ES2206331T3 - Convertidor de suministro de potencia conmutado para un amplio intervalo de voltajes de entrada. - Google Patents
Convertidor de suministro de potencia conmutado para un amplio intervalo de voltajes de entrada.Info
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Abstract
Convertidor de suministro de potencia conmutado para un amplio intervalo de voltajes de entrada, que comprende una primera etapa (11) que convierte un primer voltaje suministrado por una fuente de voltaje en un segundo voltaje por medio de un primer elemento de conmutación (11-3), y una segunda etapa (21) que recibe el segundo voltaje y lo transforma en un tercer voltaje de CC, controlando un primer circuito de control (11-9) el ciclo de servicio o trabajo del primer elemento de conmutación (11-3) de manera que el ciclo de servicio varía entre un primer límite del ciclo de servicio y un segundo límite del ciclo de servicio; caracterizado porque el primer circuito de control (11-9) está destinado a fijar el ciclo de servicio en el primer límite del ciclo de servicio o en el segundo límite del ciclo de servicio en el caso de que el primer voltaje esté fuera de un intervalo predeterminado de valores de voltaje.
Description
Convertidor de suministro de potencia conmutado
para un amplio intervalo de voltajes de entrada.
La presente invención se refiere a un convertidor
de suministro de potencia conmutado que comprende al menos un
elemento de conmutación con el que se gobierna la transferencia de
energía entre la entrada y la salida del convertidor de suministro
de potencia.
El elemento de conmutación es controlado de
manera que su ciclo de servicio o de trabajo es en todo momento una
función del valor del voltaje de salida, con lo que el convertidor
de suministro de potencia ofrece una elevada eficacia sobre una
gama o intervalo universal de voltajes de entrada.
El convertidor de suministro de potencia
conmutado es de aplicación especial, pero no exclusiva, en sistemas
de telecomunicaciones, los cuales son alimentados por fuentes de
voltaje o tensión de 38 a 380 V.
Un convertidor de suministro de potencia
conmutado que tiene un elemento de conmutación cuyo ciclo de
servicio es variable y que recibe una amplia gama de voltajes de
entrada ha sido descrito, por ejemplo, en la patente de Estados
Unidos 5.856.739, concedida a Trica, incorporada como referencia a
la presente solicitud de patente.
El convertidor conmutado, realizado de acuerdo
con una topología de reducción, comprende un elemento de
conmutación que tiene una elevada frecuencia de conmutación y un
ciclo de servicio variable, un bucle de corriente de control
interno, un bucle de voltaje de control externo y un circuito de
control que controla el ciclo de servicio del elemento de
conmutación como una función del bucle de corriente y del bucle de
voltaje.
El convertidor de suministro de potencia acepta
una amplia gama de voltajes de entrada de hasta cuatro veces el
voltaje de salida. El convertidor es capaz de trabajar en
intervalos de voltaje que incluyen valores de voltaje suministrados
desde baterías y desde fuentes de suministro de corriente alterna.
Sin embargo, es incapaz de trabajar con intervalos más elevados, por
ejemplo de relación 10:1, y que proporcionen niveles de potencia
iguales o mayores que 100 W.
En la patente de Estados Unidos 5.006.782,
concedida a Pelly, se enseña que uno o más circuitos convertidores
de reducción están conectados en cascada de tal manera que la
salida de uno sirve como la entrada al siguiente, siendo reducido
en magnitud el voltaje de entrada a cada convertidor de reducción
sucesivo.
La primera etapa del convertidor de reducción que
contiene un primer transistor de conmutación tiene un ciclo de
servicio ajustable para producir un voltaje de salida nominalmente
fijo. El voltaje de salida de la primera etapa es menor que el
voltaje de entrada mínimo, pero es mayor que el voltaje de salida
final deseado del convertidor de reducción en cascada. El voltaje de
salida de la primera etapa constituye el voltaje de entrada de la
segunda etapa. El transistor de conmutación de la segunda etapa
tiene un ciclo de servicio nominalmente fijo, suficiente para
reducir su voltaje de entrada, el cual corresponde al voltaje de
salida de la primera etapa, a cierto voltaje de salida fijo para la
segunda etapa.
La primera etapa está diseñada para reducir el
voltaje de entrada de 450 voltios a cierto valor constante de 80
voltios. Esto se consigue ajustando continuamente el ciclo de
servicio del transistor de conmutación de la primera etapa.
Desafortunadamente, cuando el voltaje de entrada
está fuera del intervalo entre 450 voltios y 80 voltios, la primera
etapa no enseña cómo se ajusta el ciclo de servicio del transistor
de conmutación de la primera etapa.
Ha resultado necesario desarrollar un convertidor
de suministro de potencia conmutado que acepte una gama universal
de voltajes de entrada, que incluya los valores de voltaje
suministrados normalmente por las baterías de sistemas de
telecomunicaciones y garantice para todos ellos la existencia de un
voltaje constante y regulado en su salida, de manera que el
convertidor ofrezca una gran eficacia en todo el intervalo de
voltajes de entrada.
Para superar los problemas señalados
anteriormente, se propone un convertidor de suministro de potencia
conmutado para un amplio intervalo de voltajes de entrada, que sea
de dimensiones y características de funcionamiento eléctricas
ideales para suministrar a sistemas de telecomunicaciones con
potencia eléctrica igual o mayor que 100 W.
Un objeto del convertidor de suministro de
potencia conmutado de la invención es proporcionar un convertidor
que trabaje con un intervalo muy amplio de voltajes, por ejemplo de
38 a 380 V (10:1), con funcionamiento global simple y elevado
rendimiento global. El convertidor de suministro de potencia se
realiza por medio de dos etapas de conversión conectadas en cascada.
Ambas etapas son realizadas por medio de topologías de conversión
directa, altamente eficaces.
Un objeto más es que ambas etapas de conversión
tengan un circuito de control para regular, respectivamente, su
voltaje de salida, siendo los procesos de regulación independientes
entre sí.
El circuito de control para la primera etapa
regula el ciclo de servicio de un elemento de conmutación de la
primera etapa en el caso de que el voltaje de entrada se sitúe
dentro de un intervalo predeterminado de voltajes de entrada, y,
cuando el voltaje de entrada está al exterior de dicho intervalo, el
ciclo de servicio se fija en un valor tal que el voltaje de salida
de la primera etapa es proporcional al voltaje de entrada. Como
consecuencia, el intervalo de voltajes de entrada de la segunda
etapa es menor que el intervalo de voltajes de entrada de la
primera etapa. Entonces, es posible hacer óptimo el funcionamiento
de los componentes de la segunda etapa, en particular para reforzar
su eficacia.
El convertidor de suministro de potencia
conmutado para un amplio intervalo de voltajes de entrada de la
invención se divide en una primera etapa que convierte un primer
voltaje suministrado desde una fuente de voltaje en un segundo
voltaje por medio de un primer elemento de conmutación; una segunda
etapa recibe el segundo voltaje y lo transforma en un voltaje de
CC.
Un circuito de control controla el ciclo de
servicio del primer elemento de conmutación de manera que el ciclo
de servicio varía entre un primer límite del ciclo de servicio y un
segundo límite del ciclo de servicio cuando el primer voltaje está
dentro de un intervalo predeterminado de valores de voltaje. El
circuito de control fija el ciclo de servicio en el primer límite
del ciclo de servicio o en el segundo límite del ciclo de servicio
en el caso de que el primer voltaje se sitúe fuera del intervalo
predeterminado de valores de voltaje.
Una explicación más detallada de la invención se
da en la siguiente descripción, basada en las figuras adjuntas, en
las que:
- la figura 1 muestra un diagrama de bloques de
una realización preferida de un convertidor de suministro de
potencia conmutado de acuerdo con la invención.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de una
realización preferida de un convertidor de suministro de potencia
conmutado para un amplio intervalo de voltajes de entrada. El
convertidor de suministro de potencia tiene una primera etapa 11 y
una segunda etapa 21 conectadas en cascada.
La primera etapa 11 del convertidor de suministro
de potencia está conectada a una fuente de suministro de potencia
a través de algunos terminales de entrada 11-1 y
11-2, que corresponden a los terminales de entrada
del convertidor de suministro de potencia. Por ejemplo, el terminal
11-1 se conecta al polo positivo y el terminal
11-2 a masa o tierra, respectivamente.
La primera etapa 11 está destinada a convertir un
intervalo amplio de valores de voltajes de entrada, primer voltaje
de entrada, en un intervalo predeterminado de voltajes de salida,
segundo voltaje de salida, a través de algunos terminales de salida
12-1 y 12-2, que corresponden a
algunos terminales de entrada de la segunda etapa 21. De este modo,
este segundo voltaje es alimentado directamente a la entrada de la
segunda etapa 21.
Los valores que son posibles adoptar para el
segundo voltaje de salida de la primera etapa 11 son tales que
permiten que sea bajo el nivel de tensión en algunos elementos de
conmutación incluidos en la segunda etapa 21, y también les impiden
tener que soportar un elevado pico de corriente.
Es posible seleccionar diferentes topologías de
conversión, tanto para la primera etapa 11 como para la segunda
etapa 21, siendo conocidas en el estado de la técnica todas las
topologías citadas.
En una primera realización de la primera etapa
11, se elige una topología de conversión sin aislamiento galvánico,
que es altamente eficaz y de funcionamiento directo; y, para la
segunda etapa 21, se elige una topología de conversión que tiene un
transformador T. De esta manera, la segunda etapa 21 proporciona
aislamiento galvánico entre la entrada y la salida del convertidor
de suministro de potencia conmutado, permite que el convertidor de
suministro de potencia sea diseñado con varias salidas y cumple
las normas de seguridad.
La primera etapa 11 comprende al menos un primer
elemento de conmutación 11-3, tal como un
transistor de efecto de campo MOSFET, con el fin de realizar el
truncamiento del primer voltaje aplicado a través de los terminales
de entrada 11-1 y 11-2; y produce a
través de sus terminales de salida 12-1 y
12-2 el segundo voltaje, a través del control del
ciclo de servicio del primer elemento de conmutación
11-3.
El proceso de regulación del segundo voltaje se
consigue variando el ciclo de servicio del primer elemento de
conmutación 11-3 por medio de un circuito de
control 11-9, por ejemplo un dispositivo de
modulación de anchura de impulso, que incluye una lógica de control
para realizar misiones tales como regulación del segundo voltaje,
limitación del ciclo de servicio del primer elemento de conmutación
11-3, y otros.
Es posible que el ciclo de servicio sea limitado
a un ciclo de servicio máximo (primer límite del ciclo de servicio)
o a un ciclo de servicio mínimo (segundo límite del ciclo de
servicio).
La primera etapa 11 regula el segundo voltaje por
medio del circuito de control 11-9 en el caso de
que el valor del primer voltaje de entrada aplicado a través de sus
terminales 11-1 y 11-2 esté dentro
de un intervalo de voltajes predeterminado, es decir, el circuito
de control 11-9 produce un ciclo de servicio que
está dentro de un intervalo predeterminado del ciclo de servicio,
que está definido por medio del primer límite y el segundo límite
del ciclo de servicio, de manera que se estabiliza el segundo
voltaje aplicado a través de los terminales de salida
12-1 y 12-2.
Sin embargo, cuando el valor del voltaje de
entrada aplicado a través de los terminales 11-1 y
11-2 está por encima o por debajo del intervalo de
voltajes predeterminado, el circuito de control 11-9
genera un ciclo de servicio constante, cuyo valor coincide con uno
de los límites del intervalo predeterminado del ciclo de servicio,
es decir, la primera etapa 11 no regula su voltaje de salida,
genera simplemente el voltaje correspondiente a uno de los límites
del ciclo de servicio (ciclo de servicio máximo o ciclo de servicio
mínimo). El circuito de control 11-9 fija el límite
del ciclo de servicio por medio de su lógica de control.
Brevemente, la primera etapa 11 regula el segundo
voltaje de salida para un intervalo del primer voltaje de entrada
y, para valores de voltaje de entrada fuera de este intervalo de
voltajes, la primera etapa 11 produce, a través de sus terminales
de salida 12-1 y 12-2, un segundo
voltaje proporcional al primer voltaje de entrada.
En ambas situaciones, el segundo voltaje presente
a través de los terminales 12-1 y
12-2 es tal que permite que el nivel de tensión sea
bajo en los elementos de conmutación de la segunda etapa 21, y
también les impide tener que soportar un elevado pico de
corriente.
La realización de la primera etapa 11 es posible
por medio de diferentes topologías de conversión sin aislamiento
galvánico, tal como un convertidor de reducción o un convertidor de
refuerzo. Los convertidores sin aislamiento galvánico son
realizados con un mínimo de componentes, lo que implica que sea un
convertidor exento de complejidad funcional. En ambas topologías, la
transferencia de energía es realizada inductivamente, ya que se
puede considerar que la conexión entre la entrada y la salida se
consigue a través de una bobina de inductancia por medio del primer
elemento de conmutación 11-3.
La segunda etapa 21 está destinada a transformar
el segundo voltaje en un tercer voltaje por la acción de un
transformador T. Entonces, es posible realizar dicha etapa 21 de
acuerdo con diferentes topologías de conversión con aislamiento
galvánico, tal como un convertidor de sentido directo con bloqueo
activo de un convertidor de retracción. Ambos convertidores tienen
la propiedad de incluir aislamiento galvánico, pero este último
está montado en una posición diferente. El aislamiento galvánico es
proporcionado por medio del transformador T.
Por lo tanto, la segunda etapa 21 proporciona
aislamiento galvánico entre la entrada y la salida del convertidor
de suministro de potencia conmutado; adicionalmente, con un simple
cambio de relación de vueltas o espiras, se facilita un cambio
entre una salida descendente y una salida ascendente y es también
posible proporcionar varias salidas para el convertidor de
suministro de potencia conmutado.
También es posible conseguir un cambio de
polaridad en el voltaje de salida cambiando simplemente el cableado
del transformador T. Antes de que el voltaje transformado alcance
la carga, tiene que ser filtrado para producir el tercer voltaje
estabilizado, que corresponderá a la salida del convertidor. La
segunda etapa 21 realiza la regulación del tercer voltaje por medio
de un segundo circuito de control que extrae una muestra del tercer
voltaje.
Las topologías mencionadas anteriormente son
conocidas en el estado de la técnica y, en consecuencia, no se
explicará aquí su funcionamiento. La primera etapa 11 y la segunda
etapa 21 del convertidor de suministro de potencia conmutado pueden
ser realizadas de acuerdo con otras topologías de conversión.
El convertidor de suministro de potencia
conmutado de la invención tiene una elevada eficacia global y su
funcionamiento es directo, a pesar de tener dos etapas de
conversión 11 y 21, con sus correspondientes bucles de control, que
son independientes.
Por medio de un puente rectificador, los
terminales de entrada 11-1 y 11-2
del convertidor de suministro de potencia conmutado se conectan a
una fuente de voltaje de CA.
Claims (7)
1. Convertidor de suministro de potencia
conmutado para un amplio intervalo de voltajes de entrada, que
comprende una primera etapa (11) que convierte un primer voltaje
suministrado por una fuente de voltaje en un segundo voltaje por
medio de un primer elemento de conmutación (11-3),
y una segunda etapa (21) que recibe el segundo voltaje y lo
transforma en un tercer voltaje de CC, controlando un primer
circuito de control (11-9) el ciclo de servicio o
trabajo del primer elemento de conmutación (11-3)
de manera que el ciclo de servicio varía entre un primer límite del
ciclo de servicio y un segundo límite del ciclo de servicio;
caracterizado porque el primer circuito de control
(11-9) está destinado a fijar el ciclo de servicio
en el primer límite del ciclo de servicio o en el segundo límite
del ciclo de servicio en el caso de que el primer voltaje esté
fuera de un intervalo predeterminado de valores de voltaje.
2. Convertidor de suministro de potencia
conmutado según la reivindicación 1, caracterizado porque el
primer circuito de control (11-9) está destinado a
recibir una muestra del segundo voltaje.
3. Convertidor de suministro de potencia
conmutado según la reivindicación 1, caracterizado porque la
primera etapa (11) es realizada de acuerdo con una topología de
conversión sin aislamiento galvánico.
4. Convertidor de suministro de potencia
conmutado según la reivindicación 1, caracterizado porque la
segunda etapa (21) es realizada de acuerdo con una topología de
conversión con aislamiento galvánico.
5. Convertidor de suministro de potencia
conmutado según la reivindicación 4, caracterizado porque la
segunda etapa (21) comprende un transformador (T) con un número
predeterminado de arrollamientos secundarios que configuran un
número predeterminado de salidas del convertidor de suministro de
potencia conmutado, respectivamente.
6. Convertidor de suministro de potencia
conmutado según la reivindicación 5, caracterizado porque la
segunda etapa (21) comprende un segundo circuito de control que
está destinado a recibir una muestra del tercer voltaje y regula el
tercer voltaje.
7. Convertidor de suministro de potencia
conmutado según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 6,
caracterizado porque el primer circuito de control y el
segundo circuito de control son independientes.
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