ITTO20121112A1 - Metodo di pilotaggio per inverter ed inverter atto a diminuire le perdite di commutazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“METODO DI PILOTAGGIO PER INVERTER ED INVERTER ATTO A DIMINUIRE LE PERDITE DI COMMUTAZIONEâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo di pilotaggio per inverter e ad un inverter atto a diminuire le perdite di commutazione.

Sono noti inverter in cui un ponte (ad esempio un ponte a H) à ̈ atto a parzializzare una tensione proveniente da una sorgente di tensione continua per alimentare una tensione alternata ad un primario di un trasformatore; l’inverter comprende inoltre un circuito raddrizzatore – livellatore a diodi ricevente in ingresso la tensione alternata proveniente dal secondario del trasformatore al fine di realizzare una tensione livellata alimentata ad un chopper che a sua volta alimenta un carico. Il chopper comprende genericamente una pluralità di rami paralleli (sono possibili strutture diverse di chopper a due, tre o più fasi) ciascuno dei quali à ̈ formato da una coppia di interruttori elettronici a semiconduttore disposti in serie tra di loro ed interposti tra una linea di alimentazione positiva ed una linea di alimentazione negativa provenienti dal circuito raddrizzatore – livellatore. I terminali comuni degli interruttori elettronici del chopper comunicano con linee di alimentazione del carico; ciascun interruttore elettronico del chopper, inoltre, à ̈ provvisto di un diodo di ricircolo disposto in parallelo.

La commutazione degli interruttori elettronici del chopper viene comandata da una unità elettronica che opera un certo programma di alimentazione del carico (ad esempio qualora tale carico sia un motore elettrico, può essere impostata e regolata la velocità di rotazione del motore e la potenza erogata dal motore stesso).

Le unità elettroniche di tipo noto comandano la commutazione degli interruttori del chopper, in molte condizioni operative, in presenza di tensione ai capi degli interruttori stessi; tale operazione – come à ̈ noto dalla fisica dei semiconduttori – comporta una dissipazione di potenza che concorre alla realizzazione di una quota considerevole delle perdite di commutazione.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un metodo di controllo di un inverter e un inverter in cui tali perdite di commutazione siano minimizzate.

Il precedente scopo à ̈ raggiunto dalla presente invenzione in quanto questa à ̈ relativa ad un metodo di controllo della commutazione di un inverter in cui un ponte à ̈ atto a parzializzare una tensione proveniente da una sorgente di tensione continua per alimentare una tensione parzializzata ad un primario di un trasformatore; l’inverter comprendendo un circuito raddrizzatore a diodi ricevente in ingresso la tensione proveniente dal secondario del trasformatore al fine di realizzare una tensione fornita ad un chopper che alimenta un carico; il detto ponte comprendendo almeno un primo ramo ed un secondo ramo ciascuno dei quali à ̈ formato da una coppia di interruttori elettronici disposti in serie tra di loro; i terminali comuni degli interruttori elettronici sono collegati con i terminali del detto primario; ciascun interruttore elettronico essendo provvisto di un diodo di ricircolo disposto in parallelo, il metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere la realizzazione di: una fase in cui gli interruttori del detto ponte sono pilotati in modo tale che la sorgente di alimentazione sia scollegata dal detto primario i terminali del quale sono collegati tra di loro da almeno due tra detti interruttori elettronici e detti diodi di ricircolo in modo tale che la tensione presente sul secondario del detto trasformatore sia nulla; realizzare la commutazione di almeno un interruttore elettronico di un ramo del detto chopper quando la tensione sul secondario à ̈ sostanzialmente nulla al fine di minimizzare le perdite di commutazione dovute all’apertura/chiusura del detto interruttore elettronico del detto chopper.

In particolare, un condensatore presentante un primo terminale à ̈ collegato con una prima linea proveniente dal raddrizzatore ed un secondo terminale à ̈ collegato con una seconda linea proveniente dal raddrizzatore attraverso un diodo che consente la carica del condensatore con la corrente proveniente dal carico M in condizioni di basso fattore di potenza, impedendo la sovratensione sulla prima e seconda linea; il detto metodo comprendendo la fase di realizzare la chiusura di un interruttore disposto in parallelo al diodo realizzando lo scarico del condensatore verso il carico al fine di recuperare l’energia accumulata, aumentando l’efficienza del circuito.

Inoltre, un condensatore di snubber un cui primo terminale à ̈ collegato con una prima linea proveniente dal raddrizzatore ed un secondo terminale à ̈ collegato con una seconda linea proveniente dal raddrizzatore, che consente la commutazione di tutti gli interruttori del detto chopper a tensione nulla, anche in presenza di corrente negativa verso il carico.

L’invenzione sarà illustrata con riferimento alle figure allegate che ne rappresentano un esempio preferito di realizzazione in cui:

la figura 1 illustra un inverter operante secondo il metodo della presente invenzione; e

le figure 2 – 9 illustrano fasi successive operate dal metodo.

Nella figura 1 Ã ̈ indicato con 1, nel suo insieme, un inverter 1 secondo la presente invenzione a cui si applica un metodo di pilotaggio secondo la presente invenzione.

In particolare, l’inverter 1 comprende un ponte ad H 2 il quale à ̈ atto a parzializzare una tensione proveniente da una sorgente di tensione continua 4 (ad esempio V=1500 Volt) per alimentare una tensione parzializzata a un primario L1 di un trasformatore 5. L’inverter 1 comprende inoltre un circuito raddrizzatore a diodi 6 ricevente in ingresso la tensione alternata proveniente dal secondario L2 del trasformatore 5 al fine di realizzare una tensione alimentata ad un chopper trifase 7 che alimenta – nell’esempio - un carico trifase M, ad esempio un motore elettrico.

Con maggior dettaglio, il ponte ad H 2 comprende un primo ramo 8 ed un secondo ramo 9 ciascuno dei quali à ̈ formato da una coppia di interruttori elettronici 8A, 8B e 9A, 9B (ad esempio MOS) disposti in serie tra di loro. I terminali comuni degli interruttori elettronici 8A, 8B e 9A, 9B sono collegati con i terminali del primario L1 mentre i lati opposti dei rami 8 e 9 sono collegati al terminale positivo/negativo della sorgente di tensione di tensione continua 4.

Ciascun interruttore elettronico 8A, 8B e 9A, 9B Ã ̈ provvisto di un diodo di ricircolo 10A, 10B e 11A, 11B disposto in parallelo ed operante in modo noto.

Il circuito raddrizzatore 6 comprende un primo ramo 12 ed un secondo ramo 13 ciascuno dei quali à ̈ formato da una coppia di diodi 14A, 14B e 15A, 15B disposti in serie tra di loro. I terminali comuni dei diodi 14A, 14B e 15A, 15B sono collegati con i terminali del secondario L2 mentre i lati opposti dei rami 12 e 13 sono collegati rispettivamente ad una linea di alimentazione positiva 16 ed ad una linea di alimentazione negativa 17.

Un condensatore 50 di snubber à ̈ disposto tra le linee 16 e 17.

Il chopper trifase 7 comprende un primo, un secondo ed un terzo ramo 21, 22 e 23 interposti tra le linee 16 e 17.

Ciascun ramo 21, 22 e 23 comprende una coppia di interruttori elettronici 25A, 25B – 26A, 26B – 27A, 27B (ad esempio MOS) disposti in serie tra di loro; dai terminali comuni degli interruttori 25A, 25B – 26A, 26B – 27A, 27B si dipartono una prima, una seconda ed una terza linea 31, 32 e 33 di alimentazione del carico M.

Il chopper trifase 7 comprende, per ogni interruttore 25A, 25B – 26A, 26B – 27A, 27B un rispettivo diodo di ricircolo 35A, 35B – 36A, 36B – 37A, 37B disposto in parallelo ed operante in modo noto.

La commutazione degli interruttori 8A, 8B e 9A, 9B del ponte ad H 2 e degli interruttori 25A, 25B – 26A, 26B, 27A – 27B à ̈ controllata da una unità di controllo 40 che opera secondo il metodo della presente invenzione.

Un condensatore 43 con capacità elevata presenta un primo terminale collegato con una prima linea (la linea negativa 17 nell’esempio) ed un secondo terminale collegato con una seconda linea (la linea positiva 16) attraverso un diodo di clamp 46 che consente la carica del condensatore 43 con la corrente proveniente dal carico M qualora questo sia di tipo induttivo (tale caso sarà esemplificato in seguito).

Un interruttore elettronico 47 (ad esempio un MOS) à ̈ disposto in parallelo al diodo 46; la chiusura di tale interruttore 47 consente lo scarico del condensatore 43 verso il carico M al fine di recuperare in modo efficiente l’energia precedentemente accumulata. Le operazioni del metodo della presente invenzione saranno esemplificate con l’ausilio delle figure 2-9 che illustrano una possibile sequenza di operazioni di commutazione secondo il presente metodo:

STEP 1 (figura 2). Gli interruttori 8A e 9B sono chiusi (gli interruttori 8B e 9A sono mantenuti aperti) e la tensione V della sorgente 4 viene applicata all’avvolgimento primario L1.

Sull’avvolgimento secondario L2 viene indotta una tensione kV (dove k à ̈ il rapporto di trasformazione del trasformatore 5) che viene raddrizzata dal circuito 6 dove i diodi 14A e 15B conducono. La tensione presente sulle linee 16 e 17 viene applicata al motore M mediante gli interruttori 25B, 26A e 27A che sono chiusi (gli altri interruttori sono aperti). Ovviamente gli interruttori chiusi/aperti potrebbero essere diversi da quelli illustrati, si tratta di una esemplificazione.

STEP 2 (figura 3). L’interruttore 8A à ̈ mantenuto chiuso e l’interruttore 9B à ̈ aperto (gli interruttori 8B e 9A sono mantenuti aperti); per continuità della corrente nell’avvolgimento L1, la corrente presente nel primario L1 si chiude nella maglia formata dall’interruttore 8A e dal diodo di ricircolo 11A che conduce. La tensione sul secondario del trasformatore L2 va così a zero e così la tensione presente tra le linee 16 e 17. Il condensatore di snubber 50 si scarica sul carico attraverso le linee 16 e 17 e gli interruttori 25B, 26A e 27A). La disposizione degli interruttori del chopper trifase 7 viene mantenuta pari a quella dello STEP 1.

STEP 3 (figura 4). Si avvia l’operazione di chiusura dell’interruttore 9A (tale operazione à ̈ indicata con il tratteggio); la chiusura dell’interruttore 9A viene svolta con tensione pari a zero in quanto il diodo di ricircolo 11A conduce. La tensione delle linee 16 e 17 viene ad annullarsi attraverso i diodi 15A e 15B. La disposizione degli interruttori del chopper trifase 7 viene mantenuta pari a quella dello STEP 1.

STEP 4 (figura 5). La disposizione del ponte ad H 2 rimane immutata; secondo la presente invenzione si comanda una commutazione di almeno un ramo del chopper trifase (nell’esempio l’interruttore 26A precedentemente chiuso viene comandato in apertura e l’interruttore 26B precedentemente aperto viene comandato in chiusura, ovviamente altre commutazioni sono possibili) quando la tensione tra le linee 16 e 17 à ̈ prossima allo zero in quanto sul ponte ad H la tensione continua della sorgente 4 non à ̈ applicata al primario del trasformatore 5 i cui capi sono collegati tra di loro da due componenti (nell’esempio l’interruttore 8A e li diodo di ricircolo 11A oppure l’interruttore 9A) del ponte 2. Se la corrente nella linea 32 à ̈ positiva verso il carico, il diodo 36B conduce, consentendo l’accensione dell’interruttore 26B mentre la tensione à ̈ zero. Se la corrente nella linea 32 nell’esempio à ̈ negativa verso il carico, il condensatore di snubber 50 consente l’azzeramento della corrente nell’interruttore 26B mentre à ̈ ancora bassa la tensione sulle linee 16 e 17. La commutazione del ramo avviene quindi, in ogni caso, quando la tensione à ̈ zero o quasi zero, e pertanto con pochissime perdite.

STEP 5 (figura 6): A seguito del precedente cambio pattern descritto nello STEP 4, la tensione sulla linea 16 potrebbe crescere fino a polarizzare direttamente il diodo di clamp 46 a causa della induttanza dispersa ed in base alla corrente iniziale nell’avvolgimento L2. In questo caso, la carica in eccesso viene assorbita dal condensatore 43 (con valore di capacità elevata) che limita la tensione tra le linee 16 e 17. In particolare, la tensione ai capi del condensatore 43 viene regolata e mantenuta costante al valore di picco delle sinusoidi di uscita.

In questo caso, come verrà ripreso in seguito, la carica in eccesso accumulata nel condensatore 43 viene recuperata chiudendo l’interruttore 47, e disponendo il condensatore 43 tra le linee 16 e 17; in questo modo, al prossimo ciclo l’energia del condensatore 43 verrà di nuovo restituita al carico M, ottenendo elevata efficienza energetica.

STEP 6 (figura 7): si procede alla aperura dell’interruttore 8A e alla chiusura dell’interruttore 8B del ponte ad H 2 al fine di invertire il verso della corrente che scorre nell’avvolgimento primario L1.

STEP 7 (figura 8): inizialmente, stante la precedente magnetizzazione del primario L1, la corrente fluisce nei diodi 10B e 11A. Essendo però L1, così soggetta a una tensione opposta in verso rispetto alla corrente iniziale, essa si smagnetizza e la corrente che la attraversa si inverte in verso rispetto a quella assunta nel corso dello STEP 1, attraverso gli interruttori 9A ed 8B; conseguentemente anche la tensione ai capi del secondario L2 si inverte rispetto a quella presente nello STEP 1. Il ciclo descritto si ripete partendo da una fase analoga a quella dello STEP 1, e simmetrica sulla configurazione degli interruttori del ponte H 2. Nella successiva ripetizione del ciclo la commutazione di uno degli interruttori dei rami 21, 22 e 23 sarà operata quando la tensione tra le linee 16 e 17 à ̈ pari a zero in quanto i terminali del primario si chiudono mediante l’interruttore 8B ed il diodo 11B (oppure l’interruttore 9B).

Il metodo sopra illustrato consente pertanto di diminuire in modo considerevole le perdite di commutazione dell’intero convertitore 1. Infatti, rispetto a una topologia tradizionale, cosiddetta hard switching, la commutazione del chopper 5 avviene, per tutti i suoi interruttori, senza perdite, perché essi commutano a ZV (a tensione nulla). Lo stesso dicasi per gli interruttori del ponte H 2, che viene pilotato con tecnica phase shift (di tipo noto), che intrinsecamente consente la commutazione a ZV (a tensione nulla).

Quanto descritto nella fase STEP 4 di figura 4 à ̈ relativo ad un carico M di natura puramente resistiva. In presenza di un carico M di natura induttiva, e – ad esempio - di fattore di potenza inferiore a 0.866, invece, durante lo STEP4 si avrebbe a tratti un flusso di potenza lungo le linee 31, 32 e 33 dal carico M verso il convertitore 1; tale fenomeno produrrebbe una sovratensione indotta sulle linee 16 e 17. Conseguentemente, la commutazione del ramo dello STEP 4 avverrebbe con tensione potenzialmente superiore a quella nominale, provocando la possibile rottura degli interruttori del chopper. Tale inconveniente à ̈ risolto con la presenza del diodo 46 che, nel corso dello STEP 4, insieme al condensatore di grande valore 43, limita la tensione tra le linee 16 e 17. Lo scarico del condensatore 43 verso il carico M avviene al prossimo step, con la chiusura dell’interruttore 47 (figura 9).

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Metodo di controllo della commutazione di un inverter (1) in cui un ponte (2) à ̈ atto a parzializzare una tensione proveniente da una sorgente di tensione continua (4) per alimentare una tensione parzializzata ad un primario (L1) di un trasformatore (5); l’inverter (1) comprendendo un circuito raddrizzatore a diodi (6) ricevente in ingresso la tensione proveniente dal secondario (L2) del trasformatore (5) al fine di realizzare una tensione alimentata ad un chopper (7) che alimenta un carico (M); il detto ponte (2) comprendendo almeno un primo ramo (8) ed un secondo ramo (9) ciascuno dei quali à ̈ formato da una coppia di interruttori elettronici (8A, 8B e 9A,9B) disposti in serie tra di loro; i terminali comuni degli interruttori elettronici (8A, 8B e 9A,9B) sono collegati con i terminali del detto primario (L1); ciascun interruttore elettronico (8A, 8B e 9A,9B) essendo provvisto di un diodo di ricircolo (10A, 10B e 11A,11B) disposto in parallelo, il metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprender la realizzazione di: - una fase in cui gli interruttori del detto ponte (2) sono pilotati in modo tale che la sorgente di alimentazione (4) sia scollegata dal detto primario (L1) i terminali del quale sono collegati tra di loro da almeno due tra detti interruttori elettronici e detti diodi di ricircolo in modo tale che la tensione presente sul secondario (L2) del detto trasformatore sia nulla; - realizzare la commutazione di almeno un interruttore elettronico di un ramo del detto chopper quando la tensione sul secondario à ̈ sostanzialmente nulla al fine di minimizzare le perdite di commutazione dovute all’apertura/chiusura del detto interruttore elettronico del detto chopper. 2.- Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui un condensatore (43) presentante un primo terminale à ̈ collegato con una prima linea (16) proveniente dal raddrizzatore (6) ed un secondo terminale à ̈ collegato con una seconda linea (17) proveniente dal raddrizzatore (6) attraverso un diodo (46) che consente la carica del condensatore (43) con la corrente proveniente dal carico M in condizioni di basso fattore di potenza, impedendo la sovratensione sulla prima e seconda linea (16 e 17); il detto metodo comprendendo la fase di realizzare la chiusura di un interruttore (47) disposto in parallelo al diodo (46) realizzando lo scarico del condensatore (43) verso il carico (M) al fine di recuperare l’energia accumulata, aumentando l’efficienza del circuito. 3.- Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui il detto interruttore (47) viene chiuso in seguito alla commutazione dell’interruttore elettronico di un ramo del detto chopper che modifica il precedente pattern del chopper stesso per disporre il detto condensatore (43) tra le linee di alimentazione (16,17) del detto chopper impedendo una variazione di tensione dovuta ad effetto induttivo dovuto alla variazione pattern. 4.- Inverter (1) un cui un ponte (2) à ̈ atto a parzializzare una tensione continua proveniente da una sorgente (4) per alimentare una tensione parzializzata ad un primario (L1) di un trasformatore (5); l’inverter (1) comprende un circuito raddrizzatore a diodi (6) ricevente in ingresso la tensione proveniente dal secondario (L2) del trasformatore (5) al fine di realizzare una tensione alimentata ad un chopper (7) che alimenta un carico (M); il detto ponte (2) comprendendo almeno un primo ramo (8) ed un secondo ramo (9) ciascuno dei quali à ̈ formato da una coppia di interruttori elettronici (8A, 8B e 9A, 9B) disposti in serie tra di loro; i terminali comuni degli interruttori elettronici (8A, 8B e 9A, 9B) sono collegati con i terminali del detto primario (L1); ciascun interruttore elettronico (8A, 8B e 9A, 9B) essendo provvisto di un diodo di ricircolo (10A, 10B e 11A, 11B) disposto in parallelo, l’inverter essendo caratterizzato dal fatto di comprender mezzi elettronici di controllo del detto ponte e del detto chopper configurati per pilotare gli interruttori del detto ponte (2) in una fase (STEP 4) in cui la sorgente di alimentazione (4) à ̈ scollegata dal detto primario (L1) i terminali del quale sono collegati tra di loro da almeno due tra detti interruttori elettronici e detti diodi di ricircolo in modo tale che la tensione presente sul secondario (L2) del detto trasformatore sia nulla; i detti mezzi elettronici di controllo essendo atti a realizzare la commutazione di almeno un interruttore elettronico di un ramo del detto chopper per l’alimentazione del detto carico (M) quando la tensione sul secondario à ̈ sostanzialmente nulla al fine di minimizzare le perdite di commutazione dovute all’apertura/chiusura del detto interruttore elettronico del detto chopper. 5.- Inverter secondo la rivendicazione 4 in cui à ̈ previsto un condensatore (43) che presenta un primo terminale collegato con una prima linea (16) proveniente del raddrizzatore (6) ed un secondo terminale collegato con una seconda linea (17) proveniente dal raddrizzatore (6) attraverso un diodo (46) che consente la carica del condensatore (43) con la corrente proveniente dal carico M in condizioni di basso fattore di potenza, impedendo la sovratensione sulla prima e seconda linea (16 e 17); i detti mezzi elettronici di controllo essendo atti a realizzare la chiusura di un interruttore (47) disposto in parallelo al diodo (46) realizzando lo scarico del condensatore (43) verso il carico (M) al fine di recuperare l’energia accumulata, aumentando l’efficienza del circuito. 6.- Inverter secondo la rivendicazione 4 in cui à ̈ previsto un condensatore di snubber (50) che presenta un primo terminale collegato con una prima linea (16) proveniente del raddrizzatore (6) ed un secondo terminale collegato con una seconda linea (17) proveniente dal raddrizzatore (6) che consente la commutazione a zero tensione (ZV) degli interruttori del chopper (5) anche in presenza di corrente negativa verso il carico (M).