ES2328193T3 - Convertidor de alimentacion conmutado universal. - Google Patents
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Abstract
Convertidor de potencia conmutado universal conectado a una fuente de tensión y, basándose en el nivel de tensión recibida, éste se aplica a un primer circuito primario que comprende un primer dispositivo de conmutación (14-1) o a un segundo circuito primario que comprende un segundo dispositivo de conmutación (15-1). El medio de control (PWM) adapta el periodo de conducción del dispositivo de conmutación conectado a los terminales de entrada para regular la tensión de salida y adaptar el periodo de conducción del dispositivo de conmutación no conectado a los terminales de entrada para desmagnetizar el núcleo de un transformador (T) durante el periodo de no conducción del dispositivo de conmutación conectado a los terminales de entrada.
Description
Convertidor de alimentación conmutado
universal.
La presente invención se refiere a un
convertidor de alimentación conmutado universal al que puede ser
aplicado un margen amplio de niveles de tensión, tanto de corriente
alterna (CA) como de corriente continua (CC), y que convierte la
tensión recibida en un nivel regulado de tensión adecuado para
alimentar al menos una carga, por ejemplo en telecomunicaciones.
Como resultado, el convertidor de alimentación
conmutado universal es muy versátil, su rendimiento funcional
global es grande y su funcionamiento y control son sencillos.
Un convertidor de alimentación conmutado para
ser conectado indistintamente a una red eléctrica de corriente
alterna (CA) o a una fuente de corriente continua (CC), y para
convertir la tensión recibida en una tensión adecuada para una
carga, es conocido por la Patente de EE.UU.
US-A-5.414.610 y el documento
US-4803148, el documento
EP-A-0652631 y el documento
US-A-5499187 también se refieren a
convertidores de alimentación conmutados.
Según el convertidor de alimentación propuesto
en este documento, comprende un primer par de terminales de
entrada, al que es aplicado una tensión desde una alimentación de
red de CA, y un segundo par de terminales de entrada al que es
aplicado una tensión desde una fuente de tensión de CC, siendo la
tensión aplicada convertida en un nivel de tensión adecuado para
una carga.
Cada uno de los pares anteriores de terminales
de entrada está conectado, respectivamente, a un circuito primario
que comprende un dispositivo conmutador; medios de control controlan
la acción conmutadora de los dos dispositivos conmutadores para
almacenar energía en al menos un devanado primario de un
transformador durante el período de conducción de ambos
dispositivos conmutadores, siendo dichos dispositivos conmutadores
conmutados simultáneamente, o sea sus períodos de conducción y no
conducción coinciden; y dicha energía es liberada a un devanado
secundario del transformador para aplicar el nivel de tensión a la
carga durante el período de no conducción de dichos dispositivos
conmutadores.
El convertidor de alimentación propuesto en la
Patente US-A-5.414.610 emplea el
transformador ineficientemente debido al modo de funcionamiento de
los dispositivos conmutadores.
Como resultado, el rendimiento funcional global
del convertidor de alimentación es malo y constituye un
inconveniente para aplicaciones en la que son necesarios
dispositivos de tamaño reducido y gran rendimiento funcional.
Por consiguiente, existe una necesidad de
desarrollar un convertidor de alimentación conmutado que comprenda
un número reducido de elementos conmutadores y que tenga un gran
rendimiento funcional.
El convertidor de alimentación conmutado
universal de la presente invención ofrece un gran rendimiento
funcional funcionando a partir de un margen amplio de tensiones de
entrada, siento muy versátil consiguientemente, y suministra una
tensión de salida con una respuesta rápida a las variaciones de
carga, y comprende terminales de entrada a los que es aplicada una
primera tensión desde una fuente de tensión de CA o CC, y dichos
terminales de entrada están conectados a un primer circuito
primario o a un segundo circuito primario a través de medios de
selección, dependiendo del nivel de la tensión aplicada.
Cada uno de los circuitos primarios comprende,
respectivamente, un condensador de almacenamiento conectado en
paralelo con una combinación en serie de un devanado primario y un
dispositivo conmutador. Uno de dichos circuitos primarios comprende
unos primeros medios rectificadores puesto que será conectado a una
fuente de tensión de CA.
Los dos devanados primarios junto con al menos
un devanado secundario forman un transformador tal que el devanado
secundario está conectado a unos segundos medios rectificadores y
produce en su salida una tensión rectificada que es filtrada en
unos medios de filtración, y produce en su salida una segunda
tensión regulada para aplicar a una carga.
Unos medios de control únicos y basados en una
señal que representa la segunda tensión, adaptan el período de
conducción del dispositivo conmutador perteneciente al circuito
primario conectado a los terminales de entrada para regular la
segunda tensión en el caso de variaciones de carga, y también
adaptan el período de conducción del dispositivo conmutador
perteneciente al circuito primario no conectado a dichos terminales
de entrada, para desimantar el núcleo de transformador y para evitar
su saturación, durante el período de no conducción del dispositivo
conmutador conectado a los terminales de entrada.
Por consiguiente, los dos dispositivos
conmutadores son conmutados de una manera complementaria y el
circuito primario no conectado a los terminales de entrada funciona
como un circuito de desimantación, como un enganche activo, de la
energía almacenada en el núcleo de transformador.
Una explicación más detallada de la invención es
proporcionada en la descripción siguiente, basada en las figuras
adjuntas, en las que:
La Figura 1 muestra un esquema de bloques
funcionales de un convertidor de alimentación conmutado universal
según la invención, y
La Figura 2 muestra, en forma esquemática, una
realización de un convertidor de alimentación conmutado según la
invención.
La Figura 1 muestra un esquema de bloques
simplificado del convertidor de alimentación conmutado universal
que convierte una primera tensión, aplicada desde una fuente de
tensión entre los terminales de entrada 11-1,
11-2, en una segunda tensión entre los terminales de
salida 19-1, 19-2.
La fuente de tensión, que puede ser una red de
CA o una fuente de tensión de CC, suministra la primera tensión y,
basados en las características de esta tensión, los medios 11 de
selección conectan los terminales de entrada
11-1,
11-2 automáticamente a un primer par de conductores 13-1, 13-2 o a un segundo par de conductores 13-2, 13-3.
11-2 automáticamente a un primer par de conductores 13-1, 13-2 o a un segundo par de conductores 13-2, 13-3.
El primer par de conductores
13-1, 13-3 está adaptado para
recibir un margen de tensiones de CA y el segundo par de
conductores 13-2, 13-3 está adaptado
para recibir un margen de tensiones de CC, respectivamente. El
conductor 13-3 representa el nivel común de
referencia de tensión para el convertidor de alimentación
conmutado
universal.
universal.
La Figura 2 es un esquema eléctrico detallado de
un circuito correspondiente a una realización preferida del
convertidor de alimentación conmutado 20, que comprende un primer
circuito primario y un segundo circuito primario, un circuito
secundario y un bucle de tensión de salida.
El primer circuito primario comprende los
primeros medios rectificadores 12 conectados en paralelo con el
primer par de conductores 13-1,
13-3, y su salida está conectada a un primer
condensador 14-2 de almacenamiento que está
conectado en paralelo con una combinación en serie de un primer
devanado primario 14 y un primer dispositivo conmutador
14-1, por ejemplo un transistor de efecto de campo o
MOSFET.
El segundo circuito primario está conectado al
segundo par de conductores 13-2,
13-3 y comprende un segundo condensador
15-2 de almacenamiento conectado en paralelo con
dichos conductores 13-2, 13-3 y
también conectado en paralelo con una combinación en serie del
segundo devanado primario 15 y de un segundo dispositivo conmutador
15-1, por ejemplo un transistor de efecto de campo o
MOSFET.
Un transformador T comprende al menos el primer
devanado primario 14, el segundo devanado primario 15 y un devanado
secundario 16.
Cuando los terminales de entrada
11-1, 11-2 reciben una tensión de
CA, son conectados respectivamente al primer par de conductores
13-1, 13-3 de modo que el primer
rectificador 12, por ejemplo un rectificador de onda completa,
rectifica la tensión de CA aplicada desde la red eléctrica de CA y
produce en su salida una tensión de onda sinusoidal rectificada que
es filtrada por el primer condensador 14-2 y es
alimentada al primer devanado 14 para ser transferida directamente
al devanado secundario 16 durante el tiempo que el primer
dispositivo conmutador 14-1 está
conduciendo.
conduciendo.
El lado secundario del convertidor 20 comprende
el devanado secundario 16 conectado en paralelo con los segundos
medios rectificadores 17 cuya salida está conectada a los medios 18
de filtro para filtrar la tensión rectificada. La salida del filtro
18 es aplicada a los terminales de salida 19-1,
19-2 del convertidor de alimentación conmutado
universal.
El segundo rectificador 17 rectifica la tensión
recibida desde el devanado secundario 16 y, una vez filtrada, la
segunda tensión adecuada para una carga es producida entre los
terminales de salida 19-1, 19-2.
El segundo rectificador 17 está formado por un
primer brazo 17-1 y un segundo brazo
17-2 de rectificador, respectivamente, donde el
primer ramal 17-1 es el brazo de rectificador real y
el segundo brazo 17-2 es el brazo de rectificador
de flujo libre, que funciona como un rectificador sincrónico, cuyo
funcionamiento no es descrito puesto que es conocido en el estado
actual de la técnica. El segundo rectificador 17 puede comprender
medios para funcionar como un rectificador sincrónico
autoexcitado.
El bucle de tensión de salida a través de medios
de control, como un modulador PWM de anchura de impulso (PWM: pulse
width modulator), adapta el período de conducción del dispositivo
conmutador conectado al terminal 11-1 de entrada
para regular el nivel de tensión entre los terminales de salida
19-1, 19-2, y adapta el período de
conducción del dispositivo conmutador no conectado al terminal
11-1 de entrada para desimantar el transformador T,
impidiendo que su núcleo resulte saturado, durante el período de no
conducción del dispositivo conmutador conectado al terminal
11-1 de entrada.
Para efectuar esto, el modulador PWM de anchura
de impulso recibe una señal que representa el nivel de tensión en
un 19-1 de salida y genera respectivamente el
período de conducción de cada uno de los dispositivos
conmutadores.
Como resultado, los dos dispositivos
conmutadores 14-1 y 15-1 son
conmutados de una manera complementaria por el modulador PWM de
anchura de impulso.
La desimantación del transformador T es
realizada durante el período de no conducción del dispositivo
conmutador conectado al terminal 11-1 de entrada,
de modo que un trayecto de descarga es formado a través del segundo
circuito primario que descarga la energía almacenada en el núcleo
del transformador T, cargando y descargando el segundo condensador
15-2, para cuyo fin el segundo dispositivo
conmutador 15-1 es puesto en conducción. Después,
un condensador 18-2 de almacenamiento, incluido en
el filtro 18, aplica el nivel de tensión a los terminales de salida
19-1, 19-2.
De la descripción anterior, puede deducirse que
cuando el terminal 11-1 es conectado a la línea
13-1, el circuito de descarga es formado por el
segundo circuito primario y, cuando el terminal 11-1
es conectado a la línea 13-2, el circuito de
descarga es formado por el primer circuito primario.
En otra realización del convertidor 20, los
terminales de entrada 11-1, 11-2
pueden recibir la primera tensión desde una fuente de tensión de CC
de modo que los conductores 13-1,
13-3 son conectados directamente al primer circuito
primario, o sea el rectificador 12 no está presente. El
funcionamiento del convertidor 20 es análogo que el descrito
previamente.
Por consiguiente, el convertidor de alimentación
conmutado universal de la invención funciona como un convertidor
directo, con enganche activo.
En el modo de funcionamiento en el que los
terminales de entrada 11-1, 11-2
reciben la primera tensión desde una fuente de tensión de CC,
siendo su nivel diferente que el mencionado previamente, son
conectados respectivamente al segundo par de los conductores
13-2, 13-3 por los medios 11 de
selección.
La tensión de CC aplicada es filtrada por el
segundo condensador 15-2 y el segundo devanado
primario 15 almacena energía durante el período de conducción del
segundo dispositivo conmutador 15-1. Entonces, el
segundo rectificador 17 rectifica la corriente alimentada al
condensador 18-2 para producir la segunda tensión
entre los terminales de salida 19-1,
19-2.
Durante el período de no conducción de dicho
segundo dispositivo conmutador 15-1, el segundo
devanado primario 15 libera la energía almacenada durante el
período de conducción al devanado secundario 16, y la corriente que
circula a través de dicho devanado es rectificada por el segundo
rectificador 17, y produce en su salida una tensión rectificada
para ser filtrada por el filtro 18, suministrando la segunda tensión
entre los terminales de salida 19-1,
19-2.
En este modo de funcionamiento, el primer
circuito primario proporciona un trayecto de descarga para la
energía almacenada en el núcleo del transformador T, cargando y
descargando el primer condensador 14-2, para cuyo
fin el primer dispositivo conmutador 14-1 es puesto
en conducción.
El convertidor de alimentación conmutado
universal de la invención funciona como un convertidor de salida
horizontal (retorno), con enganche activo y con su salida en modo
directo, cuando el primer circuito primario proporciona el trayecto
de descarga para la energía almacenada en el núcleo del
transformador T.
Como un resultado de la descripción anterior, el
convertidor de alimentación conmutado universal ofrece un gran
rendimiento funcional global, un alto grado de integración (tamaño
reducido) y su coste es bajo en comparación con los convertidores
de CA/CC o CC/CC convencionales, como resultado del hecho de que la
duplicación del circuito en el lado primario mejora mucho el
rendimiento del convertidor en ciertas condiciones de funcionamiento
y le provee de gran versatilidad operacional debido a ser capaz de
funcionar con un margen extenso de tensiones de entrada, siendo por
tanto de aplicación particular para mercados donde las
características de la fuente de tensión pueden sufrir variaciones
en el suministro.
En otra realización, es posible conectar una
carga auxiliar en paralelo con el condensador de almacenamiento del
circuito primario que proporciona el trayecto de descarga para la
energía almacenada en el núcleo del transformador T.
Claims (9)
1. Convertidor de alimentación conmutado
universal que comprende terminales de entrada (11-1,
11-2) para recibir una primera tensión desde una
fuente de tensión, aplicarla a un primer circuito primario que
comprende un primer dispositivo conmutador (14-1),
o a un segundo circuito primario que comprende un segundo
dispositivo conmutador (15-1); un transformador T
que comprende al menos un primer devanado primario (14), un segundo
devanado primario (15) y un devanado secundario (16); unos medios de
control (modulador PWM de anchura de impulso) que determina los
períodos de conducción de dicho primer dispositivo conmutador
(14-1) y de dicho segundo dispositivo conmutador
(15-1); caracterizado porque dichos medios de
control (PWM) adaptan el período de conducción del dispositivo
conmutador conectado a dichos terminales de entrada
(11-1, 11-2) para regular dicha
segunda tensión entre los terminales de salida
(19-1, 19-2), y adaptan el período
de conducción del dispositivo conmutador no conectado a dichos
terminales de entrada (11-1, 11-2)
para desimantar dicho transformador (T) durante el período de no
conducción del dispositivo conmutador conectado a dichos terminales
de entrada (11-1, 11-2).
2. Convertidor de alimentación según la
reivindicación 1, caracterizado porque medios de selección
(11) conectan dichos terminales de entrada (11-1,
11-2) a un primer par de conductores
(13-1, 13-3) o a un segundo par de
conductores (13-2, 13-3) basados en
el nivel de dicha primera tensión aplicada a través de dichos
terminales de
entrada (11-1, 11-2).
entrada (11-1, 11-2).
3. Convertidor de alimentación según cualquiera
de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque dicho
primer circuito primario comprende un primer condensador de
almacenamiento (14-2) conectado en paralelo con una
combinación en serie de dicho primer devanado primario (14) y dicho
primer dispositivo conmutador (14-1).
4. Convertidor de alimentación según la
reivindicación 3, caracterizado porque dicho primer circuito
primario es conectado a dichos terminales de entrada
(11-1, 11-2) a través de dicho
primer par de conductores (13-1,
13-3) para funcionar como un convertidor directo, y
dicho segundo circuito primario funciona como un circuito
enganchador activo.
5. Convertidor de alimentación según cualquiera
de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque dicho
segundo circuito primario comprende un segundo condensador de
almacenamiento (15-2) conectado en paralelo con una
combinación en serie de dicho segundo devanado primario (15) y dicho
segundo dispositivo conmutador (15-1).
6. Convertidor de alimentación según la
reivindicación 5, caracterizado porque dicho segundo circuito
primario es conectado a dichos terminales de entrada
(11-1, 11-2) a través de dicho
segundo par de conductores (13-2,
13-3) para funcionar como un convertidor de salida
horizontal, y dicho primer circuito primario funciona como un
circuito enganchador activo.
7. Convertidor de alimentación según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque dicho
devanado secundario (16) está conectado en paralelo con los segundos
medios rectificadores (17) para rectificar una corriente que
circula a través de dicho devanado secundario (16), y producen en su
salida una tensión rectificada a ser filtrada en los medios (18) de
filtración para producir dicha segunda tensión entre dichos
terminales de salida (19-1,
19-2).
8. Convertidor de alimentación según la
reivindicación 7, caracterizado porque dichos segundos medios
rectificadores (17) comprenden medios para funcionar como un
rectificador sincrónico autoexcitado.
9. Convertidor de alimentación según la
reivindicación 2, caracterizado porque comprende unos
primeros medios rectificadores (12) conectados en paralelo con dicho
primer par de conductores (13-1,
13-3) para rectificar dicha primera tensión
aplicada.
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