Convertidor conmutado que, alimentado mediante una tensión positiva (Vp) y una tensión negativa (Vm) respecto a la masa,

entrega una tensión de salida entre un primer borne de salida (SP) y un segundo borne de salida (SM), estando este último unido directamente a la masa o a través de una resistencia, que comprende dos devanados (Ls, Lp) arrollados en oposición alrededor de un núcleo magnético, siendo el número de espiras del segundo devanado (Lp) superior al número de espiras del primer devanado (Ls), estando el primer extremo del primer devanado (Ls) unido a un punto medio de una primera rama que une la tensión positiva (Vp) a la tensión negativa (Vm) y comprendiendo un primer diodo (D1) y un segundo diodo (D2) en montaje inverso, estando el punto medio de la primera rama situado entre el primer diodo (D1) y el segundo diodo (D2), estando el segundo extremo del primer devanado (Ls) unido a la masa, estando el primer extremo del segundo devanado (Lp) unido a un punto medio de una segunda rama que une la tensión positiva (Vp) a la tensión negativa (Vm), comprendiendo la parte de la segunda rama que une su punto medio a la tensión positiva (Vp), dispuestos en serie, un primer medio en configuración de interruptor (Q1) y un tercer diodo (D3) en montaje directo respecto a la tensión positiva (Vp) y que juntos forman un interruptor unidireccional con poder de bloqueo directo e inverso, comprendiendo la parte de la segunda rama que une su punto medio a la tensión negativa (Vm), dispuestos en serie, un segundo medio en configuración de interruptor (Q2) y un cuarto diodo (D4) en montaje directo respecto a la tensión negativa (Vm) y que juntos forman un interruptor unidireccional con poder de bloqueo directo e inverso, estando el segundo extremo del segundo devanado (Lp) unido al borne de salida (S)

Convertidor conmutado unipolar o bipolar con dos devanados magnéticamente acoplados.

Campo técnico

La invención se refiere a un convertidor conmutado unipolar o bipolar, que funciona en los cuadrantes (Is > 0; Vs > 0) e (Is < 0; Vs < 0), así como con corriente o tensión de salida nulas, que posee devanados magnéticamente acoplados, pudiendo ser configurado con el modo de regulación adaptado como fuente de corriente o fuente de tensión. Ésta tiene aplicación en todos los tipos de equipo terrestre, naval o aéreo que utilizan este tipo de convertidor conmutado, en particular los controles de actuador electromecánico de los autómatas de regulación para turbomotor.

Estado de la técnica anterior

El gobierno de actuadores eléctricos que presentan una carga de tipo RL (resistencia e inductancia en serie) se puede realizar bien mediante aplicación de una tensión regulada en los bornes de la bobina de mando del actuador, o bien mediante una fuente de corriente, prefiriéndose a menudo esta última solución en entorno severo, ya que esencialmente permite limitar la potencia utilizada para gobernar el accesorio.

Las fuentes de corriente conmutadas se pueden agrupar de forma clásica entre las fuentes de corriente que utilizan la inductancia de la carga como elemento de almacenamiento de la energía durante la operación de troceo, hecho que implica la aplicación en los bornes de la carga, a la frecuencia de conmutación o troceo, de una tensión alternativamente positiva y negativa, pudiendo considerarse idealmente que las transiciones entre estos dos estados son instantáneas, y las fuentes de corriente que suministran una corriente continua y, consiguientemente, una tensión continua en los bornes de la carga, cuyo elemento de almacenamiento de energía para el troceo está situado sobre la propia placa de control.

Las fuentes de corriente conmutadas que utilizan la inductancia de la carga como elemento de almacenamiento de energía tienen la ventaja de que presentan un control que, a primera vista, es simple. Incorporan pocos o eventualmente ningunos elementos inductivos, lo que lleva a una evidente ganancia en las dimensiones del circuito. Por el contrario, éstas presentan cierto número de inconvenientes. Éstas presentan una gran dependencia respecto al valor de la inductancia de la carga: la capacidad de controlar la corriente instantánea en los interruptores de la fuente de corriente depende directamente del valor de la inductancia de carga. La resistencia a los cortocircuitos entre los bornes de salida del convertidor o entre cualquier otro borne de salida y la masa es muy difícil. En efecto, en caso de cortocircuito de la carga, no es posible, a menos que se añadan componentes, limitar la corriente instantánea. Así pues, es fuerza en la práctica añadir una inductancia a la salida del convertidor al objeto de limitar la corriente de cortocircuito, añadir un dispositivo de protección y de corte muy rápido para limitar el valor máximo de la corriente de cortocircuito, añadir un circuito de desmagnetización de la inductancia de salida para gestionar el corte tras la detección del cortocircuito a la salida, sobredimensionar las interfaces (condensador de filtrado de entrada) para que puedan soportar la corriente de cortocircuito. En lo referente al aspecto compatibilidad electromagnética (emisiones conducidas esencialmente), es difícil hacer estos convertidores compatibles con las normas de emisión aeronáuticas, si se quiere una frecuencia de conmutación elevada para limitar el volumen ocupado por los componentes pasivos de los convertidores, sobre todo si la carga es gobernada al final de varios metros de cable. Consecuencia de ello es una frecuencia de conmutación reducida típicamente por debajo de 10 kHz y una obligación de dimensionar un filtro de salida (modo común y modo diferencial) que desempeñará una función capital en la estabilidad del conjunto y ocupará un espacio significativo. Este tipo de fuente de corriente conmutada queda restringido a aplicaciones de gran potencia, para las que una débil frecuencia de conmutación no es necesariamente una desventaja.

Para los convertidores que suministran una tensión continua en los bornes de la carga, el troceo ya no se efectúa en la carga, sino que la corriente (o la tensión) se regula a la salida de un convertidor conmutado que comprende una inductancia que almacena como mínimo toda la energía transferida a la carga y se añade un condensador para alisar la tensión de salida. Así pues, la tensión de salida es prácticamente continua en los bornes de la carga. Por lo tanto, hay menos dificultades para cumplir las normas aeronáuticas de ruido emitido en conducción. En caso de cortocircuito de la carga, obviamente la corriente en el convertidor se mantiene limitada. Se pueden contemplar frecuencias de conmutación que superen los 100 kHz, limitadas de hecho por el rendimiento del convertidor y la eficacia de los circuitos de control de puerta de los elementos interruptores.

La figura 1a es un esquema de conexiones eléctricas de un convertidor de la técnica anterior que suministra una tensión continua en los bornes de una carga. El circuito es alimentado mediante una tensión positiva Vp (por ejemplo +25 V) y una tensión negativa Vm (por ejemplo -25 V) respecto a la masa. Éste comprende dos elementos T1 y T2 que comprenden cada uno de ellos dos devanados acoplados magnéticamente alrededor de un núcleo magnético. Los devanados de un mismo elemento T1 o T2 están arrollados en oposición, tal como se indica por un punto en la figura 1a. El devanado E1 del elemento T1 posee un primer extremo unido a la tensión Vp por mediación de un diodo D5 en montaje inverso respecto a la tensión Vp, siendo la masa su segundo extremo. El devanado E2 del elemento T1 posee un primer extremo unido a un primer borne de un interruptor Q3 cuyo segundo borne está unido a la tensión Vp. El segundo extremo del devanado E2 está unido al borne de salida S1P del circuito. El devanado E3 del elemento T2 posee un primer extremo unido a la tensión Vm por mediación de un diodo D6 en montaje inverso respecto a la tensión Vm, siendo la masa su segundo extremo. El devanado E4 del elemento T2 posee un primer extremo unido a un primer borne de un interruptor Q4 cuyo segundo borne está unido a la tensión Vm. El segundo extremo del devanado E4 está unido al borne de salida S1P del circuito. Entre la salida S1P y la masa se conecta un condensador de alisado C1.

El convertidor se transforma en fuente de corriente mediante el aporte de un medio de medida de la corriente de salida, de una regulación y de un modulador adaptados. Tal es lo que muestra la figura 1b, en la que la carga conectada a la salida del convertidor está representada en forma de una resistencia Rc y de una inductancia Lc conectadas en serie. La corriente de salida es medida por un medio de medida 1 que entrega una señal representativa a una primera entrada de un medio de regulación (o corrector) 2. Una segunda entrada Ec del medio de regulación 2 recibe una señal de consigna. La señal de salida del medio de regulación 2 se destina a la entrada de un modulador 3 que entrega una señal de control SQ3 al interruptor Q3 y una señal de control SQ4 al interruptor Q4.

El convertidor ilustrado mediante la figura 1a comprende pues cuatro devanados y dos núcleos magnéticos, lo que conduce a un coste relativamente alto y un volumen ocupado por el circuito relativamente grande.

El documento EP-A-0913919 describe un convertidor conmutado alimentado mediante una tensión positiva y una tensión negativa respecto a la masa, con dos interruptores en serie que entregan una tensión de salida a un punto común, y con dos diodos montados en paralelo con los dos interruptores, con unos devanados primarios en el circuito de salida sobre una carga y con un devanado secundario en serie con una bobina para evacuar la energía en la fuente de tensión cuando se abren los interruptores.

Exposición de la invención

Con el fin de disminuir el coste y el exceso de volumen de un convertidor conmutado que suministra una tensión continua positiva, negativa o nula en los bornes de una carga, se propone, de acuerdo con la presente invención, un circuito con dos devanados acoplados sobre un único núcleo magnético. Es entonces necesario añadir dos diodos al circuito, pero estos elementos son de coste reducido y de escasa exigencia de espacio.

Un primer objeto de la invención consiste en un convertidor conmutado que, alimentado mediante una tensión positiva y una tensión...

1. Convertidor conmutado que, alimentado mediante una tensión positiva (Vp) y una tensión negativa (Vm) respecto a la masa, entrega una tensión de salida entre un primer borne de salida (SP) y un segundo borne de salida (SM), estando este último unido directamente a la masa o a través de una resistencia, que comprende dos devanados (Ls, Lp) arrollados en oposición alrededor de un núcleo magnético, siendo el número de espiras del segundo devanado (Lp) superior al número de espiras del primer devanado (Ls), estando el primer extremo del primer devanado (Ls) unido a un punto medio de una primera rama que une la tensión positiva (Vp) a la tensión negativa (Vm) y comprendiendo un primer diodo (D1) y un segundo diodo (D2) en montaje inverso, estando el punto medio de la primera rama situado entre el primer diodo (D1) y el segundo diodo (D2), estando el segundo extremo del primer devanado (Ls) unido a la masa, estando el primer extremo del segundo devanado (Lp) unido a un punto medio de una segunda rama que une la tensión positiva (Vp) a la tensión negativa (Vm), comprendiendo la parte de la segunda rama que une su punto medio a la tensión positiva (Vp), dispuestos en serie, un primer medio en configuración de interruptor (Q1) y un tercer diodo (D3) en montaje directo respecto a la tensión positiva (Vp) y que juntos forman un interruptor unidireccional con poder de bloqueo directo e inverso, comprendiendo la parte de la segunda rama que une su punto medio a la tensión negativa (Vm), dispuestos en serie, un segundo medio en configuración de interruptor (Q2) y un cuarto diodo (D4) en montaje directo respecto a la tensión negativa (Vm) y que juntos forman un interruptor unidireccional con poder de bloqueo directo e inverso, estando el segundo extremo del segundo devanado (Lp) unido al borne de salida (S).

2. Convertidor conmutado según la reivindicación 1, en el que entre el primer borne de salida (SP) del convertidor y la masa está conectado un condensador de alisado (CS).

3. Convertidor conmutado según una de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que, en la segunda rama que une la tensión positiva (Vp) a la tensión negativa (Vm), dicha disposición en serie consiste en disponer los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) en el lado de las respectivas tensiones positiva o negativa y en disponer los diodos tercero (D3) y cuarto (D4) en el lado del punto medio de la segunda rama.

4. Convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) se eligen entre los transistores MOS, los transistores bipolares y los transistores IGBT o cualquier otro interruptor que tenga una capacidad de conducción bidireccional y una capacidad de bloqueo directo.

5. Convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además un medio de medida (11) de la tensión de salida del convertidor, medio de medida que entrega una señal de salida representativa de la tensión de salida a una primera entrada de un medio de regulación (12) con una segunda entrada que recibe una señal de consigna, entregando el medio de regulación (12) una señal suministrada a la entrada de un modulador (13) con una primera salida que envía una señal de control (SQ1) al primer medio en configuración de interruptor (Q1) y con una segunda salida que envía una señal de control (SQ2) al segundo medio en configuración de interruptor (Q2), quedando así el convertidor configurado como fuente de tensión.

6. Convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además un medio de medida (21) de la corriente de salida (is) del convertidor, medio de medida que entrega una señal de salida representativa de la corriente de salida del convertidor a una primera entrada de un medio de regulación (22) con una segunda entrada que recibe una señal de consigna, entregando el medio de regulación (22) una señal suministrada a la entrada de un modulador (23) con una primera salida que envía una señal de control (SQ1) al primer medio en configuración de interruptor (Q1) y con una segunda salida que envía una señal de control (SQ2) al segundo medio en configuración de interruptor (Q2), quedando el convertidor configurado como fuente de corriente.

7. Control de actuador electromecánico que incorpora un convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.

8. Autómata de regulación que incorpora un convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.

9. Equipo terrestre, naval o aeronáutico que incorpora un convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.

10. Turbomotor que incorpora un convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.

11. Procedimiento de funcionamiento de un convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, siendo alimentado el convertidor mediante una tensión positiva (Vp) y una tensión negativa (Vm) respecto a la masa, entregando el convertidor una corriente de salida (is) a una carga (Z) conectada entre el primer borne de salida (SP) y el segundo borne de salida (SM), comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas, para un ciclo de funcionamiento y para hacer pasar por la carga (Z) una corriente negativa:

- una primera etapa en cuyo transcurso el primer medio en configuración de interruptor (Q1) está abierto, el cuarto diodo (D4) es conductor, el segundo medio en configuración de interruptor (Q2) está cerrado y los diodos primero (D1), segundo (D2) y tercero (D3) están en corte durante una primera parte de ciclo, funcionando el convertidor en modo continuo o en modo discontinuo,

- una segunda etapa, que sigue a la primera etapa, en cuyo transcurso los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) están abiertos, el segundo diodo (D2) es conductor y los diodos primero (D1), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte durante una segunda parte de ciclo, segunda parte de ciclo que no termina el ciclo si el convertidor funciona en modo discontinuo y que termina el ciclo si el convertidor funciona en modo continuo,

- una tercera etapa, que sigue a la segunda etapa si el convertidor funciona en modo discontinuo, en cuyo transcurso los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) están abiertos y los diodos primero (D1), se- gundo (D2), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte durante una tercera parte de ciclo que termina al final del ciclo.

12. Procedimiento de funcionamiento de un convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, alimentado mediante una tensión positiva (Vp) y una tensión negativa (Vm) respecto a la masa, entregando el convertidor una corriente de salida (is) a una carga (Z) conectada entre el primer borne de salida (SP) y el segundo borne de salida (SM), comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas, para un ciclo de funcionamiento y para hacer pasar por la carga (Z) una corriente positiva:

- una primera etapa en cuyo transcurso el primer medio en configuración de interruptor (Q1) está cerrado, el tercer diodo (D3) es conductor, el segundo medio en configuración de interruptor (Q2) está abierto y los diodos primero (D1), segundo (D2) y cuarto (D4) están en corte durante una primera parte del ciclo, funcionando el convertidor en modo continuo o en modo discontinuo,

- una segunda etapa, que sigue a la primera etapa, en cuyo transcurso el primer diodo (D1) es conductor, los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) están abiertos y los diodos segundo (D2), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte durante una segunda parte del ciclo, segunda parte de ciclo que no termina el ciclo si el convertidor funciona en modo discontinuo y que termina el ciclo si el convertidor funciona en modo continuo,

- una tercera etapa, que sigue a la segunda etapa si el convertidor funciona en modo discontinuo, en cuyo transcurso los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) están abiertos, los diodos primero (D1), se- gundo (D2), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte, durante una tercera parte de ciclo que termina al final del ciclo.

13. Procedimiento de funcionamiento de un convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, alimentado mediante una tensión positiva (Vp) y una tensión negativa (Vm) respecto a la masa, entregando el convertidor una corriente de salida (is) a una carga (Z) conectada entre el primer borne de salida (SP) y el segundo borne de salida (SM), comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas, para un ciclo de funcionamiento y para hacer pasar por la carga (Z) una corriente negativa, funcionando el convertidor en modo continuo:

- una primera etapa en cuyo transcurso el primer medio en configuración de interruptor (Q1) está cerrado, el tercer diodo (D3) es conductor, el segundo medio en configuración de interruptor (Q2) está abierto y los diodos primero (D1) y cuarto (D4) están en corte, estando en corte el segundo diodo (D2) si la tensión en la primera salida (SP) respecto a la masa es, en valor absoluto, suficientemente débil durante una primera parte del ciclo,

- una segunda etapa, que sigue a la primera etapa, en cuyo transcurso el primer diodo (D1) es conductor, los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) están abiertos y los diodos segundo (D2), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte durante una segunda parte del ciclo,

- una tercera etapa, que sigue a la segunda etapa, en cuyo transcurso el segundo medio en configuración de interruptor (Q2) está cerrado, el cuarto diodo (D4) es conductor, el primer medio en configuración de interruptor (Q1) está abierto y los diodos primero (D1), segundo (D2) y tercero (D3) están en corte, durante una tercera parte del ciclo,

- una cuarta etapa, que sigue a la tercera etapa, en cuyo transcurso el segundo diodo (D2) es conductor, los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) están abiertos y los diodos primero (D1), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte, durante una cuarta parte del ciclo que termina al final del ciclo.

14. Procedimiento de funcionamiento de un convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, siendo alimentado el convertidor mediante una tensión positiva (Vp) y una tensión negativa (Vm) respecto a la masa, entregando el convertidor una corriente de salida (is) a una carga (Z) conectada entre el primer borne de salida (SP) y el segundo borne de salida (SM), comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas, para un ciclo de funcionamiento y para hacer pasar por la carga (Z) una corriente positiva, funcionando el convertidor en modo continuo:

- una primera etapa en cuyo transcurso el primer medio en configuración de interruptor (Q1) está cerrado, el tercer diodo (D3) es conductor, el segundo medio en configuración de interruptor (Q2) está abierto y los diodos primero (D1), segundo (D2) y cuarto (D4) están en corte, durante una primera parte del ciclo,

- una segunda etapa, que sigue a la primera etapa, en cuyo transcurso el primer diodo (D1) es conductor, los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) están abiertos y los diodos segundo (D2), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte durante una segunda parte del ciclo,

- una tercera etapa, que sigue a la segunda etapa, en cuyo transcurso el segundo medio en configuración de interruptor (Q2) está cerrado, el cuarto diodo (D4) es conductor, el primer medio en configuración de interruptor (Q1) está abierto, los diodos segundo (D2) y tercero (D3) están en corte, el primer diodo (D1) está en corte si la tensión en la primera salida (SP) respecto a la masa es, en valor absoluto, suficientemente débil, durante una tercera parte del ciclo,

- una cuarta etapa, que sigue a la tercera etapa, en cuyo transcurso el segundo diodo (D2) es conductor, los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) están abiertos y los diodos primero (D1), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte, durante una cuarta parte del ciclo que termina al final del ciclo.