ITGE20090096A1 - Circuito di alimentazione in continua - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:

"CIRCUITO DI ALIMENTAZIONE IN CONTINUA"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Il presente trovato ha come oggetto un circuito di alimentazione in continua, atto ad alimentare utenze di elevata potenza.

Gli stadi di ingresso dei sistemi di alimentazione di questo tipo, già noti, sono generalmente costituiti da ponti ad H, operanti a frequenza fissa in commutazione forzata, che impiegano uno o più interruttori statici collegati in serie nei singoli rami di ponte., In alternativa al caso di più interruttori statici collegati in serie, si ricorre ad una soluzione circuitale che prevede l'utilizzo di uno o più ponti ad H, sempre in commutazione forzata a frequenza fissa connessi in serie, ciascuno dei quali è in configurazione di quattro interruttori statici, oppure di due interruttori statici più due condensatori di commutazione, ed è dotato del proprio trasformatore di isolamento, necessario per consentire la corretta organizzazione dei collegamenti delle uscite onde ottenere la prestazione a tensione e potenza nominale,,

Queste soluzioni come detto operano a frequenza fissa, cosicché lo spettro di armoniche a frequenza costante riflesse sulla rete di alimentazione è più facilmente prevedibile e controllabile.

In alternativa lo stadio di ingresso può anche essere del tipo risonante, nel qual caso si regolano normalmente i parametri d'uscita di macchina mediante variazione della frequenza di lavoro, e gli interruttori statici operano in regime di soft-switching, con perdite di commutazione pressoché nulle sia all'accensione che allo spegnimento degli interruttori stessi,

La soluzione risonante, a frequenza variabile, consente il collegamento di più interruttori statici in serie senza incontrare significativi problemi di commutazione.

Le soluzioni note comportano problemi di varia natura. Infatti per ciò che riguarda i casi di stadi di ingresso operanti a frequenza fissa in commutazione forzata, gli interruttori statici sono soggetti ad elevati stress di commutazione, dovendo gestire simultaneamente tensioni e correnti di notevole ampiezza all'atto della commutazione,, Le sollecitazioni delle giunzioni negli interruttori statici sono dunque molto forti e le perdite di commutazione elevate,. La necessaria affidabilità dei componenti costituisce obiettivo delicato da implementare ed occorrono notevoli dispositivi di protezione.

L'eventuale collegamento seriale di più interruttori statici amplifica i problemi di commutazione ed implica ulteriori problemi circuitali e di dimensionamento dei semiconduttori stessi.

Nei casi di stadio d'ingresso di tipo risonante, operanti normalmente a frequenza variabile per sfruttare in modo ottimale la conseguente flessibilità di regolazione dei parametri d'uscita, a fronte di stress e di perdite di commutazione minimi si deve fronteggiare la grave contropartita di generare nella rete di alimentazione uno spettro di armoniche di frequenza ed ampiezza continuamente variabile, dunque meno facilmente prevedibile e controllabile.

Compito precipuo del presente trovato è quello di sviluppare un circuito di alimentazione che, attraverso specifiche soluzioni circuitali, sia in grado di superare i problemi sopra esposti.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del trovato è quello di realizzare un circuito di alimentazione atto ad alimentare utenze di elevata potenza, con la possibilità di regolare e stabilizzare l'uscita anche senza operare variazioni alla frequenza di commutazione, prelevando energia da alimentazioni in alta tensione in corrente continua.

Un altro scopo del trovato è quello di realizzare un circuito che non comporti l'uso di apparecchiature o soluzioni circuitali complesse, ma che sfrutti le potenzialità di quelle già esistenti sul mercato e di uso comune.

Un ulteriore scopo del trovato è quello di realizzare un dispositivo che sia di elevata affidabilità, di relativamente facile realizzazione e a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un circuito di alimentazione in continua, comprendente uno stadio di ingresso a ponte avente interruttori statici e rispettivi diodi, collegato al primario di un trasformatore di isolamento, il secondario di detto trasformatore di isolamento essendo a sua volta connesso ad un ponte a diodi collegato ad uno stadio di uscita, detto circuito di alimentazione comprendendo inoltre mezzi di conversione di una tensione in continua, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di conversione di una tensione in continua presentano una frequenza di lavoro sincrona e doppia rispetto alla frequenza di lavoro di detto stadio di ingresso a ponte,

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, del circuito secondo il trovato, illustrate, a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 mostra uno schema circuitale di un circuito di alimentazione secondo il trovato, in una prima forma di realizzazione;

la figura 2 illustra un andamento della forma d'onda della tensione e della corrente al primario del trasformatore di isolamento, in condizioni di tensione di alimentazione nominale;

la figura 3 mostra uno schema circuitale di un circuito di alimentazione secondo il trovato, in una seconda forma di realizzazione;

la figura 4 illustra uno schema circuitale del dispositivo di protezione di tipo non dissipativo;

la figura 5 evidenzia un profilo temporale delle tensioni e delle correnti riferite al funzionamento del dispositivo di protezione di tipo non dissipativo;

la figura 6 illustra una variante dello schema circuitale di figura 1.

Con riferimento alle figure citate, il circuito secondo il trovato indicato globalmente con il numero di riferimento 1, presenta in ingresso un filtro LRC 2 connesso, tramite una capacità di ingresso 3, ad uno stadio di ingresso a ponte 4 formato da quattro interruttori statici 5, 6, 7 e 8, ai quali sono associati rispettivi diodi di ricircolo della corrente 9, 10, 11 e 12.

Il ramo del ponte ad H che unisce gli interruttori 6 e 8 è collegato ad un estremo del primario 15 di un trasformatore di isolamento 32; l'altro ramo del ponte, che unisce gli interruttori 5 e 7, si unisce ad un estremo di un condensatore risonante 13, che a sua volta all'altra estremità è collegato ad un'induttanza risonante 14 (induttanza che può essere rappresentata dall'induttanza dispersa del trasformatore di isolamento 32). Quest'ultima, infine, è collegata all'altro estremo del primario 15 del trasformatore di isolamento 32.

Il trasformatore di isolamento 32 presenta un secondario 16 collegato ad un ponte a diodi 17, formato da quattro diodi 18, 19, 20, 21.

Il ponte a diodi 17 è collegato in parallelo, in una prima forma di realizzazione, a mezzi di conversione di una tensione in continua costituiti da un interruttore statico principale 22, presentante anch'esso un rispettivo diodo di ricircolo della corrente 23, e da un dispositivo di protezione non dissipativo 24, vantaggiosamente uno snubber attivo.

Le lettere "A", "B", "C" e "D" indicano i punti di connessione dello snubber attivo 24

L'interruttore statico principale 22 è inoltre connesso da un lato all'anodo di un diodo di uscita 25 cosicché il catodo del diodo di uscita 25 stesso e l'altro lato dell'interruttore statico principale 22, non connesso al diodo di uscita 25, costituiscono rispettivamente i poli positivo e negativo che, collegati anche ad una capacità di uscita 26 posta in parallelo, alimentano il carico 27, ovvero l'utenza finale che è preferibilmente un inverter trifase o un caricabatterie

Il funzionamento del dispositivo secondo il trovato è il seguente .

In questa prima forma di realizzazione, un segnale di tensione continua in ingresso, opportunamente filtrato dal filtro LRC 2, arriva allo stadio di ingresso a ponte 4, operante ad una frequenza di lavoro fissa e di valore elevato, da dove viene indirizzato verso il trasformatore di isolamento 32 grazie all<'>azione degli interruttori statici 5, 6, 7 e 8 dello stadio di ingresso a ponte 4 e dei rispettivi diodi di ricircolo della corrente 9, 10, 11 e 12.

Gli interruttori dello stadio di ingresso a ponte 4 commutano sempre con corrente nulla, sia all'accensione che allo spegnimento, e in conseguenza di ciò le perdite di commutazione sono trascurabili. Inoltre essi sono sollecitati, in ogni fase di funzionamento, da una tensione di blocco massima, tipicamente non superiore alla massima tensione in ingresso allo stadio.,

Il segnale di tensione alternata arriva al trasformatore di isolamento 32 attraverso il condensatore risonante 13 e l'induttanza risonante 14„ La frequenza di accordo, in regime sinusoidale, del circuito formato dal condensatore risonante 13 e dall'induttanza risonante 14 corrisponde, al netto dei tempi morti di commutazione degli interruttori statici 5, 6, 7 e 8 alla frequenza di lavoro dello stadio di ingresso a ponte 4

Il trasformatore 32 opera, nel passaggio dal primario 15 al secondario 16, una trasformazione nel valore della tensione, aumentandola o diminuendola in funzione del numero delle spire del primario 15 e del secondario 16..

Il segnale di tensione alternata in uscita dal secondario 16 del trasformatore di isolamento 32 arriva al ponte a diodi 17 che, con funzione di raddrizzatore, accoglie in ingresso la tensione alternata proveniente dal trasformatore di isolamento 32 e la converte in uscita in una tensione continua.,

Successivamente, la tensione ottenuta viene regolata e stabilizzata tramite i mezzi di conversione costituiti dall'interruttore statico principale 22 e dallo snubber attivo 24, Se posizionati in questo punto del circuito, i mezzi di conversione realizzano una conversione della tensione continua che consente di ottenere una tensione di uscita maggiore rispetto a quella ottenibile secondo il rapporto di trasformazione., E' per questo motivo che in tal caso, l'interruttore statico principale 22 e lo snubber attivo 24 vengono anche indicati come stadio step-up..

Lo stadio step-up funziona in sincronismo, e a frequenza doppia, rispetto alla frequenza di lavoro dello stadio di ingresso a ponte 4„ Inoltre, lo step-up non necessita di una specifica induttanza seriale di commutazione; esso, per lo stesso scopo funzionale, opera infatti sfruttando l'induttanza risonante 14 al primario 15 del trasformatore di isolamento 32.

L'interruttore statico principale 22 commuta sempre con corrente nulla all'accensione e tensione nulla allo spegnimento, con perdite di commutazione trascurabili. La presenza dei due condensatori 40 e 41 dello snubber attivo 24 garantisce il controllo del transitorio di tensione dv/dt allo spegnimento dell'interruttore statico principale 22.

Lo snubber attivo 24 è dotato di interruttore 42, il cui dutycycle è costante, ed il cui comando di accensione è sincrono con quello dell'interruttore statico principale 22. In particolare, il controllo attivo di accensione dell'interruttore 42 dello snubber attivo 24 viene mantenuto per un tempo corrispondente al semi-periodo di risonanza del circuito LC costituente lo snubber attivo 24, con lo scopo di impedire la scarica non desiderata dei condensatori. L'interruttore 42 dello snubber attivo 24 opera con corrente nulla sia all'accensione che allo spegnimento, e quindi anch'esso manifesta perdite di commutazione trascurabili.,

In uscita dallo step-up vi è dunque un segnale di tensione continua; i poli positivo, catodo del diodo di uscita 25, e negativo di uscita dello step-up alimentano il carico 27, che può essere un inverter trifase o un caricabatterie„ Grazie alla possibilità di funzionamento dell'intero circuito a frequenza costante, la frequenza della reazione armonica in rete è invariante rispetto alle condizioni di funzionamento e di carico, perciò è facilmente calcolabile e controllabile .

Con riferimento alla figura 2, viene mostrato l'andamento 30 della tensione in entrata al primario 15 del trasformatore di isolamento 32 e il profilo 31 della corrente assorbita, sempre al primario 15 del trasformatore di isolamento 32. La condizione di funzionamento mostrata nella suddetta figura fa riferimento ad una tensione in entrata prossima al valore nominale.

In una seconda forma di realizzazione, rappresentata in figura 3, i mezzi di conversione costituiti dall’interruttore statico principale 22, dal rispettivo diodo di ricircolo 23 e dallo snubber attivo 24 (posto in parallelo all'interruttore statico principale 22) sono posizionati immediatamente a valle del filtro LRC 2 a formare uno stadio step-down.,

La funzione di suddetto stadio è quella di ottenere una tensione di uscita minore rispetto a quella ottenibile secondo il rapporto di trasformazione, Anche il convertitore step-down funziona in sincronismo, ad alta frequenza, con la frequenza fissa di lavoro dello stadio di ingresso a ponte 4„

In particolare, così come lo stadio step-up descritto in precedenza, lo stadio step-down lavora a frequenza doppia rispetto alla frequenza di lavoro dello stadio di ingresso a ponte 4. Le considerazioni legate al funzionamento del circuito comprendente lo stadio step-down sono le stesse già esposte in precedenza per lo stadio step-up, con la differenza dell'ottenimento finale in uscita di una tensione continua avente un valore inferiore rispetto a quella in ingresso.

Una osservazione più dettagliata dello snubber attivo 24, come da figura 4, evidenzia come esso sia costituito da due condensatori 40 e 41 posizionati alle estremità opposte di un ramo comprendente un interruttore 42, un induttore 4.3 e un diodo 44,, Due ulteriori diodi 45 e 46 sono situati in altri due rami che si dipartono rispettivamente da un punto compreso tra il condensatore 40 e l'interruttore 42 e da un punto compreso tra il condensatore 41 e il diodo 44.

L'andamento temporale delle correnti che attraversano i vari componenti dello snubber attivo 24 è rappresentato dalle curve 50, 51 e 52 della figura 5„ Le curve 53, 54 e 55 rappresentano, in riferimento agli stessi componenti, l'andamento nel tempo delle tensioni. In particolare:

- 50 corrente IGBT principale

- 51 corrente IGBT ausiliario

- 52 corrente DIODO principale

- 53, 55 tensioni condensatori snubber

- 54 tensione IGBT principale

Più in dettaglio, e in riferimento alla figura 5, il funzionamento dello snubber attivo 24, in associazione ad uno stadio step-up comandato dalla commutazione dell'interruttore statico principale 22, attraversa diverse fasi:

all'istante di tempo Tl, l'interruttore statico principale 22 e l'interruttore 42 dello snubber attivo sono spenti, il condensatore 41 è carico alla tensione di riferimento, fissata ad un valore pari a Vbus, mentre il condensatore 40 è scarico..

— All'istante di tempo T2, viene dato il comando di accensione all'interruttore statico principale 22 e all'interruttore 42 dello snubber attivo 24„ Attraverso il circuito costituito dal condensatore 41, dall'interruttore 42, dall'induttore 43, dal condensatore 40 e dall'interruttore statico principale 22, l'energia precedentemente accumulata nel condensatore 42 si trasferisce al condensatore 41 secondo un transitorio tipico dei circuiti LC serie.

— In corrispondenza del passaggio tra gli istanti T2 e T3, ovvero con il condensatore 40 che si è portato alla tensione -Vbus(si indica con Vbusla tensione del DC link stabilizzato) e il condensatore 41 che si è completamente scaricato, viene dato il comando di spegnimento all'interruttore 42 dello snubber attivo 24.

— In corrispondenza del passaggio tra gli istanti T3 e T4 viene spento anche l'interruttore statico principale 22„ Con entrambi gli interruttori spenti, la corrente in uscita al ponte a diodi 17 fluisce attraverso i diodi 45 e 46 interni allo snubber attivo 24. In particolare, la corrente che fluisce attraverso il diodo 45 fa sì che il condensatore 40, precedentemente caricatosi a -Vbus, si scarichi, Viceversa, la corrente che fluisce attraverso il diodo 46 carica nuovamente il condensatore 41 alla tensione VbU5. Contemporaneamente, la tensione ai capi dell'interruttore statico principale 22 passa da un valore nullo a Vbus/con lo stesso transitorio dv/dt di carica/scarica dei condensatori 41 e 40.,

- All'istante T5, con il condensatore 41 carico alla tensione Vbus,il condensatore 40 scarico e la tensione ai capi dell'interruttore statico principale 22 pari a vbus, si è tornati alla condizione di partenza

Un'ulteriore variante allo schema circuitale del convertitore step-up, è illustrato in figura 6. L'aggiunta dell'induttanza supplementare 28 e del diodo di raddrizzamento 29, consente di avere un controllo diretto del transitorio dì corrente di/dt durante l'accensione dell'interruttore statico principale 22 dello stadio step-up, indipendentemente dal valore dell'induttanza risonante 14, accompagnandosi inoltre ad una riduzione del valore di picco della corrente risonante,

Infatti, in conseguenza dell'aggiunta dell'induttanza supplementare 28, l'induttanza risonante 14 può avere un valore minore e tale induttanza ridotta, eventualmente accoppiata a valore di capacità maggiore associato al condensatore risonante 13,comporta una tensione ridotta a cavallo del circuito LC risonante ed un minor valore efficace della corrente al primario 15 e al secondario 16 del trasformatore di isolamento 32,a parità di potenza erogata in uscita; in conseguenza di ciò lo stadio step-up deve spegnere un valore di corrente inferiore rispetto a quello riferito alla configurazione priva dell'induttanza supplementare 28.

Il rendimento complessivo di conversione in continua raggiunto dal circuito di alimentazione descritto sia esso di tipo step-up oppure step-down, è estremamente elevato,

Si è in pratica constatato come il circuito secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato in quanto realizza l'alimentazione in tensione continua di utenze ad elevata potenza, tramite un circuito di conversione statica dell'energia funzionante ad una frequenza elevata e costante e che abbia un'uscita in tensione regolata e stabilizzata.

Benché il circuito secondo il trovato sia stato concepito in particolare per alimentare in continua utenze quali inverter trifase o caricabatteria,potrà comunque essere utilizzato più generalmente come convertitore di tensione in continua adatto ad operare sia con la funzione di ottenere una tensione maggiore rispetto a quella ottenibile secondo il rapporto di trasformazione, sia con la funzione contraria di ottenerne una minore.

Il dispositivo, così concepito, è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell' ambito del concetto inventivo, inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti, In pratica, i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica,,

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1, Circuito di alimentazione in continua, comprendente uno stadio di ingresso a ponte avente interruttori statici e rispettivi diodi, collegato al primario di un trasformatore di isolamento, il secondario di detto trasformatore di isolamento essendo a sua volta connesso ad un ponte a diodi collegato ad uno stadio di uscita, detto circuito di alimentazione comprendendo inoltre mezzi di conversione di una tensione in continua, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di conversione di una tensione in continua presentano una frequenza di lavoro sincrona e doppia rispetto alla frequenza di lavoro di detto stadio di ingresso a ponte, 2, Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti interruttori statici e rispettivi diodi di detto stadio di ingresso a ponte possono essere uno o più di uno per ogni ramo di detto ponte. 3., Circuito secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta frequenza di lavoro di detto stadio di ingresso a ponte possa essere fissa e costante,. 4. Circuito secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di conversione di una tensione in continua comprendono un interruttore statico principale comprensivo di un rispettivo diodo ed associato ad un dispositivo di protezione di tipo non dissipativo, 5.. Circuito secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di protezione di tipo non dissipatìvo è uno snubber attivo, 6 Circuito secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di conversione di una tensione in continua possono essere mezzi di aumento della tensione ottenibile secondo il rapporto di trasformazione oppure mezzi di diminuzione della tensione ottenibile secondo il rapporto di trasformazione