aplica dicho voltaje de referencia (Vref) y a la entrada de inversión del cual se aplica una señal proporcional al voltaje de salida (Vout) del convertidor, y que comprende una 5 red de reacción RC (37, 39) .

17. Convertidor según al menos la reivindicación 3, en el que dicha segunda fase (14) comprende un segundo amplificador operativo de inversión (43) a la entrada sin inversión del cual se aplica la señal de salida (Refl) de dicha primera fase (13) y a la entrada de inversión del cual se aplica una señal proporcional a la corriente de entrada (Iin) 10 de dicho convertidor.

18. Convertidor según una o más de las reivindicaciones anteriores, que incluye un condensador de salida (9) que está dimensionado para suavizar el voltaje de salida (Vout) , eliminando o reduciendo la onda en la frecuencia de variación de la corriente de salida (Iout) . 15

19. Convertidor según al menos la reivindicación 10, en el que la salida de dicha segunda red integradora proporcional (21) se aplica a un circuito PWM (23) , la salida del cual controla el ciclo de funcionamiento del convertidor.

20. Método para suavizar la corriente de entrada (Iin) de un convertidor DC/DC, la salida del cual está conectada a una carga (Z) que absorbe una corriente (Iout) en cierto modo variable cíclicamente en una frecuencia de oscilación, donde se genera una señal de referencia variable (RefI) para la corriente de entrada (Iin) en base al voltaje de salida (Vout) de dicho convertidor y un voltaje de referencia (Vref) , y donde el ciclo de funcionamiento de dicho convertidor se modifica según la variación en la corriente (Iout) absorbida por dicha carga (Z) para compensar la variación en el 25 voltaje de salida (Vout) como resultado de una variación en la corriente de salida (Iout) ; caracterizado por el hecho de que dicha señal de referencia (RefI) es esencialmente suavizada eliminando de ella o reduciendo esencialmente una onda en dicha frecuencia de oscilación, para mantener el valor de la corriente de entrada (Iin) del convertidor suavizado esencialmente, independientemente de la variación cíclica en dicha frecuencia de oscilación de la corriente (Iout) absorbida por la carga (Z) . 30

21. Método según la reivindicación 20, que comprende las etapas de:

a) generar una señal de referencia (RefI) , que es una función de la diferencia entre el valor medio del voltaje de salida (Vout) de dicho convertidor y un voltaje de referencia (Vref) , dicha señal forma una referencia para un bucle de 35 corriente;

b) generar una señal de retroacción, que es una función de dicha señal de referencia y la corriente de entrada (Iin) de dicho convertidor;

c) modificar el ciclo de funcionamiento de dicho convertidor dependiendo de la señal de retroacción, reduciendo o eliminando las oscilaciones en la corriente de entrada determinadas por las oscilaciones en la corriente absorbida 40 por dicha carga.

22. Método según la reivindicación 20 o 21, que comprende las etapas de:

comparar una señal proporcional al voltaje de salida (Vout) de dicho convertidor con un valor de referencia (Vref) y generar una señal de error (Verr) ; 45

- aplicar la señal de error (Verr) a una primera red integradora proporcional (17) para generar dicha señal de referencia (RefI) ;

- comparar dicha señal de referencia (Refl) con la corriente de entrada (Iin) de dicho convertidor para generar una señal de retroacción; 50

- utilizar dicha señal de retroacción para modificar el ciclo de funcionamiento del convertidor.

23. Método según la reivindicación 22, donde dicha primera red integradora proporcional tiene una frecuencia de corte que es al menos un orden de magnitud menor que la frecuencia de la corriente de salida (Iout) del convertidor.

24. Método según la reivindicación 22 o 23, donde la comparación entre la señal de referencia (RefI) y la corriente de entrada (Iin) genera una señal de error que se aplica a una segunda red integradora proporcional (21) , que posee una frecuencia de corte inferior que es al menos un orden de magnitud superior que la frecuencia del corriente (Iout) absorbida por la carga, la señal de salida de dicha segunda red integradora proporcional es usada para modificar el ciclo de funcionamiento del convertidor. 60

25. Método según la reivindicación 24, donde la salida de la segunda red integradora proporcional acciona un circuito PWM (23) , la salida del cual controla el ciclo de funcionamiento del convertidor.