ES2934619A1 - Convertidor CC/CC - Google Patents
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Abstract
Convertidor CC/CC (1) que comprende dos terminales de entrada (105, 106), un primer condensador (101), un segundo condensador (102), un tercer condensador (103), una primera, segunda y tercera celda de conmutación, un primer resonador (311), un segundo resonador (312), un tercer resonador (313), un transformador trifásico (400) y un rectificador trifásico (500); estando el primer, segundo y tercer condensador respectivamente conectado en paralelo con la primera, segunda y tercera celda de conmutación; estando el primer, segundo y tercer condensador conectados en paralelo con los terminales de entrada; estando el primer, segundo y tercer resonador respectivamente conectado a una salida de la primera, segunda y tercera celda de conmutación; estando el primer, segundo y tercer resonador conectados a bobinas de entrada del transformador trifásico; y estando el rectificador trifásico conectado a tres bobinas de salida del transformador trifásico.
Description
DESCRIPCIÓN
Convertidor CC/CC
SECTOR DE LA TÉCNICA
La invención se encuadra en el sector técnico de sistemas de electrónica de potencia y los sistemas de conversión de energía eléctrica, y en particular en la conversión de energía eléctrica con aislamiento galvánico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Un convertidor CC/CC se coloca entre dos puertos, la entrada y la salida, sin camino directo de corriente entre ellos, con el objetivo de generar una tensión reducida o elevada en la salida a partir de la energía de la entrada. El uso de aislamiento galvánico en la conversión de potencia es esencial en muchas industrias, por la seguridad y la obtención de ganancias elevadas y reducidas. Especialmente, cuando existe el factor humano en la interacción con los equipos electrónicos. En aplicaciones de transporte, el aislamiento galvánico dado por un transformador permite aislar el lado de alta tensión del usuario, evitando que el usuario se electrocute en caso de fallos eléctricos, además de reducir la posibilidad de que dichos fallos se propaguen a través de los sistemas. Uno de los principales objetivos en estos convertidores es reducir el volumen total de la solución, para lo cual se recurre comúnmente a incrementar la frecuencia de conmutación y a soluciones magnéticas integradas.
Para solventar estas situaciones, se emplean, entre otras, topologías de puente completo (Full Bridge - FB), convertidores resonantes (especialmente el LLC), puente doble activo (Dual Active Bridge - DAB) donde los transformadores tienen una entrada y una salida. Sin embargo, cuando se requieren grandes aumentos o reducciones de la tensión, el transformador comprende devanados con un número alto de vueltas y un núcleo magnético con un volumen alto, aumentando las pérdidas. Adicionalmente, si la tensión de entrada es muy elevada, se requieren dispositivos (transistores) capaces de soportar dicha tensión, reduciendo el catálogo de dispositivos y reduciendo las prestaciones de estos. El uso del transistor bipolar de puerta aislada, conocido como IGBT por su denominación en inglés, soporta tensiones superiores a 10kV, sin embargo, los transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor, conocido como MOSFET por su denominación en inglés, de silicio soportan los 1200V y los transistores de GaN soportan hasta los 650V debido a limitaciones tecnológicas. Para solucionarlo, se disponen celdas en serie, dispositivos en cascodo y multifásicos.
En el artículo “Review of High-Frequency High-Voltage-Conversion-Ratio DC-DC Converters” (Y. Guan, C. Cecati, J. M. Alonso and Z. Zhang, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics, vol. 2, no. 4, pp. 374-389, Oct. 2021, doi: 10.1109/JESTIE.2021.3051554.) se analizan las distintas topologías existentes. Los autores revisan los convertidores basados en transformadores y en bobinas acopladas, detallando las ventajas y desventajas de cada convertidor. Sin embargo, todas las topologías incorporan múltiples transformadores cuando pretenden lograr ratios altos de conversión de tensión. Los autores detallan el uso de dispositivos conmutados en cascada como una ventaja por las menores tensiones de bloqueo, además de permitir más modos de funcionamiento al haber más interruptores.
Otros autores han explorado el uso de tres fases en convertidores CC/CC, como en "A ZVZCS three-phase boost dc-dc converter distributing 400VDC in Telco and data centers to improve energy efficiency", R. Verma and S. Gupta, Third International Conference on Computational Intelligence and Information Technology (CIIT 2013), 2013, pp. 598-604, doi: 10.1049/cp.2013.2652. Sin embargo, estos autores usan inversores trifásicos tradicionales conectados a tres transformadores separados.
Los convertidores CC/CC aislados suelen presentar densidades de potencia bajas a alta potencia, principalmente debido al volumen del transformador, ya que hay límites de incremento de frecuencia para evitar otros problemas. Una solución al problema del volumen consiste en el uso de transformadores matriciales, donde hay múltiples secundarios paralelizados con el objetivo de aumentar la potencia sin un aumento excesivo en volumen. Esta solución es detallada por los autores en "High-Efficiency High-Power-Density LLC Converter With an Integrated Planar Matrix T ransformer for High-Output Current Applications", C. Fei, F. C. Lee and Q. Li, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 11, pp.
9072-9082, Nov. 2017, doi: 10.1109/TIE.2017.2674599.
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA INVENCIÓN
La presente invención trata de resolver problemas que presentan soluciones del estado de la técnica como los mencionados arriba.
La presente invención se refiere a un convertidor CC/CC, es decir, a un convertidor que transforma corriente continua a un nivel de tensión continua en corriente continua a otro nivel de tensión continua. El convertidor CC/CC tiene una estructura que permite aprovechar sinergias de los componentes electrónicos que componen el convertidor, como por ejemplo, condensadores con menor capacitancia, y por consiguiente menos volumen y peso; celdas de conmutación sometidas a menores tensiones, y por consiguiente menor dependencia en
tipos muy concretos de interruptores; un transformador trifásico con un núcleo magnético de menor volumen y por consiguiente más barato y menos pesado; todo ello sin disminuir la relación de conversión del convertidor ni la efectividad del aislamiento galvánico del convertidor. De este modo, se permite aumentar la densidad de potencia suministrada por el convertidor, así como disminuir el coste del convertidor.
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un convertidor CC/CC, comprendiendo el convertidor CC/CC dos terminales de entrada, un primer condensador, un segundo condensador, un tercer condensador, una primera celda de conmutación, una segunda celda de conmutación, una tercera celda de conmutación, un primer resonador, un segundo resonador, un tercer resonador, un transformador trifásico y un rectificador trifásico; estando el primer condensador conectado en paralelo con la primera celda de conmutación; estando el segundo condensador conectado en paralelo con la segunda celda de conmutación; estando el tercer condensador conectado en paralelo con la tercera celda de conmutación; estando el primer condensador, el segundo condensador y el tercer condensador conectados en paralelo con los dos terminales de entrada de manera que una tensión entre los dos terminales de entrada es igual a una suma de tensiones del primer condensador, del segundo condensador y del tercer condensador; estando una entrada del primer resonador conectada a una salida de la primera celda de conmutación; estando una entrada del segundo resonador conectada a una salida de la segunda celda de conmutación; estando una entrada del tercer resonador conectada a una salida de la tercera celda de conmutación; comprendiendo el transformador trifásico tres bobinas de entrada; estando una salida del primer resonador, una salida del segundo resonador y una salida del tercer resonador conectadas a las bobinas de entrada; y estando el rectificador trifásico conectado a tres bobinas de salida del transformador trifásico.
Las celdas de conmutación permiten variar un signo de corriente eléctrica suministrada a los resonadores, de manera que las celdas de conmutación permiten generar corriente alterna a partir de corriente continua. El convertidor CC/CC puede comprender medios de procesamiento configurados para enviar señales de control a las celdas de conmutación tales que, al conectar los terminales de entrada a una tensión continua, se genera una corriente alterna en la salida de cada celda de conmutación.
Los resonadores están configurados para amplificar corrientes de una o varias frecuencias concretas, de manera que suministran corriente trifásica a tres devanados primarios, dicho de otro modo, a tres bobinas de entrada del transformador trifásico.
De este modo, el conjunto formado por el primer, el segundo y el tercer condensador, la primera, la segunda y la tercera celda de conmutación y el primer, el segundo y el tercer resonador es un inversor trifásico, dicho de otro modo, un inversor configurado para convertir corriente continua de los terminales de entrada en corriente trifásica en las salidas de los resonadores.
Las conexiones entre los resonadores y el transformador trifásico permiten que corriente trifásica de salida de los resonadores sea suministrada al transformador trifásico, más en concreto, suministrada a las tres bobinas de entrada del transformador trifásico.
El rectificador trifásico permite convertir una corriente trifásica suministrada al rectificador trifásico en una corriente continua a una salida del rectificador trifásico. Las conexiones entre el rectificador trifásico y las tres bobinas de salida del transformador trifásico permiten convertir una corriente trifásica de las tres bobinas de salida del transformador trifásico en una corriente continua a una salida del rectificador trifásico.
El uso de varios condensadores en paralelo con los terminales de entrada del convertidor CC/CC permite reducir un volumen de los condensadores porque permite que los condensadores almacenen menos energía en comparación con un único condensador en paralelo con los terminales de entrada. De forma adicional y sinérgica, cada celda de conmutación bloquea una tensión menor, gracias a la estructura de celdas de conmutación en cascada, permitiendo utilizar interruptores con menor tolerancia a bloqueo de tensiones elevadas, así como un desgaste menor de las celdas de conmutación. Una distribución uniforme de la tensión de entrada entre las celdas de conmutación permite que cada celda de conmutación suministre la misma potencia.
El uso de un tanque resonante formado por los resonadores permite una generación de corrientes alternas, aproximadamente sinusoidales, mediante aplicación de resonancia a tensiones pulsadas de las salidas de las celdas de conmutación de manera que se suministran dichas corrientes alternas a los primarios del transformador. Estas corrientes alternas son transformadas por la relación de transformación e inducidas en el secundario del transformador, donde son rectificadas por el rectificador trifásico. El uso de tres fases entrelazadas suaviza el carácter pulsante de la potencia entregada a la salida del convertidor, reduciendo una capacitancia de un condensador para disminuir un rizado de una tensión de salida de salida del convertidor. Cada resonador puede comprender una primera inductancia y una primera capacitancia conectadas en serie de manera que una frecuencia de resonancia del resonador coincida con una frecuencia de un primer armónico de la tensión modulada a la salida de la celda de conmutación conectada al resonador, y opcionalmente puede
comprender una segunda inductancia y una segunda capacitancia conectadas en serie entre sí cuya frecuencia de resonancia sea una frecuencia de un tercer armónico de la tensión modulada a la salida de la celda de conmutación conectada al resonador; estando las segundas inductancia y capacitancia conectadas en paralelo con las primeras inductancia y capacitancia. Los resonadores pueden ser más complejos, permitiendo, por ejemplo, amplificar armónicos de mayor frecuencia. Gracias a el uso de armónicos adicionales al fundamental, se incrementa la tensión suministrada al transformador y por tanto aumenta la potencia transmitida por el transformador.
La configuración de cada celda de conmutación permite conectar la entrada del resonador sucesivamente a cada uno de los dos terminales del condensador, estando el condensador en paralelo con la celda de conmutación, y estando la entrada del resonador conectada a la salida de la celda de conmutación.
En algunas realizaciones, el convertidor CC/CC puede comprender medios de procesamiento configurados para enviar señales de control a las celdas de conmutación tales que la frecuencia de conmutación de las tres celdas de conmutación coincide con una frecuencia de resonancia de los tres resonadores.
Para el uso como reductor de tensión, se puede utilizar un transformador trifásico estrellatriángulo, permitiendo que una relación de vueltas del transformador trifásico sea menor en comparación con su equivalente estrella-estrella, ya que la tensión de línea es multiplicada por V3 obteniendo la tensión de salida dada por la siguiente expresión:
Siendo n la relación de vueltas del primario del transformador respecto al secundario del transformador, VI una tensión de entrada del transformador y Vo una tensión de salida del transformador.
Para la regulación del convertidor, se puede aplicar señales de control a cada celda de conmutación para conmutar complementariamente un primer dispositivo de conmutación de la celda y un segundo dispositivo de conmutación de la celda. La tensión de salida de cada celda de conmutación se puede controlar mediante la frecuencia de conmutación, permitiendo controlar la ganancia del tanque resonante. Las señales de control pueden tener una tensión cuadrada.
La presencia de corrientes resonantes permite reducir las pérdidas de conmutación del convertidor, al poder utilizarse corrientes resonantes para descargar las capacitancias parásitas de los interruptores. Con este fin, la frecuencia de operación se puede eligir de manera que la carga equivalente desde las celdas de conmutación sea inductiva, pudiendo aplicar conmutación a tensión cero, conocido en inglés como “Zero Voltage Switching” o por sus siglas “ZVS”, en los dispositivos de conmutación, minimizando las pérdidas de conmutación.
En algunas realizaciones, la primera celda de conmutación comprende dos interruptores; estando la salida de la primera celda de conmutación conectada a los dos interruptores de manera que en un estado en el que cualquiera de los dos interruptores está cerrado y otro interruptor de los dos interruptores está abierto se cierra un circuito eléctrico, comprendiendo el circuito eléctrico el interruptor cerrado y el primer resonador.
En algunas realizaciones, al menos uno de los interruptores es un transistor. Los transistores se pueden comportar como interruptores que permiten un control adaptativo y versátil.
En algunas realizaciones, el al menos un transistor es un transistor de efecto de campo metalóxido-semiconductor.
En algunas realizaciones, el al menos un transistor es un transistor de alta movilidad de electrones.
La distribución de la tensión de entrada entre varias celdas de conmutación permite disminuir la tensión de bloqueo de los interruptores habilitando el uso de transistores que no soportan tensiones de bloqueo elevadas como, por ejemplo, los transistores de efecto de campo metalóxido-semiconductor o los transistores de alta movilidad de electrones.
La reluctancia de una porción longitudinal del núcleo magnético se puede calcular como:
l
R = -M---0-- '- M--r-- ■- S r
donde:
R: es la reluctancia de la porción longitudinal,
l: es la longitud de la porción longitudinal,
M0: es la permeabilidad magnética del vacío,
Mr : es la permeabilidad magnética relativa de la porción longitudinal y
S: es un área total de la sección transversal de la porción longitudinal.
En algunas realizaciones, el transformador trifásico comprende un núcleo magnético; teniendo una primera porción longitudinal del núcleo magnético una sección transversal con un área total menor que el área total de una sección transversal de una segunda porción longitudinal del núcleo magnético; estando el transformador trifásico configurado para que, al alimentar las tres bobinas de entrada con corriente trifásica, un flujo magnético generado por el transformador trifásico en la primera porción sea nulo sin que flujos magnéticos individuales generados en la primera porción por bobinas del transformador trifásico sean nulos.
Los flujos magnéticos individuales son: el flujo magnético generado por la primera bobina de entrada del transformador, el flujo magnético generado por la segunda bobina de entrada del transformador, el flujo magnético generado por la tercera bobina de entrada del transformador, el flujo magnético generado por la primera bobina de salida del transformador, el flujo magnético generado por la segunda bobina de salida del transformador y el flujo magnético generado por la tercera bobina de salida del transformador.
Como el flujo magnético generado por las bobinas del transformador y que atraviesa la sección de la primera porción es nulo, el área total de la sección requerida es menor que en otros convertidores en los que el flujo no es nulo, permitiendo reducir el tamaño y el peso del convertidor.
En algunas realizaciones, el área total de la sección transversal de la primera porción longitudinal es nula. El área total nula implica una minimización máxima del tamaño de dicha sección y con ello del peso y tamaño de la primera porción.
En algunas realizaciones, el convertidor CC/CC comprende un condensador de salida para disminuir un rizado de una tensión de salida del rectificador trifásico, estando el condensador de salida conectado a una salida del rectificador trifásico. En general, el rizado de la tensión de salida es perjudicial para cargas conectadas al convertidor. El condensador de salida permite reducir este rizado.
Los diferentes aspectos y realizaciones de la invención definidos anteriormente pueden combinarse entre sí, siempre que sean mutuamente compatibles.
Las ventajas y características adicionales de la invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada y se señalarán particularmente en las reivindicaciones adjuntas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con ejemplos de realizaciones prácticas de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de dibujos en el que, con carácter ilustrativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra esquemáticamente un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención, estando el convertidor conectado a varias fuentes de alimentación y a varias cargas.
La figura 2 muestra esquemáticamente un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención, estando el convertidor CC/CC conectado a una fuente de tensión continua.
La figura 3 muestra conexiones de condensador con celdas de conmutación de convertidores CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.
La figura 4 muestra porciones de rectificadores trifásicos de convertidores CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.
La figura 5 muestra resonadores de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.
La figura 6 muestra esquemáticamente un transformador trifásico de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.
La figura 7 muestra señales de conmutación de celdas de conmutación de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.
La figura 8 muestra señales de conmutación de celdas de conmutación de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención, y muestra corrientes resultantes de dichas señales de conmutación.
La figura 9 muestra señales de conmutación de celdas de conmutación de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención, y muestra corrientes resultantes de dichas señales de conmutación.
La figura 10 muestra tensiones medias en resonadores de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.
La figura 11 muestra un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención, estando el convertidor conectado a una fuente de tensión continua.
La figura 12 muestra una gráfica de una relación entre ganancia y frecuencia de un resonador de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención. En concreto, la figura 12 muestra una curva de la ganancia de tensión de cada resonador.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES DE LA INVENCIÓN
A la vista de esta descripción y figuras, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin salir del objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada.
La figura 1 muestra un convertidor CC/CC (1) con aislamiento galvánico. El convertidor CC/CC (1) comprende un transformador trifásico (400), por ejemplo, en configuración estrellatriángulo o en configuración estrella-estrella, que permite que el flujo magnético del transformador trifásico (400) en una o varias porciones de un núcleo magnético del transformador trifásico (400) sea nula, permitiendo disminuir tamaño y peso del transformador trifásico (400), y con ello tamaño y peso del convertidor CC/CC (1). Además, como se reduce un flujo magnético del núcleo magnético, se reducen pérdidas magnéticas en el núcleo magnético del transformador, permitiendo aumentar el factor de reducción/aumento del transformador trifásico sin necesidad de aumentar un tamaño del núcleo magnético y sin necesidad de aumentar una tensión de alimentación de devanados primarios del transformador trifásico (400). Además, una distribución de la tensión de entrada en varios condensadores permite reducir tamaño y peso de los condensadores y ampliar la variedad de celdas de conmutación utilizables en el convertidor CC/CC (1). Por ello, el convertidor CC/CC (1) permite minimizar el volumen, el peso y la tensión requeridos para lograr un factor de conversión alto, dicho de otro modo, un factor alto de reducción/aumento de tensión continua en tensión continua, manteniendo un aislamiento galvánico efectivo.
El convertidor CC/CC (1) tiene dos terminales de entrada conectados en paralelo a un generador de energía eléctrica, una batería y una pila de combustible. El convertidor CC/CC (1) tiene dos terminales de salida conectados en paralelo a un banco de condensadores y a dos cargas.
La figura 2 muestra el convertidor CC/CC (1) conectado a una fuente de tensión continua Vi (104). En concreto, el convertidor CC/CC (1) comprende dos terminales de entrada (105), (106) conectados a la fuente de tensión continua V i (104). Un primer condensador (101), un segundo condensador (102) y un tercer condensador (103) están conectados en paralelo con los dos terminales de entrada (105), (106) de manera que una tensión entre los dos terminales de entrada (105), (106) es igual a una suma de tensiones del primer condensador (101), del
segundo condensador (102) y del tercer condensador (103). Dicho de otro modo, las celdas de conmutación están conectadas en cascada con los dos terminales de entrada (105), (106). En esta configuración la suma de tensiones del primer condensador (101), del segundo condensador (102) y del tercer condensador (103) es igual a la tensión entre los dos terminales de entrada (105), (106) independientemente del estado de las celdas de conmutación. La figura 2 muestra un primer conjunto (100) de fuente de tensión continua Vi (104), primer condensador (101), segundo condensador (102) y tercer condensador (103).
El primer condensador (101) está conectado en paralelo con una primera celda de conmutación. La primera celda de conmutación comprende un primer interruptor (201) y un segundo interruptor (202). El primer interruptor (201) está conectado a un terminal del primer condensador (101), y el segundo interruptor (202) está conectado a otro terminal del primer condensador (101). El segundo condensador (102) está conectado en paralelo con una segunda celda de conmutación. La segunda celda de conmutación comprende un tercer interruptor (203) y un cuarto interruptor (204). El tercer interruptor (203) está conectado a un terminal del segundo condensador (102), y el cuarto interruptor (204) está conectado a otro terminal del segundo condensador (102). El tercer condensador (103) está conectado en paralelo con una tercera celda de conmutación. La tercera celda de conmutación comprende un quinto interruptor (205) y un sexto interruptor (206). El quinto interruptor (205) está conectado a un terminal del tercer condensador (103), y el sexto interruptor (206) está conectado a otro terminal del tercer condensador (103). La figura 2 muestra un segundo conjunto (200) de celdas de conmutación. La figura 3 muestra ejemplos de estas conexiones en paralelo entre condensador e interruptores.
La figura 3 muestra ejemplos de conexión en paralelo del primer condensador (101) con la primera celda de conmutación. La conexión en paralelo comprende una primera conexión (111), una segunda conexión (112) y una tercera conexión (113), siendo la primera conexión (111) para conexión con el primer terminal (105) y siendo la segunda conexión (112) para conexión con el segundo condensador (102). La tercera conexión (113) está conectada entre los interruptores (121), (122), de manera que al abrir uno de los interruptores (121), (122) y cerrar el otro de los interruptores (121), (122), la tercera conexión (113) queda conectada en serie con el otro de los interruptores (121), (122). Tal como se ilustra en los ejemplos de conexión en paralelo de la figura 3, los interruptores pueden ser: transistores de efecto campo de unión metal-óxido-semiconductor, transistores bipolares de puerta aislada, transistores bipolares de unión, transistores de alta movilidad electrónica, cascodos basados en transistores de efecto campo de unión y/o cascodos basados en transistores de alta movilidad electrónica.
Si bien las conexiones de la figura 3 representan la conexión en paralelo del primer condensador (101) con la primera celda de conmutación, estas conexiones en paralelo pueden ser iguales para el segundo condensador (102) y/o para el tercer condensador (103) tal como se puede deducir de la figura 11.
Continuando con la figura 2, el convertidor CC/CC (1) comprende un tanque resonante (300) y un transformador trifásico (400), comprendiendo el tanque resonante (300) un primer resonador, un segundo resonador y un tercer resonador. El tanque resonante (300) comprende una cuarta conexión (301) con la tercera conexión (113) de la primera celda de conmutación, conectando la cuarta conexión (301) el primer resonador con la primera celda de conmutación. El tanque resonante (300) comprende una quinta conexión (302) de una salida de la segunda celda de conmutación con el segundo resonador. El tanque resonante (300) comprende una sexta conexión (303) de una salida de la tercera celda de conmutación con el tercer resonador.
La figura 5 muestra ejemplos de resonadores del tanque resonante (300), en concreto muestra resonadores formados por una rama LC o varias ramas LC conectadas en paralelo. El segundo resonador y/o el tercer resonador pueden ser iguales al primer resonador, tal como se puede deducir de la figura 11. La figura 11 muestra un primer resonador (311), un segundo resonador (312) y un tercer resonador (313).
Continuando con las figuras 2 y 5, el tanque resonante (300) comprende una séptima conexión (401) del primer resonador con el transformador trifásico (400). Continuando con la figura 2, el tanque resonante (300) comprende una octava conexión (402) del segundo resonador con el transformador trifásico (400) y una novena conexión (403) del tercer resonador con el transformador trifásico (400).
La figura 6 muestra un esquema electrónico del transformador trifásico (400) en configuración estrella-triángulo. Las bobinas del primario y del secundario del transformador trifásico están enrolladas a un mismo núcleo magnético del transformador trifásico. El transformador trifásico (400) comprende tres conexiones de entrada (411), (412), (413). Cada una de las tres conexiones de entrada (411), (412), (413) está conectada en serie con una de la séptima conexión (401), la octava conexión (402) y la novena conexión (403), tal como se puede deducir, por ejemplo, de la figura 11. El esquema electrónico del transformador trifásico (400) comprende una inductancia de fugas (451), (452), (453) y una inductancia de magnetización (431), (432), (433) por cada par de bobinas (441), (442), (443) del transformador trifásico (400). El transformador trifásico (400) tiene tres conexiones de salida (421), (422), (423).
Continuando con la figura 2, el convertidor CC/CC (1) comprende un rectificador trifásico (500). El rectificador trifásico (500) comprende una décima conexión (501), una undécima conexión (502) y una duodécima conexión (503). Cada una de la décima conexión (501), undécima conexión (502) y duodécima conexión (503) está conectada a una de las tres conexiones de salida (421), (422), (423) del transformador trifásico (400).
La figura 4 muestra ejemplos de una primera porción del rectificador trifásico (500). La primera porción del rectificador trifásico (500) comprende la décima conexión (501) conectada a la conexión de salida (421) del transformador trifásico (400). La primera porción del rectificador trifásico (500) comprende unos terminales de salida (601), (602) y dispositivos de rectificación (531), (532). Tal como se ilustra en las configuraciones en la figura 4, los dispositivos de rectificación (531), (532) pueden ser: diodos, transistores de efecto campo de unión metalóxido-semiconductor, transistores bipolares de puerta aislada, transistores bipolares de unión, transistores de alta movilidad electrónica, cascodos basados en transistores de efecto campo de unión y cascodos basados en transistores de alta movilidad electrónica.
Lógicamente se pueden conectar en cascada tres de estas porciones del rectificador trifásico (500) para formar el rectificador trifásico (500) tal como se puede deducir de la figura 11, conectando la conexión de entrada de cada porción a una conexión de salida distinta del transformador trifásico (400).
Continuando con la figura 2, los terminales de salida (601), (602) son terminales de salida del convertidor CC/CC (1). La figura 2 muestra un tercer conjunto (600) que comprende los terminales de salida (601), (602).
La figura 7 muestra señales de control de los interruptores de las celdas de conmutación del convertidor CC/CC (1), siendo las señales de control señales de conmutación. En concreto, la figura 7 muestra una primera señal de control (Sm) del primer interruptor (201), una segunda señal de control (Su) del segundo interruptor (202), una tercera señal de control (Sh2) del tercer interruptor (203), una cuarta señal de control (Sl2) del cuarto interruptor (204), una quinta señal de control (Sh3) del quinto interruptor (205) y una sexta señal de control (Sl3) del sexto interruptor (206). Cada una de estas señales de control está a nivel alto una mitad de un período de la señal y a nivel bajo otra mitad del período. El período de estas señales de control es de 2n radianes, es decir, de trescientos sesenta grados.
La segunda señal de control (Su) está desfasada pi radianes con respecto a la primera señal de control (Sh1). La cuarta señal de control (Sl2) está desfasada pi radianes con respecto a la tercera señal de control (Sh2). La sexta señal de control (Sl3) está desfasada pi radianes con respecto a la quinta señal de control (Sh3). La tercera señal de control (Sh2) está atrasada
ciento veinte grados con respecto a la primera señal de control (Sh i). La quinta señal de control (Sh3) está atrasada ciento veinte grados con respecto a la tercera señal de control (Sh2).
Cuando el primer interruptor (201) está abierto, el segundo interruptor (202) está cerrado, de manera que circula corriente por el segundo interruptor (202) y no circula corriente por el primer interruptor (201). Cuando el primer interruptor (201) está cerrado, el segundo interruptor (202) está abierto, de manera que circula corriente por el primer interruptor (201) y no circula corriente por el segundo interruptor (202). De este modo se generan corrientes positivas y negativas en el primer resonador del tanque resonante (300). Del mismo modo, se generan corrientes positivas y negativas en el segundo resonador del tanque resonante (300) y en el tercer resonador del tanque resonante (300). Las celdas de conmutación pueden ser de medio puente.
Un cambio de nivel de una señal de control de un interruptor cambia un estado del interruptor.
Tal como se ilustra en la figura 8, se generan corrientes trifásicas en los tres resonadores del tanque resonante (300). Para minimizar un consumo energético, resulta ventajoso que los interruptores cambien de nivel en el instante en el que la corriente trifásica que circula por el interruptor sea próxima a cero amperios y, por ejemplo, nula. Estos ejemplos se ilustran en la figura 9, que muestra que las señales de control de dos interruptores de una celda de conmutación cambian de nivel cuando la corriente que circula por uno de dichos interruptores es próxima a cero amperios. La unidad del eje de abscisas de la figura 8 es el segundo. La unidad de la tensión de bloqueo de la figura 9 es el voltio.
En particular, el tanque resonante (300) está configurado a una frecuencia de resonancia, de manera que el tanque resonante (300) amplifica corriente a dicha frecuencia de resonancia.
La figura 10 representa tensiones medias en los resonadores del tanque resonante (300). La tensión de la celda superior es la tensión del primer resonador. La tensión de la celda intermedia es la tensión del segundo resonador. La tensión de la celda inferior es la tensión del tercer resonador.
Al suministrar una tensión continua a los terminales de entrada (105), (106), las bobinas de entrada del transformador trifásico (400), dicho de otro modo, los devanados primarios del transformador trifásico (400), son alimentadas con una corriente trifásica, generando una corriente trifásica en las bobinas de salida del transformador trifásico (400). Las bobinas de salida del transformador trifásico (400) también se conocen como devanados secundarios del transformador trifásico (400).
La corriente trifásica generada en los devanados secundarios es rectificada por el rectificador trifásico (500), por ejemplo, mediante un accionamiento adecuado de los interruptores del rectificador trifásico (500), permitiendo generar una tensión sustancialmente continua entre los terminales de salida (601), (602). Lógicamente, el rectificador trifásico (500) puede ser activo o pasivo.
Un condensador conectado a los terminales de salida (601), (602) permite disminuir un rizado de la tensión entre los terminales de salida (601), (602).
Ejemplo: Convertidor aislado para alimentar a un dispositivo en un automóvil.
La presente invención se puede utilizar en un automóvil eléctrico, que comprende una batería de alta tensión, por ejemplo, de 400V, que se usa para alimentar toda la circuitería a bordo. Una carga que requiera tensiones bajas, por ejemplo, de 12V se puede conectar de forma segura a la batería mediante la invención propuesta, ya que se garantiza la seguridad del usuario mediante el aislamiento, y la conversión de tensión ocurre en un espacio reducido apto para aplicaciones con fuertes limitaciones de volumen.
Ejemplo: Convertidor aislado para alimentar unidades de computación en un centro de datos.
La presente invención se puede utilizar en un centro de datos, que frecuentemente comprende una primera etapa conectada a la red que interactúa con la misma, y posteriormente distribuye un bus de alta tensión, por ejemplo, de 450V, que se usa para alimentar los sistemas. Los equipos en un centro de datos típicamente requieren tensiones bajas, por ejemplo, de 48V ó 12V, por lo que se necesita un convertidor reductor capaz de proveer de aislamiento a alta tensión. Reducir el tamaño de estos convertidores reduce el espacio ocupado por los sistemas de alimentación permitiendo una mayor densidad de potencia en una misma instalación.
En este texto, el término “comprende” y sus variantes (como “comprendiendo”, etc.) no deben entenderse de forma excluyente, es decir, estos excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos, etc.
Por otra parte, la invención no está limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones.
Claims (8)
1. Convertidor CC/CC (1), comprendiendo el convertidor CC/CC (1) dos terminales de entrada (105, 106), un primer condensador (101), un segundo condensador (102), un tercer condensador (103), una primera celda de conmutación, una segunda celda de conmutación, una tercera celda de conmutación, un primer resonador (311), un segundo resonador (312), un tercer resonador (313), un transformador trifásico (400) y un rectificador trifásico (500); estando el primer condensador (101) conectado en paralelo con la primera celda de conmutación; estando el segundo condensador (102) conectado en paralelo con la segunda celda de conmutación; estando el tercer condensador (103) conectado en paralelo con la tercera celda de conmutación; estando el primer condensador (101), el segundo condensador (102) y el tercer condensador (103) conectados en paralelo con los dos terminales de entrada (105, 106) de manera que una tensión entre los dos terminales de entrada (105, 106) es igual a una suma de tensiones del primer condensador (101), del segundo condensador (102) y del tercer condensador (103); estando una entrada del primer resonador (311) conectada a una salida de la primera celda de conmutación; estando una entrada del segundo resonador (312) conectada a una salida de la segunda celda de conmutación; estando una entrada del tercer resonador (313) conectada a una salida de la tercera celda de conmutación; comprendiendo el transformador trifásico (400) tres bobinas de entrada; estando una salida del primer resonador (311), una salida del segundo resonador (312) y una salida del tercer resonador (313) conectadas a las bobinas de entrada; y estando el rectificador trifásico (500) conectado a tres bobinas de salida del transformador trifásico (400).
2. El convertidor CC/CC (1) de la reivindicación 1, comprendiendo la primera celda de conmutación dos interruptores; estando la salida de la primera celda de conmutación conectada a los dos interruptores de manera que en un estado en el que cualquiera de los dos interruptores está cerrado y otro interruptor de los dos interruptores está abierto se cierra un circuito eléctrico, comprendiendo el circuito eléctrico el interruptor cerrado y el primer resonador.
3. El convertidor CC/CC de la reivindicación 2, en el que al menos uno de los interruptores es un transistor.
4. El convertidor CC/CC de la reivindicación 3, en el que el al menos un transistor es un transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor.
5. El convertidor CC/CC de la reivindicación 3, en el que el al menos un transistor es un transistor de alta movilidad de electrones.
6. El convertidor CC/CC de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el transformador trifásico (400) un núcleo magnético; teniendo una primera porción longitudinal del núcleo magnético una sección transversal con un área total menor que el área total de una sección transversal de una segunda porción longitudinal del núcleo magnético; estando el transformador trifásico (400) configurado para que, al alimentar las tres bobinas de entrada con corriente trifásica, un flujo magnético generado por el transformador trifásico en la primera porción sea nulo sin que flujos magnéticos individuales generados en la primera porción por bobinas del transformador trifásico sean nulos.
7. El convertidor CC/CC (1) de la reivindicación 6, en el que el área total de la sección transversal de la primera porción longitudinal es nula.
8. El convertidor CC/CC (1) de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el convertidor CC/CC (1) un condensador de salida para disminuir un rizado de una tensión de salida del rectificador trifásico (500), estando el condensador de salida conectado a una salida del rectificador trifásico (500).
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