ES2934619A1 - DC/DC converter (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Convertidor CC/CCDC/DC converter
SECTOR DE LA TÉCNICATECHNIQUE SECTOR
La invención se encuadra en el sector técnico de sistemas de electrónica de potencia y los sistemas de conversión de energía eléctrica, y en particular en la conversión de energía eléctrica con aislamiento galvánico.The invention falls within the technical field of power electronics systems and electrical energy conversion systems, and in particular in electrical energy conversion with galvanic isolation.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Un convertidor CC/CC se coloca entre dos puertos, la entrada y la salida, sin camino directo de corriente entre ellos, con el objetivo de generar una tensión reducida o elevada en la salida a partir de la energía de la entrada. El uso de aislamiento galvánico en la conversión de potencia es esencial en muchas industrias, por la seguridad y la obtención de ganancias elevadas y reducidas. Especialmente, cuando existe el factor humano en la interacción con los equipos electrónicos. En aplicaciones de transporte, el aislamiento galvánico dado por un transformador permite aislar el lado de alta tensión del usuario, evitando que el usuario se electrocute en caso de fallos eléctricos, además de reducir la posibilidad de que dichos fallos se propaguen a través de los sistemas. Uno de los principales objetivos en estos convertidores es reducir el volumen total de la solución, para lo cual se recurre comúnmente a incrementar la frecuencia de conmutación y a soluciones magnéticas integradas.A DC/DC converter is placed between two ports, the input and the output, with no direct current path between them, in order to generate a low or high output voltage from the input power. The use of galvanic isolation in power conversion is essential in many industries, for safety and high and low profits. Especially when there is the human factor in the interaction with electronic equipment. In transportation applications, the galvanic isolation provided by a transformer allows to isolate the high voltage side of the user, preventing the user from being electrocuted in the event of electrical failures, as well as reducing the possibility of such failures propagating through the systems. . One of the main objectives in these converters is to reduce the total volume of the solution, for which it is commonly used to increase the switching frequency and integrated magnetic solutions.
Para solventar estas situaciones, se emplean, entre otras, topologías de puente completo (Full Bridge - FB), convertidores resonantes (especialmente el LLC), puente doble activo (Dual Active Bridge - DAB) donde los transformadores tienen una entrada y una salida. Sin embargo, cuando se requieren grandes aumentos o reducciones de la tensión, el transformador comprende devanados con un número alto de vueltas y un núcleo magnético con un volumen alto, aumentando las pérdidas. Adicionalmente, si la tensión de entrada es muy elevada, se requieren dispositivos (transistores) capaces de soportar dicha tensión, reduciendo el catálogo de dispositivos y reduciendo las prestaciones de estos. El uso del transistor bipolar de puerta aislada, conocido como IGBT por su denominación en inglés, soporta tensiones superiores a 10kV, sin embargo, los transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor, conocido como MOSFET por su denominación en inglés, de silicio soportan los 1200V y los transistores de GaN soportan hasta los 650V debido a limitaciones tecnológicas. Para solucionarlo, se disponen celdas en serie, dispositivos en cascodo y multifásicos. To solve these situations, among others, full bridge topologies (Full Bridge - FB), resonant converters (especially LLC), double active bridge (Dual Active Bridge - DAB) where the transformers have an input and an output are used. However, when large increases or decreases in voltage are required, the transformer comprises windings with a high number of turns and a magnetic core with a high volume, increasing losses. Additionally, if the input voltage is very high, devices (transistors) capable of withstanding said voltage are required, reducing the catalog of devices and reducing their performance. The use of the insulated gate bipolar transistor, known as IGBT by its English name, supports voltages greater than 10kV, however, metal-oxide-semiconductor field effect transistors, known as MOSFET by its English name, made of silicon they support 1200V and GaN transistors support up to 650V due to technological limitations. To solve this, cells are arranged in series, cascode and multiphase devices.
En el artículo “Review of High-Frequency High-Voltage-Conversion-Ratio DC-DC Converters” (Y. Guan, C. Cecati, J. M. Alonso and Z. Zhang, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics, vol. 2, no. 4, pp. 374-389, Oct. 2021, doi: 10.1109/JESTIE.2021.3051554.) se analizan las distintas topologías existentes. Los autores revisan los convertidores basados en transformadores y en bobinas acopladas, detallando las ventajas y desventajas de cada convertidor. Sin embargo, todas las topologías incorporan múltiples transformadores cuando pretenden lograr ratios altos de conversión de tensión. Los autores detallan el uso de dispositivos conmutados en cascada como una ventaja por las menores tensiones de bloqueo, además de permitir más modos de funcionamiento al haber más interruptores.In the article “Review of High-Frequency High-Voltage-Conversion-Ratio DC-DC Converters” (Y. Guan, C. Cecati, J. M. Alonso and Z. Zhang, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics, vol. 2, No. 4, pp. 374-389, Oct. 2021, doi: 10.1109/JESTIE.2021.3051554.) the different existing topologies are analyzed. The authors review transformer-based and coil-coupled converters, detailing the advantages and disadvantages of each converter. However, all topologies incorporate multiple transformers when aiming to achieve high voltage conversion ratios. The authors detail the use of cascade switched devices as an advantage due to lower blocking voltages, as well as allowing more modes of operation by having more switches.
Otros autores han explorado el uso de tres fases en convertidores CC/CC, como en "A ZVZCS three-phase boost dc-dc converter distributing 400VDC in Telco and data centers to improve energy efficiency", R. Verma and S. Gupta, Third International Conference on Computational Intelligence and Information Technology (CIIT 2013), 2013, pp. 598-604, doi: 10.1049/cp.2013.2652. Sin embargo, estos autores usan inversores trifásicos tradicionales conectados a tres transformadores separados.Other authors have explored the use of three-phase DC/DC converters, as in "A ZVZCS three-phase boost dc-dc converter distributing 400VDC in Telco and data centers to improve energy efficiency", R. Verma and S. Gupta, Third International Conference on Computational Intelligence and Information Technology (CIIT 2013), 2013, pp. 598-604, doi: 10.1049/cp.2013.2652. However, these authors use traditional three-phase inverters connected to three separate transformers.
Los convertidores CC/CC aislados suelen presentar densidades de potencia bajas a alta potencia, principalmente debido al volumen del transformador, ya que hay límites de incremento de frecuencia para evitar otros problemas. Una solución al problema del volumen consiste en el uso de transformadores matriciales, donde hay múltiples secundarios paralelizados con el objetivo de aumentar la potencia sin un aumento excesivo en volumen. Esta solución es detallada por los autores en "High-Efficiency High-Power-Density LLC Converter With an Integrated Planar Matrix T ransformer for High-Output Current Applications", C. Fei, F. C. Lee and Q. Li, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 11, pp.Isolated DC/DC converters often have low power densities at high power, mainly due to the bulk of the transformer, as there are frequency step-up limits to avoid other problems. One solution to the volume problem is the use of matrix transformers, where there are multiple secondaries in parallel with the aim of increasing power without excessive increase in volume. This solution is detailed by the authors in "High-Efficiency High-Power-Density LLC Converter With an Integrated Planar Matrix Transformer for High-Output Current Applications", C. Fei, F. C. Lee and Q. Li, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 11, p.
9072-9082, Nov. 2017, doi: 10.1109/TIE.2017.2674599.9072-9082, Nov. 2017, doi: 10.1109/TIE.2017.2674599.
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA INVENCIÓNGENERAL DESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención trata de resolver problemas que presentan soluciones del estado de la técnica como los mencionados arriba.The present invention tries to solve problems that have state-of-the-art solutions such as those mentioned above.
La presente invención se refiere a un convertidor CC/CC, es decir, a un convertidor que transforma corriente continua a un nivel de tensión continua en corriente continua a otro nivel de tensión continua. El convertidor CC/CC tiene una estructura que permite aprovechar sinergias de los componentes electrónicos que componen el convertidor, como por ejemplo, condensadores con menor capacitancia, y por consiguiente menos volumen y peso; celdas de conmutación sometidas a menores tensiones, y por consiguiente menor dependencia en tipos muy concretos de interruptores; un transformador trifásico con un núcleo magnético de menor volumen y por consiguiente más barato y menos pesado; todo ello sin disminuir la relación de conversión del convertidor ni la efectividad del aislamiento galvánico del convertidor. De este modo, se permite aumentar la densidad de potencia suministrada por el convertidor, así como disminuir el coste del convertidor.The present invention relates to a DC/DC converter, that is to say, to a converter that transforms direct current at one direct voltage level into direct current at another direct voltage level. The DC/DC converter has a structure that makes it possible to take advantage of the synergies of the electronic components that make up the converter, such as capacitors with less capacitance, and therefore less volume and weight; switchgear cells subjected to lower voltages, and consequently less dependence on very specific types of switches; a three-phase transformer with a smaller magnetic core and therefore cheaper and less heavy; all this without reducing the conversion ratio of the converter or the effectiveness of the galvanic isolation of the converter. In this way, it is possible to increase the power density supplied by the converter, as well as to decrease the cost of the converter.
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un convertidor CC/CC, comprendiendo el convertidor CC/CC dos terminales de entrada, un primer condensador, un segundo condensador, un tercer condensador, una primera celda de conmutación, una segunda celda de conmutación, una tercera celda de conmutación, un primer resonador, un segundo resonador, un tercer resonador, un transformador trifásico y un rectificador trifásico; estando el primer condensador conectado en paralelo con la primera celda de conmutación; estando el segundo condensador conectado en paralelo con la segunda celda de conmutación; estando el tercer condensador conectado en paralelo con la tercera celda de conmutación; estando el primer condensador, el segundo condensador y el tercer condensador conectados en paralelo con los dos terminales de entrada de manera que una tensión entre los dos terminales de entrada es igual a una suma de tensiones del primer condensador, del segundo condensador y del tercer condensador; estando una entrada del primer resonador conectada a una salida de la primera celda de conmutación; estando una entrada del segundo resonador conectada a una salida de la segunda celda de conmutación; estando una entrada del tercer resonador conectada a una salida de la tercera celda de conmutación; comprendiendo el transformador trifásico tres bobinas de entrada; estando una salida del primer resonador, una salida del segundo resonador y una salida del tercer resonador conectadas a las bobinas de entrada; y estando el rectificador trifásico conectado a tres bobinas de salida del transformador trifásico.A first aspect of the present invention relates to a DC/DC converter, the DC/DC converter comprising two input terminals, a first capacitor, a second capacitor, a third capacitor, a first switching cell, a second switching cell , a third switching cell, a first resonator, a second resonator, a third resonator, a three-phase transformer and a three-phase rectifier; the first capacitor being connected in parallel with the first switching cell; the second capacitor being connected in parallel with the second switching cell; the third capacitor being connected in parallel with the third switching cell; the first capacitor, the second capacitor and the third capacitor being connected in parallel with the two input terminals such that a voltage between the two input terminals is equal to a sum of voltages of the first capacitor, the second capacitor and the third capacitor ; an input of the first resonator being connected to an output of the first switching cell; an input of the second resonator being connected to an output of the second switching cell; an input of the third resonator being connected to an output of the third switching cell; the three-phase transformer comprising three input coils; a first resonator output, a second resonator output and a third resonator output being connected to the input coils; and the three-phase rectifier being connected to three output coils of the three-phase transformer.
Las celdas de conmutación permiten variar un signo de corriente eléctrica suministrada a los resonadores, de manera que las celdas de conmutación permiten generar corriente alterna a partir de corriente continua. El convertidor CC/CC puede comprender medios de procesamiento configurados para enviar señales de control a las celdas de conmutación tales que, al conectar los terminales de entrada a una tensión continua, se genera una corriente alterna en la salida de cada celda de conmutación.The commutation cells allow to vary a sign of electrical current supplied to the resonators, such that the commutation cells allow alternating current to be generated from direct current. The DC/DC converter may comprise processing means configured to send control signals to the switching cells such that, by connecting the input terminals to a direct voltage, an alternating current is generated at the output of each switching cell.
Los resonadores están configurados para amplificar corrientes de una o varias frecuencias concretas, de manera que suministran corriente trifásica a tres devanados primarios, dicho de otro modo, a tres bobinas de entrada del transformador trifásico. The resonators are configured to amplify currents of one or more specific frequencies, so that they supply three-phase current to three primary windings, in other words, to three input windings of the three-phase transformer.
De este modo, el conjunto formado por el primer, el segundo y el tercer condensador, la primera, la segunda y la tercera celda de conmutación y el primer, el segundo y el tercer resonador es un inversor trifásico, dicho de otro modo, un inversor configurado para convertir corriente continua de los terminales de entrada en corriente trifásica en las salidas de los resonadores.In this way, the set formed by the first, the second and the third capacitor, the first, the second and the third commutation cell and the first, the second and the third resonator is a triphasic inverter, in other words, a inverter configured to convert direct current from the input terminals into three-phase current at the outputs of the resonators.
Las conexiones entre los resonadores y el transformador trifásico permiten que corriente trifásica de salida de los resonadores sea suministrada al transformador trifásico, más en concreto, suministrada a las tres bobinas de entrada del transformador trifásico.The connections between the resonators and the three-phase transformer allow three-phase output current from the resonators to be supplied to the three-phase transformer, more specifically, supplied to the three input windings of the three-phase transformer.
El rectificador trifásico permite convertir una corriente trifásica suministrada al rectificador trifásico en una corriente continua a una salida del rectificador trifásico. Las conexiones entre el rectificador trifásico y las tres bobinas de salida del transformador trifásico permiten convertir una corriente trifásica de las tres bobinas de salida del transformador trifásico en una corriente continua a una salida del rectificador trifásico.The three-phase rectifier enables a three-phase current supplied to the three-phase rectifier to be converted into a direct current at an output of the three-phase rectifier. The connections between the three-phase rectifier and the three output windings of the three-phase transformer allow a three-phase current from the three output windings of the three-phase transformer to be converted into a direct current at an output of the three-phase rectifier.
El uso de varios condensadores en paralelo con los terminales de entrada del convertidor CC/CC permite reducir un volumen de los condensadores porque permite que los condensadores almacenen menos energía en comparación con un único condensador en paralelo con los terminales de entrada. De forma adicional y sinérgica, cada celda de conmutación bloquea una tensión menor, gracias a la estructura de celdas de conmutación en cascada, permitiendo utilizar interruptores con menor tolerancia a bloqueo de tensiones elevadas, así como un desgaste menor de las celdas de conmutación. Una distribución uniforme de la tensión de entrada entre las celdas de conmutación permite que cada celda de conmutación suministre la misma potencia.Using several capacitors in parallel with the input terminals of the DC/DC converter allows a volume of the capacitors to be reduced because it allows the capacitors to store less energy as compared to a single capacitor in parallel with the input terminals. Additionally and synergistically, each commutation cell blocks a lower voltage, thanks to the cascade commutation cell structure, allowing the use of switches with less tolerance to high voltage blocking, as well as less wear on the commutation cells. A uniform distribution of the input voltage between the switching cells allows each switching cell to supply the same power.
El uso de un tanque resonante formado por los resonadores permite una generación de corrientes alternas, aproximadamente sinusoidales, mediante aplicación de resonancia a tensiones pulsadas de las salidas de las celdas de conmutación de manera que se suministran dichas corrientes alternas a los primarios del transformador. Estas corrientes alternas son transformadas por la relación de transformación e inducidas en el secundario del transformador, donde son rectificadas por el rectificador trifásico. El uso de tres fases entrelazadas suaviza el carácter pulsante de la potencia entregada a la salida del convertidor, reduciendo una capacitancia de un condensador para disminuir un rizado de una tensión de salida de salida del convertidor. Cada resonador puede comprender una primera inductancia y una primera capacitancia conectadas en serie de manera que una frecuencia de resonancia del resonador coincida con una frecuencia de un primer armónico de la tensión modulada a la salida de la celda de conmutación conectada al resonador, y opcionalmente puede comprender una segunda inductancia y una segunda capacitancia conectadas en serie entre sí cuya frecuencia de resonancia sea una frecuencia de un tercer armónico de la tensión modulada a la salida de la celda de conmutación conectada al resonador; estando las segundas inductancia y capacitancia conectadas en paralelo con las primeras inductancia y capacitancia. Los resonadores pueden ser más complejos, permitiendo, por ejemplo, amplificar armónicos de mayor frecuencia. Gracias a el uso de armónicos adicionales al fundamental, se incrementa la tensión suministrada al transformador y por tanto aumenta la potencia transmitida por el transformador.The use of a resonant tank formed by the resonators allows a generation of alternating currents, approximately sinusoidal, by applying resonance to pulsed voltages from the switching cell outputs so that said alternating currents are supplied to the transformer primaries. These alternating currents are transformed by the transformation ratio and induced in the secondary of the transformer, where they are rectified by the three-phase rectifier. The use of three interlocked phases smoothes the pulsating character of the power delivered to the output of the converter, reducing a capacitance of a capacitor to decrease a ripple of an output voltage output from the converter. Each resonator can comprise a first inductance and a first capacitance connected in series such that a resonant frequency of the resonator coincides with a frequency of a first harmonic of the modulated voltage at the output of the switching cell connected to the resonator, and can optionally comprising a second inductance and a second capacitance connected in series with each other whose resonant frequency is a frequency of a third harmonic of the modulated voltage at the output of the switching cell connected to the resonator; the second inductance and capacitance being connected in parallel with the first inductance and capacitance. Resonators can be more complex, allowing, for example, higher frequency harmonics to be amplified. Thanks to the use of additional harmonics to the fundamental, the voltage supplied to the transformer is increased and therefore the power transmitted by the transformer increases.
La configuración de cada celda de conmutación permite conectar la entrada del resonador sucesivamente a cada uno de los dos terminales del condensador, estando el condensador en paralelo con la celda de conmutación, y estando la entrada del resonador conectada a la salida de la celda de conmutación.The configuration of each switching cell allows the resonator input to be connected successively to each of the two terminals of the capacitor, the capacitor being in parallel with the switching cell, and the resonator input being connected to the output of the switching cell .
En algunas realizaciones, el convertidor CC/CC puede comprender medios de procesamiento configurados para enviar señales de control a las celdas de conmutación tales que la frecuencia de conmutación de las tres celdas de conmutación coincide con una frecuencia de resonancia de los tres resonadores.In some embodiments, the DC/DC converter may comprise processing means configured to send control signals to the switching cells such that the switching frequency of the three switching cells matches a resonant frequency of the three resonators.
Para el uso como reductor de tensión, se puede utilizar un transformador trifásico estrellatriángulo, permitiendo que una relación de vueltas del transformador trifásico sea menor en comparación con su equivalente estrella-estrella, ya que la tensión de línea es multiplicada por V3 obteniendo la tensión de salida dada por la siguiente expresión:For use as a voltage reducer, a three-phase star-delta transformer can be used, allowing a ratio of turns of the three-phase transformer to be lower compared to its star-star equivalent, since the line voltage is multiplied by V3, obtaining the voltage of output given by the following expression:
Siendo n la relación de vueltas del primario del transformador respecto al secundario del transformador, VI una tensión de entrada del transformador y Vo una tensión de salida del transformador.Being n the ratio of turns of the primary of the transformer with respect to the secondary of the transformer, VI an input voltage of the transformer and Vo an output voltage of the transformer.
Para la regulación del convertidor, se puede aplicar señales de control a cada celda de conmutación para conmutar complementariamente un primer dispositivo de conmutación de la celda y un segundo dispositivo de conmutación de la celda. La tensión de salida de cada celda de conmutación se puede controlar mediante la frecuencia de conmutación, permitiendo controlar la ganancia del tanque resonante. Las señales de control pueden tener una tensión cuadrada. For the regulation of the converter, control signals can be applied to each switching cell to complementaryly switch a first cell switching device and a second cell switching device. The output voltage of each switching cell can be controlled by the switching frequency, allowing the gain of the resonant tank to be controlled. The control signals can have a square voltage.
La presencia de corrientes resonantes permite reducir las pérdidas de conmutación del convertidor, al poder utilizarse corrientes resonantes para descargar las capacitancias parásitas de los interruptores. Con este fin, la frecuencia de operación se puede eligir de manera que la carga equivalente desde las celdas de conmutación sea inductiva, pudiendo aplicar conmutación a tensión cero, conocido en inglés como “Zero Voltage Switching” o por sus siglas “ZVS”, en los dispositivos de conmutación, minimizando las pérdidas de conmutación.The presence of resonant currents makes it possible to reduce the switching losses of the converter, since resonant currents can be used to discharge the parasitic capacitances of the switches. To this end, the operating frequency can be chosen so that the equivalent load from the switching cells is inductive, being able to apply zero voltage switching, known in English as "Zero Voltage Switching" or by its acronym "ZVS", in switching devices, minimizing switching losses.
En algunas realizaciones, la primera celda de conmutación comprende dos interruptores; estando la salida de la primera celda de conmutación conectada a los dos interruptores de manera que en un estado en el que cualquiera de los dos interruptores está cerrado y otro interruptor de los dos interruptores está abierto se cierra un circuito eléctrico, comprendiendo el circuito eléctrico el interruptor cerrado y el primer resonador.In some embodiments, the first switch cell comprises two switches; the output of the first switching cell being connected to the two switches such that in a state in which either one of the two switches is closed and another switch of the two switches is open, an electric circuit is closed, the electric circuit comprising the switch closed and the first resonator.
En algunas realizaciones, al menos uno de los interruptores es un transistor. Los transistores se pueden comportar como interruptores que permiten un control adaptativo y versátil.In some embodiments, at least one of the switches is a transistor. Transistors can behave like switches allowing adaptive and versatile control.
En algunas realizaciones, el al menos un transistor es un transistor de efecto de campo metalóxido-semiconductor.In some embodiments, the at least one transistor is a metal oxide semiconductor field effect transistor.
En algunas realizaciones, el al menos un transistor es un transistor de alta movilidad de electrones.In some embodiments, the at least one transistor is a high electron mobility transistor.
La distribución de la tensión de entrada entre varias celdas de conmutación permite disminuir la tensión de bloqueo de los interruptores habilitando el uso de transistores que no soportan tensiones de bloqueo elevadas como, por ejemplo, los transistores de efecto de campo metalóxido-semiconductor o los transistores de alta movilidad de electrones.The distribution of the input voltage among several switching cells allows the blocking voltage of the switches to be reduced, enabling the use of transistors that do not support high blocking voltages, such as metal-oxide-semiconductor field-effect transistors or transistors high electron mobility.
La reluctancia de una porción longitudinal del núcleo magnético se puede calcular como:The reluctance of a longitudinal portion of the magnetic core can be calculated as:
lhe
R = -M---0-- '- M--r-- ■- S r R = - M --- 0 -- ' - M -- r -- ■ - S r
donde:where:
R: es la reluctancia de la porción longitudinal,R: is the reluctance of the longitudinal portion,
l: es la longitud de la porción longitudinal,l: is the length of the longitudinal portion,
M0: es la permeabilidad magnética del vacío,M0: is the magnetic permeability of the vacuum,
Mr : es la permeabilidad magnética relativa de la porción longitudinal y Mr : is the relative magnetic permeability of the longitudinal portion and
S: es un área total de la sección transversal de la porción longitudinal.S: is a total area of the cross section of the longitudinal portion.
En algunas realizaciones, el transformador trifásico comprende un núcleo magnético; teniendo una primera porción longitudinal del núcleo magnético una sección transversal con un área total menor que el área total de una sección transversal de una segunda porción longitudinal del núcleo magnético; estando el transformador trifásico configurado para que, al alimentar las tres bobinas de entrada con corriente trifásica, un flujo magnético generado por el transformador trifásico en la primera porción sea nulo sin que flujos magnéticos individuales generados en la primera porción por bobinas del transformador trifásico sean nulos.In some embodiments, the three-phase transformer comprises a magnetic core; a first longitudinal portion of the magnetic core having a cross section with a total area less than the total area of a cross section of a second longitudinal portion of the magnetic core; the three-phase transformer being configured so that, when feeding the three input coils with three-phase current, a magnetic flux generated by the three-phase transformer in the first portion is zero without individual magnetic fluxes generated in the first portion by coils of the three-phase transformer being zero .
Los flujos magnéticos individuales son: el flujo magnético generado por la primera bobina de entrada del transformador, el flujo magnético generado por la segunda bobina de entrada del transformador, el flujo magnético generado por la tercera bobina de entrada del transformador, el flujo magnético generado por la primera bobina de salida del transformador, el flujo magnético generado por la segunda bobina de salida del transformador y el flujo magnético generado por la tercera bobina de salida del transformador.The individual magnetic fluxes are: the magnetic flux generated by the first input coil of the transformer, the magnetic flux generated by the second input coil of the transformer, the magnetic flux generated by the third input coil of the transformer, the magnetic flux generated by the first output coil of the transformer, the magnetic flux generated by the second output coil of the transformer, and the magnetic flux generated by the third output coil of the transformer.
Como el flujo magnético generado por las bobinas del transformador y que atraviesa la sección de la primera porción es nulo, el área total de la sección requerida es menor que en otros convertidores en los que el flujo no es nulo, permitiendo reducir el tamaño y el peso del convertidor.As the magnetic flux generated by the transformer coils and passing through the section of the first portion is null, the total area of the required section is less than in other converters in which the flux is not zero, allowing the size and converter weight.
En algunas realizaciones, el área total de la sección transversal de la primera porción longitudinal es nula. El área total nula implica una minimización máxima del tamaño de dicha sección y con ello del peso y tamaño de la primera porción.In some embodiments, the total cross-sectional area of the first longitudinal portion is zero. The null total area implies a maximum minimization of the size of said section and with it the weight and size of the first portion.
En algunas realizaciones, el convertidor CC/CC comprende un condensador de salida para disminuir un rizado de una tensión de salida del rectificador trifásico, estando el condensador de salida conectado a una salida del rectificador trifásico. En general, el rizado de la tensión de salida es perjudicial para cargas conectadas al convertidor. El condensador de salida permite reducir este rizado.In some embodiments, the DC/DC converter comprises an output capacitor for decreasing a ripple of a three-phase rectifier output voltage, the output capacitor being connected to an output of the three-phase rectifier. In general, output voltage ripple is detrimental to loads connected to the converter. The output capacitor allows to reduce this ripple.
Los diferentes aspectos y realizaciones de la invención definidos anteriormente pueden combinarse entre sí, siempre que sean mutuamente compatibles.The different aspects and embodiments of the invention defined above can be combined with each other, as long as they are mutually compatible.
Las ventajas y características adicionales de la invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada y se señalarán particularmente en las reivindicaciones adjuntas. Additional advantages and features of the invention will become apparent from the following detailed description and will be pointed out with particularity in the appended claims.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con ejemplos de realizaciones prácticas de la misma, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de dibujos en el que, con carácter ilustrativo, se ha representado lo siguiente:In order to help a better understanding of the characteristics of the invention according to examples of practical embodiments of the same, a set of drawings is attached as an integral part of the description, in which, for illustrative purposes, what has been represented has been following:
La figura 1 muestra esquemáticamente un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención, estando el convertidor conectado a varias fuentes de alimentación y a varias cargas.Figure 1 schematically shows a DC/DC converter according to some embodiments of the invention, the converter being connected to various power sources and various loads.
La figura 2 muestra esquemáticamente un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención, estando el convertidor CC/CC conectado a una fuente de tensión continua.Figure 2 schematically shows a DC/DC converter according to some embodiments of the invention, the DC/DC converter being connected to a DC voltage source.
La figura 3 muestra conexiones de condensador con celdas de conmutación de convertidores CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.Figure 3 shows capacitor connections with switching cells of DC/DC converters according to some embodiments of the invention.
La figura 4 muestra porciones de rectificadores trifásicos de convertidores CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.Figure 4 shows portions of three-phase rectifiers of DC/DC converters according to some embodiments of the invention.
La figura 5 muestra resonadores de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.Figure 5 shows resonators of a DC/DC converter according to some embodiments of the invention.
La figura 6 muestra esquemáticamente un transformador trifásico de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.Figure 6 schematically shows a three-phase transformer of a DC/DC converter according to some embodiments of the invention.
La figura 7 muestra señales de conmutación de celdas de conmutación de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.Figure 7 shows switching signals from switching cells of a DC/DC converter according to some embodiments of the invention.
La figura 8 muestra señales de conmutación de celdas de conmutación de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención, y muestra corrientes resultantes de dichas señales de conmutación.Figure 8 shows switching signals from switching cells of a DC/DC converter according to some embodiments of the invention, and shows currents resulting from said switching signals.
La figura 9 muestra señales de conmutación de celdas de conmutación de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención, y muestra corrientes resultantes de dichas señales de conmutación.Figure 9 shows switching signals from switching cells of a DC/DC converter according to some embodiments of the invention, and shows currents resulting from said switching signals.
La figura 10 muestra tensiones medias en resonadores de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención.Figure 10 shows average voltages in resonators of a DC/DC converter according to some embodiments of the invention.
La figura 11 muestra un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención, estando el convertidor conectado a una fuente de tensión continua. Figure 11 shows a DC/DC converter according to some embodiments of the invention, the converter being connected to a DC voltage source.
La figura 12 muestra una gráfica de una relación entre ganancia y frecuencia de un resonador de un convertidor CC/CC de acuerdo con algunas realizaciones de la invención. En concreto, la figura 12 muestra una curva de la ganancia de tensión de cada resonador.Fig. 12 shows a graph of a relationship between gain and frequency of a resonator of a DC/DC converter according to some embodiments of the invention. Specifically, Figure 12 shows a voltage gain curve for each resonator.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION
A la vista de esta descripción y figuras, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin salir del objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada.In view of this description and figures, the person skilled in the art will be able to understand that the invention has been described according to some preferred embodiments thereof, but that multiple variations can be introduced in said preferred embodiments, without departing from the object of the invention as such. and as it has been claimed.
La figura 1 muestra un convertidor CC/CC (1) con aislamiento galvánico. El convertidor CC/CC (1) comprende un transformador trifásico (400), por ejemplo, en configuración estrellatriángulo o en configuración estrella-estrella, que permite que el flujo magnético del transformador trifásico (400) en una o varias porciones de un núcleo magnético del transformador trifásico (400) sea nula, permitiendo disminuir tamaño y peso del transformador trifásico (400), y con ello tamaño y peso del convertidor CC/CC (1). Además, como se reduce un flujo magnético del núcleo magnético, se reducen pérdidas magnéticas en el núcleo magnético del transformador, permitiendo aumentar el factor de reducción/aumento del transformador trifásico sin necesidad de aumentar un tamaño del núcleo magnético y sin necesidad de aumentar una tensión de alimentación de devanados primarios del transformador trifásico (400). Además, una distribución de la tensión de entrada en varios condensadores permite reducir tamaño y peso de los condensadores y ampliar la variedad de celdas de conmutación utilizables en el convertidor CC/CC (1). Por ello, el convertidor CC/CC (1) permite minimizar el volumen, el peso y la tensión requeridos para lograr un factor de conversión alto, dicho de otro modo, un factor alto de reducción/aumento de tensión continua en tensión continua, manteniendo un aislamiento galvánico efectivo.Figure 1 shows a DC/DC converter (1) with galvanic isolation. The DC/DC converter (1) comprises a three-phase transformer (400), for example, in a star-delta configuration or in a star-star configuration, which allows the magnetic flux of the three-phase transformer (400) in one or several portions of a magnetic core of the three-phase transformer (400) is zero, allowing the size and weight of the three-phase transformer (400) to be reduced, and with it the size and weight of the DC/DC converter (1). In addition, as a magnetic flux of the magnetic core is reduced, magnetic losses in the magnetic core of the transformer are reduced, allowing the reduction/increase factor of the three-phase transformer to be increased without the need to increase a size of the magnetic core and without the need to increase a voltage. supply of primary windings of the three-phase transformer (400). In addition, a distribution of the input voltage in several capacitors allows to reduce the size and weight of the capacitors and to expand the variety of switching cells that can be used in the DC/DC converter (1). For this reason, the DC/DC converter (1) allows minimizing the volume, weight and voltage required to achieve a high conversion factor, in other words, a high direct voltage reduction/increase factor in direct voltage, maintaining effective galvanic isolation.
El convertidor CC/CC (1) tiene dos terminales de entrada conectados en paralelo a un generador de energía eléctrica, una batería y una pila de combustible. El convertidor CC/CC (1) tiene dos terminales de salida conectados en paralelo a un banco de condensadores y a dos cargas.The DC/DC converter (1) has two input terminals connected in parallel to an electric power generator, a battery, and a fuel cell. The DC/DC converter (1) has two output terminals connected in parallel to a capacitor bank and two loads.
La figura 2 muestra el convertidor CC/CC (1) conectado a una fuente de tensión continua Vi (104). En concreto, el convertidor CC/CC (1) comprende dos terminales de entrada (105), (106) conectados a la fuente de tensión continua V i (104). Un primer condensador (101), un segundo condensador (102) y un tercer condensador (103) están conectados en paralelo con los dos terminales de entrada (105), (106) de manera que una tensión entre los dos terminales de entrada (105), (106) es igual a una suma de tensiones del primer condensador (101), del segundo condensador (102) y del tercer condensador (103). Dicho de otro modo, las celdas de conmutación están conectadas en cascada con los dos terminales de entrada (105), (106). En esta configuración la suma de tensiones del primer condensador (101), del segundo condensador (102) y del tercer condensador (103) es igual a la tensión entre los dos terminales de entrada (105), (106) independientemente del estado de las celdas de conmutación. La figura 2 muestra un primer conjunto (100) de fuente de tensión continua Vi (104), primer condensador (101), segundo condensador (102) y tercer condensador (103). Figure 2 shows the DC/DC converter (1) connected to a direct voltage source V i (104). Specifically, the DC/DC converter (1) comprises two input terminals (105), (106) connected to the direct voltage source V i (104). A first capacitor (101), a second capacitor (102) and a third capacitor (103) are connected in parallel with the two input terminals (105), (106) so that a voltage between the two input terminals (105) ), (106) is equal to a sum of voltages of the first capacitor (101), of the second capacitor (102) and the third capacitor (103). In other words, the switching cells are connected in cascade with the two input terminals (105), (106). In this configuration, the sum of the voltages of the first capacitor (101), of the second capacitor (102) and of the third capacitor (103) is equal to the voltage between the two input terminals (105), (106) regardless of the state of the switching cells. Figure 2 shows a first set (100) of direct voltage source V i (104), first capacitor (101), second capacitor (102) and third capacitor (103).
El primer condensador (101) está conectado en paralelo con una primera celda de conmutación. La primera celda de conmutación comprende un primer interruptor (201) y un segundo interruptor (202). El primer interruptor (201) está conectado a un terminal del primer condensador (101), y el segundo interruptor (202) está conectado a otro terminal del primer condensador (101). El segundo condensador (102) está conectado en paralelo con una segunda celda de conmutación. La segunda celda de conmutación comprende un tercer interruptor (203) y un cuarto interruptor (204). El tercer interruptor (203) está conectado a un terminal del segundo condensador (102), y el cuarto interruptor (204) está conectado a otro terminal del segundo condensador (102). El tercer condensador (103) está conectado en paralelo con una tercera celda de conmutación. La tercera celda de conmutación comprende un quinto interruptor (205) y un sexto interruptor (206). El quinto interruptor (205) está conectado a un terminal del tercer condensador (103), y el sexto interruptor (206) está conectado a otro terminal del tercer condensador (103). La figura 2 muestra un segundo conjunto (200) de celdas de conmutación. La figura 3 muestra ejemplos de estas conexiones en paralelo entre condensador e interruptores.The first capacitor (101) is connected in parallel with a first switching cell. The first switch cell comprises a first switch (201) and a second switch (202). The first switch (201) is connected to one terminal of the first capacitor (101), and the second switch (202) is connected to another terminal of the first capacitor (101). The second capacitor (102) is connected in parallel with a second switching cell. The second switch cell comprises a third switch (203) and a fourth switch (204). The third switch (203) is connected to one terminal of the second capacitor (102), and the fourth switch (204) is connected to another terminal of the second capacitor (102). The third capacitor (103) is connected in parallel with a third switching cell. The third switch cell comprises a fifth switch (205) and a sixth switch (206). The fifth switch (205) is connected to one terminal of the third capacitor (103), and the sixth switch (206) is connected to another terminal of the third capacitor (103). Figure 2 shows a second set (200) of switching cells. Figure 3 shows examples of these parallel connections between capacitor and switches.
La figura 3 muestra ejemplos de conexión en paralelo del primer condensador (101) con la primera celda de conmutación. La conexión en paralelo comprende una primera conexión (111), una segunda conexión (112) y una tercera conexión (113), siendo la primera conexión (111) para conexión con el primer terminal (105) y siendo la segunda conexión (112) para conexión con el segundo condensador (102). La tercera conexión (113) está conectada entre los interruptores (121), (122), de manera que al abrir uno de los interruptores (121), (122) y cerrar el otro de los interruptores (121), (122), la tercera conexión (113) queda conectada en serie con el otro de los interruptores (121), (122). Tal como se ilustra en los ejemplos de conexión en paralelo de la figura 3, los interruptores pueden ser: transistores de efecto campo de unión metal-óxido-semiconductor, transistores bipolares de puerta aislada, transistores bipolares de unión, transistores de alta movilidad electrónica, cascodos basados en transistores de efecto campo de unión y/o cascodos basados en transistores de alta movilidad electrónica. Figure 3 shows examples of parallel connection of the first capacitor (101) with the first switching cell. The parallel connection comprises a first connection (111), a second connection (112) and a third connection (113), the first connection (111) being for connection to the first terminal (105) and the second connection (112) being for connection with the second condenser (102). The third connection (113) is connected between the switches (121), (122), so that when opening one of the switches (121), (122) and closing the other of the switches (121), (122), The third connection (113) remains connected in series with the other of the switches (121), (122). As illustrated in the parallel connection examples in figure 3, the switches can be: metal-oxide-semiconductor junction field effect transistors, insulated gate bipolar transistors, junction bipolar transistors, high electronic mobility transistors, cascodes based on junction field effect transistors and/or cascodes based on high electronic mobility transistors.
Si bien las conexiones de la figura 3 representan la conexión en paralelo del primer condensador (101) con la primera celda de conmutación, estas conexiones en paralelo pueden ser iguales para el segundo condensador (102) y/o para el tercer condensador (103) tal como se puede deducir de la figura 11.Although the connections in Figure 3 represent the parallel connection of the first capacitor (101) with the first switching cell, these parallel connections can be the same for the second capacitor (102) and/or for the third capacitor (103). as can be deduced from figure 11.
Continuando con la figura 2, el convertidor CC/CC (1) comprende un tanque resonante (300) y un transformador trifásico (400), comprendiendo el tanque resonante (300) un primer resonador, un segundo resonador y un tercer resonador. El tanque resonante (300) comprende una cuarta conexión (301) con la tercera conexión (113) de la primera celda de conmutación, conectando la cuarta conexión (301) el primer resonador con la primera celda de conmutación. El tanque resonante (300) comprende una quinta conexión (302) de una salida de la segunda celda de conmutación con el segundo resonador. El tanque resonante (300) comprende una sexta conexión (303) de una salida de la tercera celda de conmutación con el tercer resonador.Continuing with Figure 2, the DC/DC converter (1) comprises a resonant tank (300) and a three-phase transformer (400), the resonant tank (300) comprising a first resonator, a second resonator and a third resonator. The resonant tank (300) comprises a fourth connection (301) with the third connection (113) of the first switching cell, the fourth connection (301) connecting the first resonator with the first switching cell. The resonant tank (300) comprises a fifth connection (302) of an output of the second switching cell with the second resonator. The resonant tank (300) comprises a sixth connection (303) of an output of the third switching cell with the third resonator.
La figura 5 muestra ejemplos de resonadores del tanque resonante (300), en concreto muestra resonadores formados por una rama LC o varias ramas LC conectadas en paralelo. El segundo resonador y/o el tercer resonador pueden ser iguales al primer resonador, tal como se puede deducir de la figura 11. La figura 11 muestra un primer resonador (311), un segundo resonador (312) y un tercer resonador (313).Figure 5 shows examples of resonators of the resonant tank (300), specifically it shows resonators formed by an LC branch or several LC branches connected in parallel. The second resonator and/or the third resonator can be the same as the first resonator, as can be deduced from figure 11. Figure 11 shows a first resonator (311), a second resonator (312) and a third resonator (313). .
Continuando con las figuras 2 y 5, el tanque resonante (300) comprende una séptima conexión (401) del primer resonador con el transformador trifásico (400). Continuando con la figura 2, el tanque resonante (300) comprende una octava conexión (402) del segundo resonador con el transformador trifásico (400) y una novena conexión (403) del tercer resonador con el transformador trifásico (400).Continuing with figures 2 and 5, the resonant tank (300) comprises a seventh connection (401) of the first resonator with the three-phase transformer (400). Continuing with figure 2, the resonant tank (300) comprises an eighth connection (402) of the second resonator with the three-phase transformer (400) and a ninth connection (403) of the third resonator with the three-phase transformer (400).
La figura 6 muestra un esquema electrónico del transformador trifásico (400) en configuración estrella-triángulo. Las bobinas del primario y del secundario del transformador trifásico están enrolladas a un mismo núcleo magnético del transformador trifásico. El transformador trifásico (400) comprende tres conexiones de entrada (411), (412), (413). Cada una de las tres conexiones de entrada (411), (412), (413) está conectada en serie con una de la séptima conexión (401), la octava conexión (402) y la novena conexión (403), tal como se puede deducir, por ejemplo, de la figura 11. El esquema electrónico del transformador trifásico (400) comprende una inductancia de fugas (451), (452), (453) y una inductancia de magnetización (431), (432), (433) por cada par de bobinas (441), (442), (443) del transformador trifásico (400). El transformador trifásico (400) tiene tres conexiones de salida (421), (422), (423). Figure 6 shows an electronic diagram of the three-phase transformer (400) in a star-delta configuration. The primary and secondary coils of the three-phase transformer are wound to the same magnetic core of the three-phase transformer. The three-phase transformer (400) comprises three input connections (411), (412), (413). Each of the three input connections (411), (412), (413) is connected in series with one of the seventh connection (401), the eighth connection (402) and the ninth connection (403), as shown. can be deduced, for example, from figure 11. The electronic diagram of the three-phase transformer (400) comprises a leakage inductance (451), (452), (453) and a magnetization inductance (431), (432), ( 433) for each pair of coils (441), (442), (443) of the three-phase transformer (400). The three-phase transformer (400) has three output connections (421), (422), (423).
Continuando con la figura 2, el convertidor CC/CC (1) comprende un rectificador trifásico (500). El rectificador trifásico (500) comprende una décima conexión (501), una undécima conexión (502) y una duodécima conexión (503). Cada una de la décima conexión (501), undécima conexión (502) y duodécima conexión (503) está conectada a una de las tres conexiones de salida (421), (422), (423) del transformador trifásico (400).Continuing with figure 2, the DC/DC converter (1) comprises a three-phase rectifier (500). The three-phase rectifier (500) comprises a tenth connection (501), an eleventh connection (502) and a twelfth connection (503). Each of the tenth connection (501), eleventh connection (502) and twelfth connection (503) is connected to one of the three output connections (421), (422), (423) of the three-phase transformer (400).
La figura 4 muestra ejemplos de una primera porción del rectificador trifásico (500). La primera porción del rectificador trifásico (500) comprende la décima conexión (501) conectada a la conexión de salida (421) del transformador trifásico (400). La primera porción del rectificador trifásico (500) comprende unos terminales de salida (601), (602) y dispositivos de rectificación (531), (532). Tal como se ilustra en las configuraciones en la figura 4, los dispositivos de rectificación (531), (532) pueden ser: diodos, transistores de efecto campo de unión metalóxido-semiconductor, transistores bipolares de puerta aislada, transistores bipolares de unión, transistores de alta movilidad electrónica, cascodos basados en transistores de efecto campo de unión y cascodos basados en transistores de alta movilidad electrónica.Figure 4 shows examples of a first portion of the three-phase rectifier (500). The first portion of the three-phase rectifier (500) comprises the tenth connection (501) connected to the output connection (421) of the three-phase transformer (400). The first portion of the three-phase rectifier (500) comprises output terminals (601), (602) and rectification devices (531), (532). As illustrated in the configurations in Figure 4, the rectifying devices (531), (532) can be: diodes, metal-oxide-semiconductor junction field effect transistors, insulated gate bipolar transistors, junction bipolar transistors, transistors high electronic mobility, cascodes based on junction field effect transistors and cascodes based on high electronic mobility transistors.
Lógicamente se pueden conectar en cascada tres de estas porciones del rectificador trifásico (500) para formar el rectificador trifásico (500) tal como se puede deducir de la figura 11, conectando la conexión de entrada de cada porción a una conexión de salida distinta del transformador trifásico (400).Logically, three of these portions of the three-phase rectifier (500) can be connected in cascade to form the three-phase rectifier (500) as can be deduced from figure 11, connecting the input connection of each portion to a different output connection of the transformer. triphasic (400).
Continuando con la figura 2, los terminales de salida (601), (602) son terminales de salida del convertidor CC/CC (1). La figura 2 muestra un tercer conjunto (600) que comprende los terminales de salida (601), (602).Continuing with figure 2, the output terminals (601), (602) are output terminals of the DC/DC converter (1). Figure 2 shows a third set (600) comprising output terminals (601), (602).
La figura 7 muestra señales de control de los interruptores de las celdas de conmutación del convertidor CC/CC (1), siendo las señales de control señales de conmutación. En concreto, la figura 7 muestra una primera señal de control (Sm) del primer interruptor (201), una segunda señal de control (Su) del segundo interruptor (202), una tercera señal de control (Sh2) del tercer interruptor (203), una cuarta señal de control (Sl2) del cuarto interruptor (204), una quinta señal de control (Sh3) del quinto interruptor (205) y una sexta señal de control (Sl3) del sexto interruptor (206). Cada una de estas señales de control está a nivel alto una mitad de un período de la señal y a nivel bajo otra mitad del período. El período de estas señales de control es de 2n radianes, es decir, de trescientos sesenta grados.Figure 7 shows control signals of the switches of the switching cells of the DC/DC converter (1), the control signals being switching signals. Specifically, Figure 7 shows a first control signal (Sm) of the first switch (201), a second control signal (Su) of the second switch (202), a third control signal (S h2 ) of the third switch ( 203), a fourth control signal (S l2 ) of the fourth switch (204), a fifth control signal (S h3 ) of the fifth switch (205) and a sixth control signal (S l3 ) of the sixth switch (206). . Each of these control signals is high for one half of a signal period and low for another half of the period. The period of these control signals is 2n radians, that is, three hundred and sixty degrees.
La segunda señal de control (Su) está desfasada pi radianes con respecto a la primera señal de control (Sh1). La cuarta señal de control (Sl2) está desfasada pi radianes con respecto a la tercera señal de control (Sh2). La sexta señal de control (Sl3) está desfasada pi radianes con respecto a la quinta señal de control (Sh3). La tercera señal de control (Sh2) está atrasada ciento veinte grados con respecto a la primera señal de control (Sh i). La quinta señal de control (Sh3) está atrasada ciento veinte grados con respecto a la tercera señal de control (Sh2). The second control signal (Su) is pi radians out of phase with respect to the first control signal (S h1 ). The fourth control signal (S l2 ) is pi radians out of phase with respect to the third control signal (S h2 ). The sixth control signal (S l3 ) is pi radians out of phase with respect to the fifth control signal (S h3 ). The third control signal (S h2 ) is late one hundred and twenty degrees from the first control signal (S hi ). The fifth control signal (S h3 ) is one hundred and twenty degrees behind the third control signal (S h2 ).
Cuando el primer interruptor (201) está abierto, el segundo interruptor (202) está cerrado, de manera que circula corriente por el segundo interruptor (202) y no circula corriente por el primer interruptor (201). Cuando el primer interruptor (201) está cerrado, el segundo interruptor (202) está abierto, de manera que circula corriente por el primer interruptor (201) y no circula corriente por el segundo interruptor (202). De este modo se generan corrientes positivas y negativas en el primer resonador del tanque resonante (300). Del mismo modo, se generan corrientes positivas y negativas en el segundo resonador del tanque resonante (300) y en el tercer resonador del tanque resonante (300). Las celdas de conmutación pueden ser de medio puente.When the first switch (201) is open, the second switch (202) is closed, so current flows through the second switch (202) and no current flows through the first switch (201). When the first switch (201) is closed, the second switch (202) is open, so current flows through the first switch (201) and no current flows through the second switch (202). Thus, positive and negative currents are generated in the first resonator of the resonant tank (300). Similarly, positive and negative currents are generated in the second resonator of the resonant tank (300) and in the third resonator of the resonant tank (300). Switching cells can be half-bridge.
Un cambio de nivel de una señal de control de un interruptor cambia un estado del interruptor. A level change of a control signal of a switch changes a state of the switch.
Tal como se ilustra en la figura 8, se generan corrientes trifásicas en los tres resonadores del tanque resonante (300). Para minimizar un consumo energético, resulta ventajoso que los interruptores cambien de nivel en el instante en el que la corriente trifásica que circula por el interruptor sea próxima a cero amperios y, por ejemplo, nula. Estos ejemplos se ilustran en la figura 9, que muestra que las señales de control de dos interruptores de una celda de conmutación cambian de nivel cuando la corriente que circula por uno de dichos interruptores es próxima a cero amperios. La unidad del eje de abscisas de la figura 8 es el segundo. La unidad de la tensión de bloqueo de la figura 9 es el voltio.As illustrated in Figure 8, three-phase currents are generated in the three resonators of the resonant tank (300). In order to minimize energy consumption, it is advantageous for the switches to change level at the instant in which the three-phase current flowing through the switch is close to zero amps and, for example, zero. These examples are illustrated in Figure 9, which shows that the control signals of two switches in a switchgear change level when the current through one of these switches is close to zero amps. The unit of the abscissa axis of figure 8 is the second. The unit of the blocking voltage in figure 9 is the volt.
En particular, el tanque resonante (300) está configurado a una frecuencia de resonancia, de manera que el tanque resonante (300) amplifica corriente a dicha frecuencia de resonancia. In particular, the resonant tank (300) is configured at a resonant frequency such that the resonant tank (300) amplifies current at said resonant frequency.
La figura 10 representa tensiones medias en los resonadores del tanque resonante (300). La tensión de la celda superior es la tensión del primer resonador. La tensión de la celda intermedia es la tensión del segundo resonador. La tensión de la celda inferior es la tensión del tercer resonador.Figure 10 represents average voltages in the resonators of the resonant tank (300). The voltage of the upper cell is the voltage of the first resonator. The intermediate cell voltage is the second resonator voltage. The voltage of the lower cell is the voltage of the third resonator.
Al suministrar una tensión continua a los terminales de entrada (105), (106), las bobinas de entrada del transformador trifásico (400), dicho de otro modo, los devanados primarios del transformador trifásico (400), son alimentadas con una corriente trifásica, generando una corriente trifásica en las bobinas de salida del transformador trifásico (400). Las bobinas de salida del transformador trifásico (400) también se conocen como devanados secundarios del transformador trifásico (400). By supplying a direct voltage to the input terminals (105), (106), the input windings of the three-phase transformer (400), in other words, the primary windings of the three-phase transformer (400), are supplied with a three-phase current. , generating a three-phase current in the output coils of the three-phase transformer (400). The output windings of the three-phase transformer (400) are also known as the secondary windings of the three-phase transformer (400).
La corriente trifásica generada en los devanados secundarios es rectificada por el rectificador trifásico (500), por ejemplo, mediante un accionamiento adecuado de los interruptores del rectificador trifásico (500), permitiendo generar una tensión sustancialmente continua entre los terminales de salida (601), (602). Lógicamente, el rectificador trifásico (500) puede ser activo o pasivo.The three-phase current generated in the secondary windings is rectified by the three-phase rectifier (500), for example, by a suitable actuation of the three-phase rectifier switches (500), allowing a substantially continuous voltage to be generated between the output terminals (601), (602). Logically, the three-phase rectifier (500) can be active or passive.
Un condensador conectado a los terminales de salida (601), (602) permite disminuir un rizado de la tensión entre los terminales de salida (601), (602).A capacitor connected to the output terminals (601), (602) makes it possible to decrease a voltage ripple between the output terminals (601), (602).
Ejemplo: Convertidor aislado para alimentar a un dispositivo en un automóvil.Example: Isolated converter to power a device in a car.
La presente invención se puede utilizar en un automóvil eléctrico, que comprende una batería de alta tensión, por ejemplo, de 400V, que se usa para alimentar toda la circuitería a bordo. Una carga que requiera tensiones bajas, por ejemplo, de 12V se puede conectar de forma segura a la batería mediante la invención propuesta, ya que se garantiza la seguridad del usuario mediante el aislamiento, y la conversión de tensión ocurre en un espacio reducido apto para aplicaciones con fuertes limitaciones de volumen.The present invention can be used in an electric car, comprising a high voltage battery, eg 400V, which is used to power all on-board circuitry. A load that requires low voltages, for example, 12V, can be safely connected to the battery by means of the proposed invention, since the user's safety is guaranteed through isolation, and the voltage conversion occurs in a reduced space suitable for applications with strong volume limitations.
Ejemplo: Convertidor aislado para alimentar unidades de computación en un centro de datos.Example: Isolated converter to power computing units in a data center.
La presente invención se puede utilizar en un centro de datos, que frecuentemente comprende una primera etapa conectada a la red que interactúa con la misma, y posteriormente distribuye un bus de alta tensión, por ejemplo, de 450V, que se usa para alimentar los sistemas. Los equipos en un centro de datos típicamente requieren tensiones bajas, por ejemplo, de 48V ó 12V, por lo que se necesita un convertidor reductor capaz de proveer de aislamiento a alta tensión. Reducir el tamaño de estos convertidores reduce el espacio ocupado por los sistemas de alimentación permitiendo una mayor densidad de potencia en una misma instalación. The present invention can be used in a data center, which frequently includes a first stage connected to the network that interacts with it, and subsequently distributes a high voltage bus, for example, 450V, which is used to power the systems. . Equipment in a data center typically requires low voltages, eg 48V or 12V, so a buck converter is needed capable of providing high voltage isolation. Reducing the size of these converters reduces the space occupied by the power systems, allowing a higher power density in the same installation.
En este texto, el término “comprende” y sus variantes (como “comprendiendo”, etc.) no deben entenderse de forma excluyente, es decir, estos excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos, etc.In this text, the term "comprises" and its variants (such as "comprising", etc.) should not be understood in an exclusive way, that is, they exclude the possibility that what is described includes other elements, steps, etc.
Por otra parte, la invención no está limitada a las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.), dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones. On the other hand, the invention is not limited to the concrete embodiments that have been described but also covers, for example, the variants that can be made by the average person skilled in the art (for example, regarding the choice of materials, dimensions , components, configuration, etc.), within what is apparent from the claims.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES202230571A ES2934619A1 (en) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | DC/DC converter (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| ES202230571A ES2934619A1 (en) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | DC/DC converter (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2934619A1 true ES2934619A1 (en) | 2023-02-23 |
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ID=85251968
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES202230571A Pending ES2934619A1 (en) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | DC/DC converter (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US4477868A (en) * | 1982-09-30 | 1984-10-16 | General Electric Company | High frequency series resonant dc-dc converter |
| KR20120001334A (en) * | 2010-06-29 | 2012-01-04 | (주) 이이시스 | Multi-Phase DC-DC Converters for Fuel Cells Using Integral Y-Y Connection Transformers |
| US20140009968A1 (en) * | 2012-07-03 | 2014-01-09 | Tdk Corporation | Current resonance type dc-dc converter and method for operating current resonance type dc-dc converter |
| JP2017037925A (en) * | 2015-08-07 | 2017-02-16 | 新電元工業株式会社 | Planar transformer and DC-DC converter |
-
2022
- 2022-06-27 ES ES202230571A patent/ES2934619A1/en active Pending
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2934619A9 (en) | 2023-09-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2934619 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20230223 |
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Effective date: 20240209 |