ES2638411T3

ES2638411T3 - Conjunto transformador magnético integrado

Info

Publication number: ES2638411T3
Application number: ES14707172.4T
Authority: ES
Inventors: Ziwei OUYANG; Michael A.E. Andersen
Original assignee: Danmarks Tekniske Universitet
Current assignee: Danmarks Tekniske Universitet
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: JP6345710B2; EP2965329B1; JP2016510948A; EP2965329A1; US20160020016A1; CN105009237B; US9390848B2; WO2014135449A1; CN105009237A; DK2965329T3; CA2902778A1

Abstract

Un conjunto (200) transformador magnético integrado que comprende: - un primer núcleo (202) magnéticamente permeable que forma una primera trayectoria (Φ 1) de flujo magnético sustancialmente cerrada, - un segundo núcleo (210) magnéticamente permeable que forma una segunda trayectoria (Φ 2) de flujo magnético sustancialmente cerrada, - un primer devanado (P1) de inducción de entrada enrollado alrededor de un primer segmento (203) predeterminado del primer núcleo (202) magnéticamente permeable y un segundo devanado (P2) de inducción de entrada enrollado alrededor de un primer segmento (211) predeterminado del segundo núcleo (210) magnéticamente permeable, - un primer devanado de inducción de salida que comprende semi-devanados (S1, S3) primero y segundo acoplados en serie, en el que el primer semi-devanado (S1) está enrollado alrededor de un segundo segmento predeterminado del primer núcleo (202) magnéticamente permeable y el segundo semidevanado (S3) está enrollado alrededor de un segundo segmento predeterminado del segundo núcleo (210) magnéticamente permeable, - un segundo devanado de inducción de salida que comprende semi-devanados (S2, S4) primero y segundo acoplados en serie, en los que el primer semi-devanado (S2) está enrollado alrededor de un tercer segmento predeterminado del primer núcleo (202) magnéticamente permeable y el segundo semidevanado (S4) está enrollado alrededor de un tercer segmento predeterminado del segundo núcleo (210) magnéticamente permeable; en el que el primer núcleo (202) junto con el primer devanado (P1) de inducción de entrada, el primer semidevanado (S1) del primer devanado de inducción de salida y el primer semi-devanado (S2) del segundo devanado de inducción de salida forman el primer transformador (T1), y el segundo núcleo (210) junto con el segundo devanado (P2) de inducción de entrada, el segundo semi-devanado (S3) del primer devanado de inducción de salida y el segundo semi-devanado (S4) del segundo devanado de inducción de salida forman el segundo transformador (T2); en el que el segundo semi-devanado (S3) del primer devanado de inducción de salida y el segundo semidevanado (S4) del segundo devanado de inducción de salida están configurados para producir flujos magnéticos dirigidos en dirección opuesta a través de la segunda trayectoria (Φ 2) de flujo magnético sustancialmente cerrada; y el primer semi-devanado (S1) del primer devanado de inducción de salida y el primer devanado (S2) del segundo devanado de inducción de salida están configurados para producir flujos magnéticos alineados a través de la primera trayectoria (Φ 1) de flujo magnético sustancialmente cerrada.

Description

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indicada anteriormente del mismo;

La Fig. 5B es un dibujo esquemático de un segundo tipo de convertidor de potencia de CC-CC reductor, aislado, de entrada doble, que comprende el conjunto transformador magnético integrado según la realización preferida indicada anteriormente del mismo,

La Fig. 6 es un dibujo esquemático de un convertidor de potencia de CC-CC, de topología DAB, de entrada doble, que comprende el conjunto transformador magnético integrado según las realizaciones preferidas indicadas anteriormente,

La Fig. 7 es un dibujo esquemático de un convertidor de potencia de CC-CC de topología LLC, aislado de entrada doble, que comprende el conjunto transformador magnético integrado según la realización preferida indicada anteriormente del mismo,

La Fig. 8 es un dibujo esquemático de un convertidor de potencia de CC-CC, de entrada doble, con una disposición de devanado desplazada lateralmente que comprende el conjunto transformador magnético integrado según la realización preferida indicada anteriormente del mismo;

La Fig. 9 es un dibujo esquemático de un convertidor de potencia de CC-CC, de entrada doble y de salida doble, que comprende un conjunto transformador magnético integrado según las realizaciones preferidas indicadas anteriormente del mismo,

La Fig. 10A muestra un intervalo de tensión de entrada para las fuentes de tensión de entrada de CC de un convertidor de potencia CC-CC elevador, de múltiples entradas, de la técnica anterior; y

La Fig. 10B muestra intervalos de tensión de entrada para las fuentes de tensión de entrada de CC primera y segunda del convertidor de alimentación CC-CC elevador, aislado, de múltiples entradas, representado en la Fig. 3 según una realización preferida de la invención.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La Fig. 1A muestra un dibujo esquemático de un convertidor de potencia de CC-CC de entrada doble de la técnica anterior que comprende dos convertidores completamente paralelos y una salida de convertidor común. El convertidor de potencia comprende dos etapas de convertidor, construidas alrededor del transformador T1 y del transformador T2, respectivamente, y que operan completamente en paralelo con un condensador C de salida común. Los dos transformadores T1 y T2 están completamente separados. El devanado de inducción de entrada o devanado primario de T1 es accionado por un primer circuito de excitación de puente en H que comprende interruptores M1-M4 MOSFET mientras que el devanado de inducción de entrada de T2 es accionado por un segundo circuito de excitación de puente en H separado que comprende interruptores M5-M8 MOSFET.

Este convertidor de potencia de la técnica anterior posee una estructura o topología de tipo elevador con una salida de CC de salida común a través del condensador C de salida de manera que sólo se permite que una etapa de convertidor transfiera en cada momento energía desde cualquiera de las fuentes V1 y V2 de tensión de entrada de CC a la carga RL. De lo contrario, la otra etapa del convertidor deja de funcionar debido a que el rectificador del puente en H de la otra etapa del convertidor es bloqueado si hay alguna diferencia de ciclo de trabajo, falta de sincronización de fase o diferencia de tensión de entrada entre las entradas de las dos etapas de convertidor. Aunque este problema puede ser solucionado con el control de la corriente de entrada, surgen problemas similares e incluso más difíciles en los convertidores de potencia de múltiples entradas, de topología de tipo reductor. Puede demostrarse que las funciones de transferencia de tensión entre la tensión V0 de salida de CC a través del condensador C de salida y la primera tensión V1 de entrada de CC y la segunda tensión V2 de entrada de CC son respectivamente:

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donde n1 es la relación de vueltas o espiras de cada uno de los transformadores T1 y T2, D1 es un ciclo D de trabajo de una primera señal de excitación PWM aplicada por el primer circuito de excitación de puente en H al primer devanado de inducción de entrada o devanado primario P1; D2 es un ciclo D de trabajo de una segunda señal de excitación PWM aplicada al segundo devanado de inducción de entrada o devanado primario P2 de T2.

Las dos funciones de transferencia de tensión CC son independientes y son tal que la tensión V0 de salida CC del convertidor de potencia sólo está determinada por una única fuente de tensión de entrada y su correspondiente ciclo de trabajo.

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integrado elimina los efectos de acoplamiento de potencia y las corrientes circulantes descritas anteriormente en conexión con los convertidores CC-CC de la técnica anterior representados en las Figs. 1A y 1B. El mecanismo de desacoplamiento se ilustra esquemáticamente mediante la dirección contraria indicada del flujo de corriente en el segundo semi-devanado S4 del segundo devanado de inducción de salida y el segundo semi-devanado S3 del primer devanado de inducción de salida. Al realizar un seguimiento de la dirección del flujo de corriente a través de los semi-devanados S1 y S3 acoplados en serie, tal como se indica mediante la flecha iTS1 de corriente, y el flujo de corriente a través de los semi-devanados S2 y S4 acoplados en serie, tal como se indica mediante la flecha iTS2 de corriente, es evidente que la corriente fluye en dirección opuestas a través de los semi-devanados S3 y S4. Estos semi-devanados están dispuestos alrededor de la pata 211 central común del mismo núcleo 210, tal como se representa en la Fig. 2. Por lo tanto, los flujos magnéticos inducidos por estas corrientes de devanado están dirigidos de manera opuesta y se cancelan a través de la pata central común, tal como se ha explicado anteriormente. Por consiguiente, se elimina el voltaje reflejado al devanado P2 de inducción de entrada del segundo núcleo 210 por el flujo magnético resultante generado por las corrientes que fluyen en los semidevanados S3 y S4 en el lado secundario o de salida del segundo núcleo 210, de manera que se elimina la generación descrita anteriormente de corrientes circulantes alrededor del devanado P2 de inducción de entrada y su circuito de excitación de entrada asociado.

La función de transferencia de tensión entre la tensión V0 de salida de CC a través del condensador C de salida y la primera tensión V1 de entrada de CC y la segunda tensión V2 de entrada de CC tiene una función de transferencia común que puede demostrarse que es:

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donde n1 es la relación de vueltas del primer núcleo 202 y n2 es la relación de vueltas del segundo núcleo 210; D es un ciclo D de trabajo de señales de excitación de entrada PWM idénticas aplicadas por cada uno de los circuitos de excitación de entrada de puente en H al devanado P1 o P2 de inducción de entrada correspondiente; Por lo tanto, existe una función de transferencia de tensión común tal que la tensión V0 de salida de CC viene determinada por una combinación ponderada de las dos tensiones V1 y V2 de entrada de CC. Si las dos tensiones de entrada de CC son iguales, el presente convertidor 300 de potencia tiene la misma función de transferencia de tensión que el convertidor de potencia de tipo elevador de la técnica anterior representado en la Fig. 1 A y descrito anteriormente.

Cuando las relaciones de vueltas de los núcleos 202, 210 primero y segundo son idénticas, esta función de transferencia de tensión se reduce a:

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Esta función de transferencia de tensión es válida para una diferencia o desplazamiento de fase cero nula entre las señales de excitación PWM aplicadas a los devanados P1 y P2 de inducción de entrada primero y segundo. La función de transferencia de tensión del presente convertidor 300 de potencia de CC-CC conduce a un intervalo de tensiones de entrada muy amplio y un amplio intervalo de tensiones de salida, de manera que puedan satisfacerse restricciones variables específicas de aplicación relacionadas con la tensión de entrada de CC y las tensiones de salida de CC mínimas y máximas. Además, hay disponibles varios parámetros de diseño del transformador, especialmente las relaciones de vueltas n1 y n2, para el diseñador del convertidor de potencia. Por lo tanto, el diseñador del convertidor de potencia dispone de una flexibilidad considerable para personalizar las métricas de rendimiento del convertidor de potencia, incluyendo los intervalos de tensión de entrada y salida, permitiendo que un diseño de convertidor de potencia específico funcione eficientemente en una amplia gama de aplicaciones.

Otra ventaja distintiva del presente convertidor 300 de potencia de CC-CC es que la tensión V0 de salida de CC puede ser ajustada mediante el control de la diferencia de fase (entrelazado) entre las señales de excitación de PWM aplicadas a los devanados P1 y P2 primero y segundo de inducción de entrada. Esto proporciona una ventaja de flexibilidad distintiva en conexión con el diseño del esquema de control y los dispositivos para el control de la tensión de salida CC. Si el ciclo de trabajo se mantiene constante y el control del desplazamiento de fase se aprovecha para regular la tensión V0 de salida de CC, la tensión de salida de CC máxima se consigue cuando el desplazamiento de fase es de 0° o 180°. La tensión V0 de salida de CC mínima se consigue cuando el desfase es de 90°.

Para ilustrar las propiedades ventajosas del presente convertidor 300 de potencia de CC-CC puede considerarse la siguiente comparación con el convertidor de potencia de la técnica anterior de la Fig. 1A, descrito anteriormente. Las dos fuentes de tensión de entrada de CC son ambas fuentes PV (fotovoltaicas). Con el fin de extraer la

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máxima potencia o energía de los paneles PV, típicamente, se requiere un control de seguimiento de punto de potencia máxima (Maximum Power Point Tracking, MPPT) individual para cada panel fotovoltaico. La salida del convertidor de potencia está conectada a un bus de CC constante a una tensión de CC deseada, por ejemplo 150

V. Para el convertidor de potencia de CC-CC elevador de la técnica anterior de la Fig. 1A, el intervalo de tensiones de entrada para cada una de las fuentes V1 y V2 de tensión de entrada de CC se muestra en el gráfico 1000 de la Fig. 10A. Ninguna de las tensiones de entrada de CC primera y segunda puede caer por debajo del límite inferior indicado en 11,3 V, tal como se indica en el eje x del gráfico 1000. Por debajo de este límite de tensión inferior, este convertidor de potencia de CC-CC elevador de la técnica anterior funcionará a un ciclo D de trabajo excesivamente alto, lo que conduce al deterioro del rendimiento del convertidor en términos de eficiencia de conversión, rendimiento del circuito de excitación de puerta, etc. En el presente ejemplo, el ciclo D de trabajo máximo permitido es ajustado a un valor ejemplar del 85%. Aplicando la misma limitación o restricción de ciclo de trabajo al presente convertidor 300 de potencia de CC-CC teniendo en cuenta la función de transferencia de tensión de CC indicada anteriormente, es evidente que se ha relajado la restricción de tensiones de entrada de CC más baja (11.3 V). De esta manera, permitiendo una flexibilidad considerablemente añadida en cuanto a los intervalos de tensiones aceptables de las fuentes de tensión de entrada de CC primera y segunda. El plano 1011 horizontal de puntos ilustra las tensiones límites inferiores de las fuentes de tensión de entrada de CC primera y segunda bajo la restricción de ciclo D de trabajo descrita anteriormente del 85% o de 0,85. Para esta restricción, las tensiones límite inferiores pueden ser, por ejemplo, V1 = 5 V y V2 = 17,5 V o V1 = V2 = 11,3V. La superficie 1013 del gráfico 1010 de la Fig. 10B representa la relación 3D entre el ciclo de trabajo D común de las señales de excitación PWM (eje vertical) y las tensiones V1 y V2 de CC (eje x y eje y) proporcionadas por las fuentes de tensión de entrada de CC primera y segunda, respectivamente, para una tensión de salida de CC fija de 150 V. Por lo tanto, es obvio que el presente convertidor 300 de potencia de CC-CC es adecuado para una diversidad de fuentes de alimentación, por ejemplo, un par de paneles solares que pueden estar expuestos a diferentes condiciones ambientales al mismo tiempo (por ejemplo: un panel solar está oculto por la sombra de un árbol o un edificio mientras que el otro panel solar está expuesto a la luz solar directa, o un panel solar está orientado al este mientras que el otro panel solar está orientado al oeste. Estas características de fuente de energía con tensiones de entrada diferentes entre varias fuentes de tensión/energía de entrada y nivel de tensión variable con el tiempo se encuentran frecuentemente en aplicaciones de energía renovable. Por lo tanto, el presente convertidor 300 de potencia de CC-CC está particularmente bien adaptado para constituir una interfaz eficaz para estos tipos de fuentes de energía de entrada debido al amplio intervalo de tensiones de entrada y al amplio intervalo de tensiones de salida del convertidor 300.

La Fig. 4 muestra una pluralidad de gráficos 405-450 que representan las formas de onda de tensión de entrada, de devanado y de salida respectivas del convertidor 300 de CC-CC elevador, aislado, de entrada doble, de la Fig.

3. Las fases 1-4 de las formas de onda de corriente y de tensión están indicadas en la parte más inferior del gráfico por medio de las líneas de puntos verticales y los símbolos t0, t1, t2, t3, t4 de tiempo correspondientes. Las formas de onda de tensión y de corriente representadas representan un desplazamiento de ángulo de fase de 90 grados entre las señales de excitación PWM primera y segunda a los devanados P1 y P2 de inducción de entrada primero y segundo, respectivamente. Por lo tanto, las etapas de convertidor primera y segunda, alrededor de los transformadores T1 y T2, respectivamente, del convertidor 300 de CC-CC elevador, de entrada doble, funcionan con un desplazamiento de fase de 90 grados.

Los gráficos 405, 410 superiores muestran las formas de onda PWM respectivas de las señales S1,2 y S3,4 de excitación de conmutador MOSFET de los interruptores M1-M4 MOSFET del primer circuito de excitación de entrada en puente en H. Los gráficos 415 y 420 siguientes muestran las formas de onda PWM respectivas de las señales S5,6 y S7,8 de excitación de conmutador MOSFET de los interruptores M5-M8 MOSFET del segundo circuito de excitación de entrada en puente en H.

El gráfico 425 muestra la forma de onda de la primera señal VA,B de excitación PWM que se aplica al primer devanado P1 de inducción de entrada o del lado primario. Esta forma de onda tiene un periodo T de tiempo y un ciclo de trabajo de conmutación del 75%. Tal como se indica, el gráfico 430 muestra la forma de onda con un desplazamiento de fase de 90 grados de la segunda señal VC,D de excitación PWM aplicada al segundo devanado P2 de inducción de entrada o de lado primario. Esta señal tiene el mismo periodo T de tiempo y el mismo ciclo de trabajo de conmutación de aproximadamente el 75% que la primera señal de excitación.

Los gráficos 435, 440 muestran la forma de onda de corriente correspondiente respectiva de las corrientes de devanado en P1 y P2. Es evidente que cada uno de los inductores L1 y L1 elevadores, primero y segundo, se cargan en las fases 2 y 4 y se descargan a sus devanados P1, P2 de inducción laterales respectivos en las fases 1 y 3, aunque con polaridad invertida.

El gráfico 445 representa la forma VEF de onda de tensión inducida a través de las terminaciones E, F del primer devanado de inducción de salida, que comprenden semi-devanados S1, S3 primero y segundo acoplados en serie, respectivamente. El gráfico 450 representa la forma VGH de onda de tensión inducida a través de las terminaciones

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