Control del valor medio de la corriente que circula por una bobina, por un transistor y por un diodo en convertidores electrónicos de potencia modulados por ancho de pulso.

Se presenta una técnica de control que regula el valor medio de la corriente que circula por una bobina,

por un transistor y por un diodo pertenecientes a la etapa de potencia de un convertidor conmutado, no resonante, modulado por ancho de pulso. Permite regular el valor medio de cualquiera de las corrientes indicadas midiendo la corriente que circula por la bobina, por el transistor o por el diodo. El tiempo que se tarda en corregir una perturbación es el mínimo posible en varios casos. La corrección de las perturbaciones no presenta sobrepaso. La técnica de control propuesta es aplicable a convertidores cc/cc, ca/cc, inversores, circuitos correctores del factor de potencia, control de motores, etc.

Control del valor medio de la corriente que circula por una bobina, por un transistor y por un diodo en convertidores electrónicos de potencia modulados por ancho de pulso.

Control del valor medio de la corriente por una bobina, por un transistor y por un diodo en convertidores electrónicos de potencia modulados por ancho de pulso.

Sector de la técnica 10

La presente invención se encuadra en el sector de los convertidores electrónicos de potencia modulados por ancho de pulso ("PWM converters: pulse width modulation converters") y más concretamente con la regulación del valor medio de la corriente lineal a trozos que circula por bobinas, por transistores y por diodos.

Estado de la técnica 15

El control del valor medio de la corriente que circula por una bobina, por un transistor o por un diodo pertenecientes a la etapa de potencia de un convertidor conmutado, modulado por ancho de pulso, tiene múltiples aplicaciones en el campo de la Electrónica de Potencia como, por ejemplo, en convertidores cc/cc, convertidores ca/cc, circuitos correctores del factor de potencia, inversores, control de motores, etc. 20

Desde que se comenzaron a utilizar convertidores conmutados hasta hoy se han publicado diversas técnicas de control para regular este tipo de corrientes. Entre las numerosas técnicas propuestas cabe destacar las siguientes:

_ Control en modo corriente de pico ("Peak current mode control")

_ Control en modo corriente media ("Average current mode control")

_ Control en banda de histéresis ("Hysteretic current mode control: U.S. Patent 4456872")

_ Control con tiempo de apagado constante ("Constant off-time current mode control") 30

_ Control con tiempo de encendido constante ("Constant on-time current mode control")

Las características básicas de las técnicas anteriores se pueden consultar, entre otras, en las siguientes referencias: 35

Richard Redl, Nathan O. Sokal, "Current-mode control, five different types, used with the three basic classes of power converters: small-signal ac and large-signal dc characterization, stability requirements, and implementation of practical circuits". PESC85 Record (IEEE Catalog no. 85CH2117-0) , pp. 771-785

Richard Redl, Istvan Novak, "Instabilities in current-mode controlled switching voltage regulators". PESC81 Record (IEEE Publication 81CH1652-7) , pp. 17-28, 1981 IEEE.

Lloyd Dixon, Average current mode control of switching power supplies. Application Note U-140, Unitrode Integrated Circuits.

Todas las técnicas publicadas hasta ahora presentan uno o varios inconvenientes en relación a la rapidez con la que se corrige una perturbación, el error en régimen permanente, la complejidad del diseño del regulador (etapa 5 de control) , el número de componentes que requiere la implementación de la técnica, su coste, etc.

La técnica de control propuesta en la presente invención destaca frente a las técnicas publicadas hasta ahora en lo siguiente:

_ Minimiza el tiempo que se tarda en corregir una perturbación. En varios casos, dicho tiempo es el menor posible.

_ Presenta un error nulo en régimen permanente.

_ La respuesta de la corriente controlada ante un escalón en la señal de referencia no presenta sobrepaso.

_ No es necesario tener ningún tipo de conocimientos de Regulación Automática para diseñar el sistema de control propuesto, a pesar de que se trata de un control no lineal.

_ La implementación de la técnica propuesta requiere muy pocos componentes, todos ellos de bajo coste.

_ Se puede utilizar para regular el valor medio de la corriente que circula por una bobina, por un transistor o por un diodo pertenecientes a la etapa de potencia de un convertidor conmutado, que funcione en modo de conducción continuo. Se puede utilizar en convertidores con rectificación síncrona. 25

_ No es necesario medir la misma corriente que se regula. Con esta técnica se puede regular el valor medio de la corriente que circula por una bobina, por un transistor y por un diodo midiendo una corriente proporcional a la corriente que circula por cualquiera de estos componentes. Así, por ejemplo, se puede controlar el valor medio de la corriente que circula por una bobina midiendo únicamente la corriente que circula por un diodo por el que 30 circule la misma corriente que circula por la bobina (o un valor proporcional) durante los intervalos de tiempo en los que la bobina cede parte de la energía que tiene almacenada.

Descripción de la invención 35

La presente invención se aplica a convertidores electrónicos de potencia caracterizados por lo siguiente:

_ El transistor o transistores de la etapa de potencia funcionan como conmutadores. Es decir, o están saturados o están en corte, cambiando constantemente de un estado a otro a alta frecuencia. Durante los intervalos de tiempo en los que un transistor está saturado, la corriente que circula por él varía linealmente 40 con el tiempo, siendo dicha corriente igual o proporcional a la corriente que circula por la bobina.

_ La corriente que circula por la bobina es lineal a trozos y siempre circula corriente por la bobina. Es decir, el convertidor funciona en modo de conducción continuo. La invención es aplicable a convertidores con rectificación síncrona.

_ Tanto la tensión de entrada como la tensión de salida del convertidor o bien son constantes o bien varían 5 con una frecuencia mucho menor que la frecuencia de conmutación del transistor (o transistores) de la etapa de potencia.

_ La caída de tensión en los condensadores pertenecientes a la etapa de potencia del convertidor varía con una frecuencia mucho menor que la frecuencia de conmutación del transistor (o transistores) de la etapa de 10 potencia.

Con el fin de facilitar la comprensión del sistema de control propuesto y sin que ello limite su campo de aplicación a convertidores cc/cc no aislados, en los siguientes párrafos se va a hacer referencia a un convertidor cc/cc reductor ("buck") no aislado representado en la Figura 1. Las corrientes que circulan en régimen 15 permanente por la bobina, por el transistor y por el diodo de este convertidor se representan en las Figuras 2, 3 y 4 respectivamente.

En relación a las Figuras 1- 4 y a un convertidor modulado por ancho de pulso en general, se van a utilizar los siguientes términos en esta patente: 20

Id: valor medio de la corriente que circula por el diodo en régimen permanente.

IL: valor medio de la corriente que circula por la bobina en régimen permanente.

iLpico: valor de pico de la corriente que circula por la bobina en régimen permanente.

iLvalle: valor de valle de la corriente que circula por la bobina en régimen permanente.

IT: valor medio de la corriente que circula por el transistor en régimen permanente. 30

: relación entre la tensión de referencia del sistema de control interno (RsIL) y la tensión de referencia del control externo (vref) . sLrefkRIv

L: inductancia de la bobina 35

Q: señal de disparo del transistor. Un nivel alto de tensión en esta señal indica que el transistor está saturado (la energía que almacena la bobina crece linealmente con el tiempo) , mientras que un nivel bajo de tensión indica que el transistor está en corte (la energía que almacena la bobina disminuye linealmente con el tiempo) .

R: entrada de puesta a cero ("reset") del biestable RS que se utiliza para implementar la lógica del control interno.

Rs: ganancia del sensor de corriente (se supone que su valor es constante) .

Rs·id (t) : tensión proporcionada por el sensor que mide la corriente que circula por el diodo

Rs·iL (t) : tensión proporcionada por el sensor que mide la corriente que circula por la bobina 5

Rs·iT (t) : tensión proporcionada por el sensor que mide la corriente que circula por el transistor

RsIL: tensión de referencia del control interno.

S: entrada de puesta a uno ("set") del biestable RS que se utiliza para implementar la lógica del control interno.

toff: tiempo durante el que el transistor está en corte en cada ciclo de conmutación. Dependiendo del control interno utilizado, este tiempo puede ser constante o bien variable con las condiciones de funcionamiento del convertidor. 15

TOFF: tiempo constante durante el que el transistor está en corte en cada ciclo de conmutación. En este caso se cumple que toff = TOFF = cte.

toff min: tiempo mínimo durante el que el transistor está en corte en cada ciclo de conmutación, cuando el sensor 20 de corriente mide la corriente que circula por el diodo.

ton: tiempo...

1. Un método que regula el valor medio de la corriente, lineal a trozos, que circula por una bobina perteneciente a la etapa de potencia de un convertidor electrónico conmutado, que funciona en modo de conducción continuo. Para corregir el valor medio de la corriente que circula por la bobina, el método propuesto modifica en cada 5 ciclo de conmutación la relación entre el tiempo que el transistor (o transistores) de la etapa de potencia está en corte y el tiempo que está saturado.

Con este método de regulación, en cada ciclo de conmutación, el transistor (o transistores) permanece en un estado (corte o saturación) un tiempo constante T y a continuación pasa al otro estado (saturación o corte) en el que permanece un tiempo variable, cuya duración depende de las condiciones de funcionamiento del 10 convertidor. La duración del tiempo variable se determina, en cada ciclo de conmutación, como el tiempo que tarda la tensión generada por el sensor de corriente en igualar a una tensión de control vc definida de la siguiente manera:

() 2scsLLRTvRIvtL

Cuando finaliza el estado de duración variable, el transistor (o transistores) pasa al otro estado con una duración 15 constante (T) y así sucesivamente.

2. En el método de regulación de la reivindicación 1, si se quiere que el transistor (o transistores) de la etapa de potencia permanezca saturado un tiempo constante T = Ton en cada ciclo de conmutación, entonces para determinar el valor de vc hay que utilizar el valor de la caída de tensión en la bobina durante los intervalos de 20 tiempo en los que ésta incrementa la energía que almacena [vL (t) = vL-on > 0]. Cumpliéndose que en este caso sólo es necesario medir una corriente proporcional a la corriente que circula por la bobina durante los intervalos de tiempo que la bobina cede parte de la energía que tiene almacenada.

3. En el método de regulación de la reivindicación 1, si se quiere que el transistor (o transistores) de la etapa de 25 potencia permanezca en corte un tiempo constante T = Toff en cada ciclo de conmutación, entonces para determinar el valor de vc hay que utilizar el valor de la caída de tensión en la bobina durante los intervalos de tiempo en los que ésta cede parte de la energía que tiene almacenada [vL (t) = vL-off < 0]. Cumpliéndose que en este caso sólo es necesario medir una corriente proporcional a la corriente que circula por la bobina durante los intervalos de tiempo en los que la bobina incrementa la energía que almacenada. 30

4. Añadiendo un bucle de control externo al método de control de la reivindicación 1 se regula el valor medio (IT) de la corriente que circula por el transistor (o transistores) de la etapa de potencia por el que circula una corriente proporcional a la corriente que circula por la bobina cuando ésta incrementa la energía que almacena. La tarea del bucle externo consiste en generar la tensión de referencia RsIL del bucle de control (interno) de la 35 reivindicación 1 a partir de la tensión de referencia del bucle de control externo (RsIT) y de las caídas de tensión en la bobina (vL-on y vL-off) . El valor de la tensión de referencia RsIL a generar por el bucle externo cumple lo siguiente:

1LonsLsTLoffvRIRIv

5. Añadiendo un bucle de control externo al método de control de la reivindicación 1 se regula el valor medio (Id) de la corriente que circula por el diodo de la etapa de potencia por el que circula una corriente proporcional a la corriente que circula por la bobina cuando ésta cede parte de la energía que almacena. La tarea del bucle externo consiste en generar la tensión de referencia RsIL del bucle de control (interno) de la reivindicación 1 a partir de la tensión de referencia del bucle externo (RsId) y de las caídas de tensión en la bobina (vL-on y vL-off) . El 5 valor de la tensión de referencia RsIL a generar por el bucle externo cumple lo siguiente:

1LoffsLsdLonvRIRIv

6. En el método de control de la reivindicación 1, si se mide únicamente el valor de una corriente proporcional a la corriente que circula por el transistor, hay que garantizar que el transistor permanece en conducción un 10 tiempo mínimo (ton min) en cada ciclo de conmutación.

7. En el método de control de la reivindicación 1, si se mide únicamente el valor de una corriente proporcional a la corriente que circula por el diodo, hay que asegurar que el transistor permanece en corte un tiempo mínimo (toff min) en cada ciclo de conmutación. 15