Método y circuito de conducción de un convertidor de puente completo con modulación de ancho de pulso digital.
Método para la conducción de un circuito de puente completo (34,
64) que comprende un circuito (31) que recibe una señal de modulación de entrada (m) y genera una primera señal de modulación de salida (m1) y una segunda señal de modulación de salida (m2) para controlar el puente completo, comprendiendo el método las etapas de:
- generar una primera (X1) y la segunda (X2) onda cuadrada que tiene un período común de onda cuadrada (Ts), donde la primera onda cuadrada (X1) está configurada para conducir una patilla del puente completo y la segunda onda cuadrada (X2) está configurada para accionar la segunda patilla del puente completo;
caracterizado por las siguientes etapas:
- generar la primera onda cuadrada (X1) se genera con un primer ciclo de trabajo basándose en la señal (m1) primero modulación, donde la primera señal de modulación (m1) es una versión truncada de N niveles de la señal de control de entrada (m); obtener la segunda señal de modulación (m2) en primer lugar haciendo una diferencia (90) entre la señal de modulación de entrada (m) y la versión truncada de N niveles, en segundo lugar haciendo una operación de redondeo de dicha diferencia (92, 93);
- generar la segunda onda cuadrada (X2) con un segundo ciclo de trabajo igual o mayor que el primer ciclo de trabajo por un paso de tiempo incremental Ts/(N-1) basado en la segunda señal de modulación (m2).
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/070757.
Solicitante: Elettra - Sincrotrone Trieste S.C.P.A.
Nacionalidad solicitante: Italia.
Dirección: S.S. 14, Km 163,5 in Area Science Park 34149 Basovizza - Trieste ITALIA.
Inventor/es: MOLARO,DENIS, BRAIDOTTI,ENRICO.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H02M7/5387 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02M APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE ALTERNA, DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE CONTINUA O DE CORRIENTE CONTINUA EN CORRIENTE CONTINUA Y UTILIZADOS CON LAS REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA O SISTEMAS DE ALIMENTACION SIMILARES; TRANSFORMACION DE UNA POTENCIA DE ENTRADA EN CORRIENTE CONTINUA O ALTERNA EN UNA POTENCIA DE SALIDA DE CHOQUE; SU CONTROL O REGULACION (transformadores H01F; convertidores dinamoeléctricos H02K 47/00; control de los transformadores, reactancias o bobinas de choque, control o regulación de motores, generadores eléctricos o convertidores dinamoeléctricos H02P). › H02M 7/00 Transformación de una potencia de entrada en corriente alterna en una potencia de salida en corriente continua; Transformación de una potencia de entrada en corriente continua en una potencia de salida en corriente alterna. › en una configuración en puente.
- H03K7/08 H […] › H03 CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS. › H03K TECNICA DE IMPULSO (medida de las características de los impulsos G01R; modulación de oscilaciones sinusoidales por impulsos H03C; transmisión de información digital, H04L; circuitos discriminadores de detección de diferencia de fase entre dos señales de conteo o integración de ciclos de oscilación H03D 3/04; control automático, arranque, sincronización o estabilización de generadores de oscilaciones o de impulsos electrónicos donde el tipo de generador es irrelevante o esta sin especificar H03L; codificación, decodificación o conversión de código, en general H03M). › H03K 7/00 Modulación de impulsos por una señal moduladora de variación continua. › Modulación de duración o de anchura.
PDF original: ES-2539901_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Método y circuito de conducción de un convertidor de puente completo con modulación de ancho de pulso digital
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un equipo y a un método para convertidores de potencia de motores de tipo conmutado y de corriente continua para una amplia gama de aplicaciones que incluyen robótica, electrónica portátil, equipos deportivos, aparatos electrodomésticos, dispositivos médicos, aplicaciones de automoción, instrumentos para máquinas de luz, tales como sincrotrones.
Descripción de la técnica anterior
La modulación por ancho de pulso (PWM) es una técnica muy ampliamente utilizada para las cargas de los diferentes sistemas eléctricos de conducción y para varios valores de potencia de salida. Cargas eléctricas que requieren de cuatro cuadrantes de conducción (es decir, la tensión de salida y corriente pueden asumir cualquier valor representado en el plano tensión-corriente) son a menudo accionadas por la configuración de puente completo (o puente H) . El interés en control digital de convertidores del tipo conmutado se ha incrementado considerablemente en los últimos años. El enfoque digital, en comparación con el enfoque análogo, ofrece varias ventajas, tales como la inmunidad a las variaciones de los componentes utilizados en el circuito durante el período de uso.
El diagrama de este circuito se muestra en la figura 1.
Este circuito incluye dos señales de entrada A1 y A2, dos terminales de salida B1 y B2 y dos señales de control X1 y X2. Los elementos conmutados Q1, Q2, Q3 y Q4 son normalmente dispositivos semiconductores, por ejemplo, transistores del tipo BJT, MOSFET o IGBT. El puente consta de dos patillas diferentes, identificables con las rutas de conducción de los transistores, es decir, corrientes del colector-emisor o de drenaje-fuente. Las clavijas de control Q1 y Q4 están conectadas directamente a las señales de control respectivas X1 y X2. El terminal de control Q3 está conectado al terminal X2 a través de un puerto de inversión, mientras que el terminal de 02 está conectado a X1 a través de otro puerto inversor. La carga está conectada entre los terminales de salida B1 y B2 mientras que las entradas A1 y A2 están normalmente conectadas respectivamente a un potencial positivo y a una tierra de referencia. Las señales de entrada a X1 y X2 definen los niveles de tensión de B1 y B2: cuando el voltaje en X1 es alto, Q1 está encendido y Q2 está apagado (es decir, A1 y B1 asumen idealmente el mismo potencial) y cuando X1 está a baja tensión, Q1 está apagado y Q2 está encendido (es decir, A2 y B1 al mismo potencial) . Esta situación es reproducible en la otra patilla del puente.
La forma más común de conducción de un puente completo es la que se muestra en la figura 2, donde X1 y X2 son las señales de control [0006] La corriente de salida promedio que fluye a través de la carga conectada entre los terminales B1 y B2 puede ser regulada en amplitud y dirección cambiando la porción de tiempo que X1, y por consiguiente X2, permanecen en un nivel de voltaje alto durante un período T de la frecuencia de conmutación. Una técnica básica para puentes completos implica que X1 debe seguir siendo alta para m1 T mientras X2, que es la versión invertida del X1, debería seguir siendo alta para m2 T = (1-m1) T. Con esta técnica, las señales de control X1 y X2 se correlacionan directamente con un único coeficiente de modulación (o en la jerga, ciclo de trabajo) m = m1 = 1 -m2.
El uso de circuitos con modulación de ancho de pulso digital (DPWM) introduce la discretización de los posibles valores de los coeficientes de modulación m1 y m2; esto lleva a una consecuente discretización de los valores de corriente/tensión de salida promedio alcanzables. Esta modulación de ancho de pulso, haciendo uso de un cuantificador de n bits, conduce a una situación en la que la tensión/corriente puede alcanzar, en condiciones de estado estacionario, N = 2n diferentes valores, donde n es la resolución, es decir, el número de bits utilizados para cuantificar cada valor.
Sumario de la invención
Un objeto de la presente invención es la provisión de un circuito con modulación de ancho de pulso digital que aumenta la resolución del actuador en la configuración de puente completo.
La idea básica de la presente invención es proporcionar un método para la conducción de las dos patillas del puente completo como dos etapas independientes de medio puente con una determinada secuencia de impulsos de amplitud digital tal que las señales de control no están correlacionadas directamente con un coeficiente único de modulación, como en la técnica anterior, y tal como para aumentar la resolución media de tensión/corriente.
El método y el circuito para conducir una carga con un puente completo en combinación con los resultados de circuito DPWM n bits estándar en una resolución de salida equivalente a n+log2 (2 + 1/2n) , aumentando un poco
más de un bit. El circuito, combinado con la DPWM e incluido en el bucle de realimentación negativa de una fuente de alimentación del tipo conmutado, hace posible relajar las condiciones que conducen a la creación de ciclos límite en razón de la escasa resolución y mejora la capacidad de control. La conmutación de suministro de puente completo incluye una entrada, una salida y dos entradas de control.
Este y otros objetos se consiguen por medio del equipo y el método como se describe en las reivindicaciones adjuntas, y que son considerados como una parte integral de la presente descripción.
Breve descripción de los dibujos
La invención se convertirá en totalmente clara a partir de la siguiente descripción detallada, dada puramente como un, ejemplo ilustrativo no limitante, para ser leída con referencia a los dibujos adjuntos, donde:
-
La figura 1 es un esquema simplificado de una etapa de puente completo estándar que utiliza transistores del
tipo MOSFET;
-
La figura 2 ilustra algunas formas de onda típicas utilizadas para la conducción de un circuito de puente
completo;
-
La figura 3 es un diagrama de bloques de una fuente de alimentación del tipo conmutado que contiene el circuito
de acuerdo con la presente invención;
-
La figura 4 es una representación en diagrama de bloques del circuito de acuerdo con la presente invención;
-
La figura 5 ilustra algunas formas de onda típicas obtenidas del circuito de acuerdo con la presente invención;
-
La figura 6 es un diagrama de bloques funcional de una fuente de alimentación del tipo conmutado que contiene
el circuito de acuerdo con la invención en combinación con un esquema de modulación que utiliza la técnica de
"tramado";
-
La figura 7 es una representación del comportamiento de los índices de modulación como una función de una
variable de control cuando se aplica la técnica de "tramado";
-
La figura 8 muestra un diagrama de flujo de un método para generar los coeficientes de modulación desde el
circuito de acuerdo con la presente invención.
Los mismos números y letras referencias en las figuras designan las mismas o partes funcionalmente equivalentes.
Descripción de un ejemplo
La figura 3 muestra un diagrama de una fuente de alimentación del tipo conmutado que incluye un circuito 31, que es el objeto particular de la invención. Cuando una etapa de puente completo está modulada por una secuencia de impulsos que contiene N = 2n pulsos de amplitud, después de un filtro de paso bajo ideal (LP) , el número de valores de salida discretos asciende a N. La resolución de la tensión de salida corresponde al intervalo entre los niveles de tensión.
El circuito 31, de acuerdo con la presente invención, se coloca entre la salida del bloque integradorderivado-proporcional (PID) 32 y la entrada del circuito de modulación de ancho de pulso digital (DPWM) 33. La señal de entrada del bloque de control digital PID 32 representa el error entre el valor de la tensión de referencia (punto "de ajuste") VREF y el valor de salida del convertidor analógico-digital (ADC) 36; la señal de salida representa el coeficiente de modulación m.
El coeficiente de modulación m se aplica como entrada digital al bloque 31, que genera dos salidas digitales diferentes, definidas como m1 y m2. Estos dos coeficientes de modulación se convierten entonces en dos ondas cuadradas diferentes X1 y X2 mediante el bloque DPWM 33. Estas ondas cuadradas, X1 y X2, conducen una etapa de conmutación de puente completo 34 del tipo de circuito de la figura 1, que también incluye una tensión de entrada VIN, seguida de un filtro de salida de paso bajo 35... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Método para la conducción de un circuito de puente completo (34, 64) que comprende un circuito (31) que recibe una señal de modulación de entrada (m) y genera una primera señal de modulación de salida (m1) y una segunda 5 señal de modulación de salida (m2) para controlar el puente completo, comprendiendo el método las etapas de:
- generar una primera (X1) y la segunda (X2) onda cuadrada que tiene un período común de onda cuadrada (Ts) , donde la primera onda cuadrada (X1) está configurada para conducir una patilla del puente completo y la segunda onda cuadrada (X2) está configurada para accionar la segunda patilla del puente completo;
caracterizado por las siguientes etapas:
- generar la primera onda cuadrada (X1) se genera con un primer ciclo de trabajo basándose en la señal (m1) primero modulación, donde la primera señal de modulación (m1) es una versión truncada de N niveles de la señal de control de entrada (m) ; obtener la segunda señal de modulación (m2) en primer lugar haciendo una diferencia (90) entre la señal de modulación de entrada (m) y la versión truncada de N niveles, en segundo lugar haciendo una operación de redondeo de dicha diferencia (92, 93) ; -generar la segunda onda cuadrada (X2) con un segundo ciclo de trabajo igual o mayor que el primer ciclo de trabajo por un paso de tiempo incremental Ts/ (N-1) basado en la segunda señal de modulación (m2) .
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que la señal de modulación de entrada (m) se genera mediante un módulo proporcional-integral-derivado digital.
3. Método según cualquier reivindicación anterior, que comprende la etapa de saturar la señal de modulación de
entrada (m) a un valor predeterminado alto cuando la señal de modulación de entrada (m) es mayor que un valor umbral, y a un valor predeterminado bajo cuando la señal de modulación de entrada (m) es menor que un valor umbral.
4. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que el circuito (31) se combina con un módulo de tramado (67) que tiene una relación de tramado K tal para generar patrones de tramado que tienen un período cuadrado Ts = Tc K, donde Tc es un período de muestreo de la señal de modulación de entrada (m) , donde el método comprende la adición de los patrones de tramado para la primera señal de modulación (m1) y a la segunda señal de modulación (m2) .
5. Método según cualquier reivindicación anterior, que comprende la etapa de alimentar hacia adelante la corriente de salida/tensión en la carga del puente completo (34, 64) a la señal de modulación de entrada (m) .
6. Método según cualquier reivindicación anterior, que comprende la etapa de muestreo de la señal de modulación de entrada (m) con un periodo de muestreo igual al período de onda cuadrada común (Ts) .
7. Circuito (31) para la conducción de un circuito de puente completo (34, 64) que comprende una señal de modulación de entrada (m) y que comprende una primera señal de modulación de salida (m1) y una segunda señal de modulación de salida (m2) para controlar el puente completo, donde el circuito es capaz de generar una primera (X1) y segunda (X2) onda cuadrada que tienen un periodo de onda cuadrada común (Ts) , donde la primera onda
cuadrada (X1) está configurada para conducir una patilla del puente completo y la segunda onda cuadrada (X2) está configurada para conducir la segunda patilla del puente completo, caracterizado por que el circuito comprende además:
- medios para generar la primera onda cuadrada (X1) con un primer ciclo de trabajo basándose en la primera señal de modulación (m1) , donde la primera señal de modulación (m1) es una versión truncada de N niveles (405, 406) de control de entrada de la señal (m) ; medios para obtener la segunda señal de modulación (m2) en primer lugar haciendo una diferencia entre la señal de modulación de entrada (m) y la versión truncada de N niveles, en segundo lugar haciendo una operación de redondeo de dicha diferencia (407, 408) ; -medios para generar la segunda onda cuadrada (X2) con un segundo ciclo de trabajo igual o mayor que el 55 primer ciclo de trabajo mediante una etapa de tiempo incremental Ts/ (N-1) basado en la segunda señal de modulación (m2) .
8. Circuito según la reivindicación 7, que comprende además un modulador de anchura de impulsos digitales capaz de generar la primera onda cuadrada (X1) y la segunda onda cuadrada (X2) y para recibir como entradas la primera señal de modulación (m1) y la segunda señal de modulación (m2) .
9. Circuito según la reivindicación 7, que comprende además un módulo proporcional-integral-derivado digital (32, 62) capaz de generar la señal de modulación de entrada (m) .
10. Circuito de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el circuito comprende además un bloque (401) capaz de saturar la señal de modulación de entrada (m) a un valor predeterminado alto cuando la señal de 6
modulación de entrada (m) es mayor que un primer valor umbral, y capaz de saturar la señal de modulación de entrada (m) a un valor predeterminado bajo cuando la señal de modulación de entrada (m) es menor que un segundo valor de umbral.
11. Circuito de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el circuito (31) comprende además un módulo de tramado (67) que tiene una relación de tramado K tal para generar patrones de tramado que tienen un período cuadrado Ts = Tc K, donde Tc es un período de muestreo de la señal de modulación de entrada (m) , y de tal manera que los patrones de tramado se añaden a la primera señal de modulación (m1) y a la segunda señal de modulación (m2) .
12. Circuito de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende medios de alimentación por adelantado de corriente/tensión de salida a la señal de modulación de entrada (m) .
13. Circuito de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que incluye además un circuito de muestreo (403) para
el tiempo de muestreo de la señal de modulación de entrada (m) con un periodo de muestreo igual al período de onda cuadrada común (Ts) .
14. Circuito según la reivindicación anterior 13 en el que el circuito de muestreo (403) es un módulo de retención de orden cero. 20
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