INVERSOR DE BATERIA BIDIRECCIONAL.

Inversor de batería bidireccional (1) con una parte de circuito de convertidor de CC-CC (3),

al que puede conectarse una batería (2), para la generación de una tensión de salida de CA desde una tensión de batería de la batería (2) en una operación de descarga y para la carga de la batería (2) en una operación de carga, caracterizado porque el inversor (1) comprende un transformador de alta frecuencia que con el capacitor resonante (6) forma un circuito resonante,

- porque el transformador presenta en el primario dos arrollamientos (11, 12) con una derivación central (20), conectada a un circuito electrónico de alimentación de toma central con conmutadores controlados por semiconductores (21, 31), y en el secundario existe un arrollamiento (13) conectado en serie con el capacitor (6), y

- porque está dispuesta una parte de circuito del convertidor de CC-CA (5) situada en la parte de salida del inversor (1), porque está dispuesto un convertidor elevador/reductor (8) conectado adicionalmente entre la parte de circuito del convertidor de CC-CC (3) y la parte de circuito del convertidor de CC-CA (5),

- estando la frecuencia resonante de la inductancia de dispersión del transformador (HTF) y una capacitancia resonante en serie (6) se encuentra por encima de la frecuencia elemental de los conmutadores semiconductores 21, 31),

- en el que mediante la selección de la frecuencia elemental, los conmutadores semiconductores son tanto conectados como desconectados con corriente cero

Inversor de batería bidireccional.

La invención se refiere a un inversor de batería bidireccional según el preámbulo de las reivindicaciones independientes.

Los inversores bidireccionales sirven, por un lado, para convertir una tensión CC de batería, por ejemplo de 12 voltios, a una tensión de CA de 230 voltios y 50 ó 60 Hz y, por otra parte, también para cargar la batería desde la tensión de CA. El flujo de energía se realiza tanto desde la batería a un convertidor de CC/CA como de un convertidor de CC/CA a la batería. En este caso, se presenta el problema de que con tensiones bajas de CC de este tipo existen pérdidas en estado de conducción relativamente grandes.

Por el documento EP 0820 893 A2 se conoce un inversor con una disposición en semipuente en el primario y una disposición de puente integral.

Por el documento EP 1 458 084 A2 se conoce un convertidor bidireccional de CC-AC. Éste comprende un montaje en puente del lado de entrada, un montaje en puente del lado de salida y entre ambos circuitos interconectado un transformador con un capacitor resonante y una inductancia resonante.

Un convertidor de CC-CA con un transformador, que en el primario presenta dos arrollamientos con derivación central, conectado a un circuito electrónico de alimentación de toma central con conmutadores controlados por semiconductores, y en el secundario un arrollamiento, se muestra y explica en el documento US 6.507.503 B2.

Otros circuitos de conversión se dan a conocer por el documento DE 40 13 506 Al y por el documento US 2003/0142513 Al.

Por el documento WO 2005/036684 se conoce un inversor de batería bidireccional. Éste comprende un convertidor de CC/CC y un convertidor de CC/CA.

La publicación HOFSAJER I W ET AL A comparative study of some electromagnetically integrated structures in hybrid technology, POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE, 1998, PESC 98 RECORD. 2 9TH ANNUAL IEEE FUKUOKA, JAPAN 17-22 DE MAYO DE 1998, NUEVA YORK, EEUU, IEEE, US, tomo 2, 17 de mayo de 1998, páginas 1957-1963, XP 010294677, ISBN: 0-7803-4489-8 describe un inversor de CC-CC bidireccional con una tensión continua de entrada de 12V, que mediante dos conmutadores de un circuito de toma central de transformador es convertido a tensión continua. Del lado del secundario está dispuesto un puente integral para la conversión de la tensión alterna a tensión continua. A cada conmutador activo de este circuito está conectado en paralelo un capacitor, de modo que en cada proceso de conexión se produce un recargue del capacitor conectado en paralelo. Este proceso de recargue es realizado de modo tal, que se produce una conexión sin tensión y una conexión blanda de los conmutadores. Tales procedimientos para la reducción de las pérdidas por conmutación son conocidos, concretamente, como procedimiento phase-shift. En el phase-shifting sólo el cierre del circuito está excento de pérdidas. En la desconexión se producen pérdidas. Los conmutadores IGBT son poco apropiados para el phase-shifting, de modo que en la práctica sólo se usan conmutadores GTO (Gate Turn Off). Otra limitación consiste en que el circuito sólo funciona en un puente integral. El uso de un semipuente no es posible. Este circuito tiene, además, la desventaja de que la frecuencia depende fuertemente de la potencia y de la diferencia de tensión. De esta forma resultan frecuencias diferentes y un control complicado. Además, esta solución tiene una elevada potencia reactiva y un mal coeficiente de utilización de componentes.

El documento WO96/18937 A propone usar en un inversor bidireccional un convertidor elevador/reductor.

Por el documento JP 2003 088118 A se conoce un inversor de batería con un transformador de alta frecuencia que con un capacitor resonante forma un circuito resonante. En el primario, el transformador presenta dos arrollamientos con una derivación central conectada adicionalmente a un circuito electrónico de alimentación de toma central controlado por semiconductores.

La publicación ENRICO DALLAGO ET AL: Advantages in High-Frequency Power Conversion by Delta-Sigma Modulation IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS I; FUNDAMENTAL THEORY AND APPLICATIONS; IEEE INC. NUEVA YORK, US, tomo 44, nro. 8, agosto 1997, páginas 712-721, XP 011011594 ISSN: 1057-7122 propone usar en un convertidor resonante bidireccional de CC-CC un capacitor resonante.

Es el objetivo de la invención crear un inversor de alta eficiencia.

Este objetivo se consigue mediante un inversor de las características de las reivindicaciones independientes en combinación con las características del preámbulo.

Mediante la invención se aprovechan todas las ventajas de la conmutación resonante, sin tener que asumir la desventaja de elevadas pérdidas en estado de conducción en el lado de baja tensión. En este caso, puede aplicarse una alta frecuencia de conmutación. De este modo, puede usarse un transformador polar dispuesto de conformidad con una forma de realización preferente.

La presente invención combina las ventajas de pérdidas en estado de conducción reducidas y la posibilidad de usar un transformador planar, sin tener que asumir las desventajas de una potencia aparente de transformador inconvenientemente elevada ni sobretensiones de conmutación en el primario, un campo de aplicación limitado y elevadas pérdidas en estado de conducción y pérdidas de conmutación del lado de baja tensión. O dicho de otro modo, ello significa que, con la topología de conformidad con el invento en comparación con el estado actual de la técnica, se posibilita una conmutación totalmente resonante y de baja pérdida sobre el lado de alta tensión, que en campos de aplicación en los que debe producirse una adaptación de tensión se activa la etapa de adaptación (convertidor elevador/reductor).

De conformidad con la invención, del lado de salida del inversor está dispuesta una parte de circuito del convertidor de CC-CA y presenta un convertidor elevador/reductor conectado entre el convertidor de CC-CC y la parte de circuito del convertidor de CC-CA. De este modo, se evitan pérdidas de conmutación debidas a un funcionamiento no óptimo, en el que el convertidor de CC-CC no puede ser conmutado de modo resonante, y una concepción de corriente/tensión desfavorable en el punto de funcionamiento óptimo.

De conformidad con la invención, la frecuencia elemental del montaje en semipuente está por debajo de la frecuencia resonante definida por la inductancia de dispersión del transformador y el capacitador resonante, dependiendo de si está dispuesto un capacitores de este tipo o dos capacitador conectados en serie. La frecuencia resonante resulta de la inductancia de dispersión del transformador y la capacitancia resonante serial o bien de la inductancia de dispersión del transformador y los capacitores conectados en serie. Mediante la selección de esta frecuencia elemental, los semiconductores son tanto conectados como desconectados con corriente cero.

Cuando la frecuencia elemental del montaje en semipuente se ubica por debajo de la frecuencia resonante, resultante de la inductancia de dispersión del transformador y la capacitancia resonante serial, siempre debería conectarse cuando la corriente es cero, porque en este caso las pérdidas de conmutación son reducidas o inexistentes.

El transformador presenta en el primario, de conformidad con una forma de realización, dos arrollamientos con una derivación central, conectada a un circuito electrónico de alimentación de toma central con conmutadores controlados por semiconductores, y en el secundario un arrollamiento, en el que el capacitor resonante está conectado en serie.

De conformidad con otra forma de realización se produce una división en circuitos parciales de sincronización desplazada.

Debido a que una parte conmutada de forma resonante está dividida en circuitos parciales de sincronización desplazada, está dada una carga de capacitores reducida y una corriente ondulada de alta frecuencia en la fuente de CC.

De conformidad con una tercera forma de realización, puede existir un transformador con dos capacitores resonantes.

Puede haber dispuesto un control sincronizado del convertidor elevador/reductor y del convertidor resonante. El control sincronizado tiene la ventaja de que se reduce la carga eléctrica efectiva en los capacitores del inversor.

Es particularmente ventajoso si el transformador está configurado como transformador...

1. Inversor de batería bidireccional (1) con una parte de circuito de convertidor de CC-CC (3), al que puede conectarse una batería (2), para la generación de una tensión de salida de CA desde una tensión de batería de la batería (2) en una operación de descarga y para la carga de la batería (2) en una operación de carga, caracterizado porque el inversor (1) comprende un transformador de alta frecuencia que con el capacitor resonante (6) forma un circuito resonante,

- porque el transformador presenta en el primario dos arrollamientos (11, 12) con una derivación central (20), conectada a un circuito electrónico de alimentación de toma central con conmutadores controlados por semiconductores (21, 31), y en el secundario existe un arrollamiento (13) conectado en serie con el capacitor (6), y

- porque está dispuesta una parte de circuito del convertidor de CC-CA (5) situada en la parte de salida del inversor (1), porque está dispuesto un convertidor elevador/reductor (8) conectado adicionalmente entre la parte de circuito del convertidor de CC-CC (3) y la parte de circuito del convertidor de CC-CA (5),

- estando la frecuencia resonante de la inductancia de dispersión del transformador (HTF) y una capacitancia resonante en serie (6) se encuentra por encima de la frecuencia elemental de los conmutadores semiconductores 21, 31),

- en el que mediante la selección de la frecuencia elemental, los conmutadores semiconductores son tanto conectados como desconectados con corriente cero.

2. Inversor de batería bidireccional (1) con una parte de circuito de convertidor de CC-CC (3), al que puede conectarse una batería (2), para la generación de una tensión de salida de CA desde una tensión de batería de la batería (2) en una operación de descarga y para la carga de la batería (2) en una operación de carga, caracterizado porque el inversor (1) comprende un transformador de alta frecuencia que con el capacitor resonante (6, 28) forma un circuito resonante,

- porque una parte conmutada de forma resonante está dividida en circuitos parciales de sincronización desplazada, estando un circuito del transformador compuesto de dos transformadores (HFT1, HFT2) y cada transformador (HFT1, HFT2) presenta en el primario dos arrollamientos (11, 12) con una toma central (20) conectados a un circuito electrónico de alimentación de toma central con conmutadores controlados por semiconductores (21, 31; 221, 231), y en el secundario un arrollamiento (13) conectado, en cada caso, en serie con uno de los capacitores resonantes (6, 28),

- porque está dispuesta una parte de circuito del convertidor de CC-CA (5) situada en el lado de salida del inversor (1), y porque existe un convertidor elevador/reductor (8) conectado adicionalmente entre la parte de circuito del convertidor de CC-CC (3) y la parte de circuito del convertidor de CC-CA (5),

- estando la frecuencia resonante de la inductancia de dispersión de los transformadores (HTF1, HTF2) y los capacitores (6, 28) por encima de la frecuencia elemental de los conmutadores semiconductores 21, 31; 221, 231),

- en el que mediante la selección de la frecuencia elemental, los conmutadores semiconductores son tanto conectados como desconectados con corriente cero.

3. Inversor de batería bidireccional (1) con una parte de circuito de convertidor de CC-CC (3), al que puede conectarse una batería (2), para la generación de una tensión de salida de CA desde una tensión de batería de la batería (2) en una operación de descarga y para la carga de la batería (2) en una operación de carga, caracterizado porque el inversor (1) comprende un transformador de alta frecuencia que con el capacitor resonante (34, 35) forma un circuito resonante,

- porque el transformador presenta en el primario dos arrollamientos (11, 12) con una derivación central (20), conectada a un circuito electrónico de alimentación de toma central con conmutadores controlados por semiconductores (21, 31), y en el secundario un arrollamiento (13) conectado con los capacitores resonantes (34, 35) en un punto de sumación, y

- porque está dispuesta una parte de circuito del convertidor de CC-CA (5) situada en la parte de salida del inversor (1), porque existe un convertidor elevador/reductor (8) conectado adicionalmente entre la parte de circuito del convertidor de CC-CC (3) y la parte de circuito del convertidor de CC-CA (5),

- estando la frecuencia resonante de la inductancia de dispersión del transformador (HFT) y de los capacitores (34, 35) por encima de la frecuencia elemental de los conmutadores semiconductores 21, 31),

- en el que mediante la selección de la frecuencia elemental, los conmutadores semiconductores son tanto conectados como desconectados con corriente cero.

4. Inversor de batería bidireccional, según una de las reivindicaciones precedentes 1 ó 3, caracterizado porque la parte de circuito de convertidor de CC-CC (3) comprende un semipuente.

5. Inversor de batería bidireccional, según la reivindicación 2, caracterizado porque la parte de circuito de convertidor de CC-CC (3) presenta dos semipuente con conmutador de semiconductor 21, 31; 221, 231).

6. Inversor de batería bidireccional, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada transformador está configurado como transformador planar (29).

7. Inversor de batería bidireccional, según la reivindicación 6, caracterizado porque los arrollamientos primarios del transformador están llevados solamente alrededor del núcleo del transformador, el arrollamiento secundario, sin embargo, alrededor del núcleo del transformador y un núcleo de choque adicional (30).