Convertidor elevador y foco provisto de este.

Convertidor elevador que comprende una fuente de un diodo en serie,

estando el terminal de entrada de la bobina conectado a la fuente de tensión y el terminal de salida del diodo a la carga, un condensador dispuesto en paralelo con la carga, un interruptor controlado dispuesto con un terminal entre la bobina y el diodo para aplicar la tensión a la bobina, que comprende medios de control del interruptor configurados para pasarlo de un estado cerrado a uno abierto cuando la intensidad sobrepasa una intensidad umbral superior, de modo que la bobina alimenta a la carga y la intensidad es decreciente, y pasarlo de un estado abierto a uno cerrado cuando la intensidad pasa por debajo de una intensidad umbral inferior, de modo que la intensidad es creciente y la bobina se carga. La invención también se refiere a un foco provisto de un tal convertidor.

Convertidor elevador y foco provisto de este.

La presente invención se refiere a un convertidor elevador que permite conseguir una ganancia muy elevada de tensión sin necesidad de transformadores, y a un foco provisto de este convertidor.

Antecedentes de la invención

Son conocidos los convertidores elevadores sin transformador, que operan en régimen de conducción continua (CCM), que tienen una ganancia de tensión que responde a la expresión:

donde D es el ciclo de trabajo, y corresponde a la fracción del periodo de conmutación durante el cual el interruptor del convertidor está en el estado encendido respecto del total del ciclo, donde puede observarse que la expresión de la ganancia es no lineal. La modelización de este tipo de convertidores se muestra en la figura 1, y la modelización según el estado del interruptor controlado en las figuras 2 y 3.

En la zona de baja ganancia, la regulación de la tensión modificando el ciclo de trabajo D del convertidor es precisa. En la zona de ganancias elevadas, la ganancia es muy sensible a las pequeñas variaciones del valor de D.

Si por algún motivo un ruido de conmutación perturba la señal triangular que se utiliza en el modulador PWM, trabajando con ganancias bajas, las variaciones de ganancia producidas no son graves. En cambio, en la zona de alta ganancia, un pequeño ruido que pueda modificar el valor de D provoca grandes alteraciones en la ganancia. Es decir, para altas ganancias, los convertidores conocidos con control PWM resultan muy sensibles al ruido. Es un ejemplo de este tipo de dispositivos que emplean el control PWM el que se describe en el documento US7317302.

Para obtener un ciclo de trabajo D=0,5, como el se ilustra en la figura 7, la señal de control de la modulación PWM, toma el valor medio de la señal triangular, por lo que un ruido difícilmente puede provocar una conmutación errónea o la pérdida de algún ciclo. No obstante, trabajando con D cercano a 1, un pequeño ruido puede hacer perder un pulso, tal como se ilustra en la figura 8, y, por lo tanto, afectar gravemente a la ganancia. Esta inestabilidad también se debe a la sensibilidad de la ganancia en la zona de D próximo a 1.

Por este motivo, en los circuitos integrados para control PWM se suele limitar el ciclo de trabajo máximo por hardware, por ejemplo mediante un diodo Zener. Unos valores de dicho límite pueden ser de D=0,8-0,9 o incluso, aunque muy poco frecuentemente, de hasta D=0,7, situación ilustrada en la figura 9.

Además, trabajando con la técnica PWM, si se desean alcanzar ciclos de trabajo muy elevados, la frecuencia de la señal triangular debe ser muy baja, debido a que los transitorios de activación y desactivación de los MOSFET no son instantáneos.

También es conocido el control por histéresis, como el que se describe en los documentos US 7675487B2 y US7705547B2, ambas relativas a convertidores reductores (buck) y en las cuales, controlando las corrientes máxima y mínima a la salida de la bobina se controla por ende el valor medio de la intensidad suministrada a la carga.

Otro inconveniente de los convertidores conocidos trabajando a altas ganancias son las pérdidas por conducción y conmutación. En el modo continuo (CCM), es decir corriente en la bobina siempre mayor que cero, el paso a OFF del diodo tiene muchas pérdidas (Irr, trr). En el modo de conducción discontinuo (DCM) esa transición se realiza a corriente cero, y por tanto dicha conmutación no produce pérdidas.

Por otro lado, el control PWM es una técnica cuyo lazo de realimentación se diseña por métodos lineales. Esto supone que el comportamiento de los convertidores depende del tipo de carga que alimentan (lineal o no lineal).

Por lo tanto, es evidente la necesidad de disponer de un convertidor elevador que dé solución a los mencionados inconvenientes del estado de la técnica.

Descripción de la invención

Para ello, la presente invención propone un convertidor elevador CC-CC que comprende:

- una fuente de tensión;

- una bobina y un diodo dispuestos en serie, estando el terminal de entrada de la bobina conectado a la fuente de tensión y el terminal de salida del diodo a la carga;

- un condensador dispuesto en paralelo con la carga;

- un interruptor controlado dispuesto con un terminal entre la bobina y el diodo de modo que permite aplicar la tensión a la bobina cuando se cierra,

que se caracteriza por el hecho de que comprende medios de control del interruptor controlado configurados para:

- pasarlo de un estado cerrado a un estado abierto cuando la intensidad que circula por la bobina sobrepasa una intensidad umbral superior, de modo que la bobina alimenta a la carga y la intensidad pasa a ser decreciente, y

- pasarlo de un estado abierto a un estado cerrado cuando la intensidad que circula por la bobina pasa por debajo de una intensidad umbral inferior, de modo que la intensidad pasa a ser creciente y la bobina se carga de nuevo.

La ventaja del control de corriente de la bobina por histéresis a frecuencia variable, es que el interruptor se cierra cuando la corriente alcanza el doble del valor necesario para provocar en la salida la tensión requerida, y se vuelve a encender en el momento en que la corriente de entrada es cero. Así, se reducen las pérdidas de conmutación debido a que el paso a OFF del diodo se hace a corriente cero. Como la corriente es triangular, su valor medio es justamente el necesario para provocar en la tensión de salida la tensión o corriente requeridas.

Así también, se reducen las pérdidas de conducción al mínimo, debido a que los picos de corriente toman el valor mas bajo posible sin entrar en el modo de conducción continua, donde se perdería la reducción de la pérdidas de conmutación.

La invención resuelve el inconveniente de la inestabilidad, puesto que el control por corriente es robusto al ruido. Además, no se necesita señal externa o portadora triangular para el control.

Por otro lado, se evitan picos de corriente innecesarios, puesto que para controlar el sistema se mide la corriente de la bobina, que es una variable de estado (i_L) y, por tanto, una señal continua que no puede tener saltos abruptos por definición.

Además, la impedancia de salida de un generador triangular es mucho mas alta y por ello sensible a ruidos que la corriente de una bobina (señal de impedancia baja).

Preferentemente, el convertidor de la invención comprende medios para regular dichas intensidades umbrales, preferentemente la superior.

Ventajosamente, el valor de la intensidad umbral inferior es nulo. De este modo se evitan pérdidas en el diodo, por el paso a OFF a corriente cero.

Por otro lado, respecto a los sistemas del estado de la técnica en los que el control se hace por PWM y realimentación unitaria, el control por histéresis tiene un comportamiento mucho más independiente del tipo de carga y de si la carga es fija o variable (control por deslizamiento y/o histéresis).

Por otro lado, trabajar en modo discontinuo profundo, implica que durante el funcionamiento del convertidor los picos de corriente son más elevados para garantizar el mismo valor medio. Con la invención, se puede trabajar en la frontera de CCM y DCM garantizando el paso al OFF del diodo a corriente cero, y puesto que no hay tiempos muertos, reduce al mínimo posible los picos de corriente, reduciendo las pérdidas de conducción.

Más preferentemente, los medios de control del interruptor controlado comprenden dos amplificadores operacionales, una báscula set/reset y un driver, estando las salidas de los amplificadores conectadas a las entradas del comparador, la salida del comparador a la entrada del driver y la salida del driver a la entrada del interruptor controlado, y estando una entrada de cada uno de los amplificadores operacionales conectados a la salida de un sensor de corriente de la bobina, que preferentemente es un sensor resistivo, si se quiere economizar el coste, o de efecto Hall si no importa el coste y todavía se desean reducir más las pérdidas.

Ventajosamente,...

1. Convertidor elevador CC-CC (1) que comprende:

- una fuente de tensión (V_s);

- una bobina (L) y un diodo (D) dispuestos en serie, estando el terminal de entrada de la bobina conectado a la fuente de tensión y el terminal de salida del diodo a una carga (V₀);

- un condensador (C) dispuesto en paralelo con la carga (V₀);

- un interruptor controlado (T) dispuesto con un terminal entre la bobina (L) y el diodo (D) de modo que permite aplicar la tensión (V_s) a la bobina (L) cuando se cierra,

caracterizado por el hecho de que comprende medios de control del interruptor controlado (T) configurados para:

- pasarlo de un estado cerrado a un estado abierto cuando la intensidad (I_L) que circula por la bobina sobrepasa una intensidad umbral superior (I_s), de modo que la bobina alimenta a la carga (V₀) y la intensidad pasa a ser decreciente, y

- pasarlo de un estado abierto a un estado cerrado cuando la intensidad que circula por la bobina pasa por debajo de una intensidad umbral inferior (I_i), de modo que la intensidad pasa a ser creciente y la bobina se carga de nuevo.

2. Convertidor según la reivindicación anterior, que comprende medios para regular dicho rango de intensidades [I_i, I_s].

3. Convertidor según la reivindicación anterior, en el que el valor de la intensidad umbral inferior (I_i) es nulo.

4. Convertidor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios de control del interruptor controlado (T) comprenden dos amplificadores operacionales (A₁, A₂), una báscula (B) set/reset y un driver (Dr), estando las salidas de los amplificadores conectadas a las entradas del comparador, la salida del comparador a la entrada del driver (Dr) y la salida del driver (Dr) a la entrada del interruptor controlado (T), y estando una entrada de cada uno de los amplificadores operacionales (A₁, A₂) conectados a la salida de un sensor (S) de corriente de la bobina.

5. Convertidor según la reivindicación anterior, en el que el driver (Dr) es un amplificador de corriente.

6. Convertidor según la reivindicación anterior, en el que el amplificador de corriente comprende dos transistores bipolares, siendo uno de ellos de tipo NPN y el otro de tipo PNP, estando el colector del PNP conectado a masa y el del otro a una tensión de alimentación V_CC, estando los dos terminales emisores conectados entre sí para alimentar puerta del interruptor controlado (T) a través de una resistencia de puerta, estando las dos bases de los transistores conectadas a la salida de la báscula (B).

7. Convertidor según cualquiera de las dos reivindicaciones anteriores, en el que el sensor (S) de corriente de la bobina es un sensor (S) resistivo o de efecto Hall.

8. Convertidor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el interruptor controlado (T) es un transistor MOSFET.

9. Foco provisto de LEDS, que comprende un convertidor CC-CC según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.