CN106797175A - 自适应交流电交换机 - Google Patents

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Abstract

一种自适应交流电交换机，由标称为220VAC和50Hz的可变电网输入电力产生稳定的120VAC 60Hz电力。所述交换机包括交流‑直流电路级，其联接用于接收所述输入交流电电流，并产生VDC输出，以及直流‑交流电路级，其用于产生负载所用的电力。所述交流‑直流级包括电磁干扰滤波器和浪涌保护电路、50Hz整流器和由PFC控制器控制的功率因数校正(PFC)电路，用于获得通过大容量电容器叠柱联接到公用连接的400VDC输出，以便产生200VDC电压节点。所述200VDC和400VDC电压联接到所述直流‑交流电路，其包括脉冲宽度调制器；电流负载限制器；具有电容器、双电感器和电感器旁路继电器的LC滤波器；以及负载断开继电器(全部由交流桥控制器控制)。

Description

自适应交流电交换机
背景技术
1.发明领域：一种电力转换，更具体地，一种交流电交换机，其可以适应于来自电网源的可变电压和频率特性，并且产生稳定的功率输出，所述稳定的功率输出可以用于对设计为在输出功率下工作的普通家用电器供电。
2.相关申请：本申请要求于2015年2月18日申请的编号为62/1 17,615的美国临时申请的优先权。本申请还要求于2015年5月27日申请的编号为14/723,108的美国实用申请的优先权。
3.一般背景和现有技术：许多电器，例如洗衣机、烘干机、洗碗机等需要一般稳定的电源，在美国，电源是120VAC、60Hz的电力。这至少部分是由于设备的定时机构取决于用于控制设备的电力的频率。例如，设备将检测电力的频率，并将该频率用作“时钟”信号，将针对其设置各种自动操作的排序和持续时间。因此，如果电力是50Hz等不同的频率，则在60Hz电力下工作的设备将不能正常工作。其他设备功能(例如，驱动电机)也需要60Hz输出。当源电力为60Hz时，制造为在50Hz下工作的设备也是如此。
编号为5,267,134的美国专利中，描述了220VAC、50Hz中的电力转换。但是，该专利没有考虑典型国际电源的可变频率和电压的现实，特别是从不可预测变化的电源接受电力的需要，例如，在220VAC标称特性附近。在这种情况下，电压可以从180VAC变为高达300VAC。因此，消费者应用中的适配器必须能够适应输入电力并产生以最小的正弦波失真和谐波调节电压，并受到浪涌保护的输出电力。
同样已发现，适用于消费者应用的转换器必须保持常规电力能力(大约15安培)，但同时又
要满足除常规方法外的几个经常冲突的要求。例如，适配器必须紧凑，以便能够在物理上适合消费者可用的有限空间。传统的转换器本质上大且笨重，不适合于消费者应用。此外，消费者环境受到水分(湿气)、灰尘、棉绒、衣物等的污染，可能严重降低适配器电子器件的性能，尤其是在紧凑环境中。因此，适配器电子器件必须密封，以防止这些污染物和阻塞物品。这种密封无法使用内部风扇进行冷却，而这是冷却转换器的常规方法。因此，必须设计出能力足够的被动传导冷却。适配器还必须为轻质，优选地，不超过十至十二磅。传统转换器包括沉重的电感器和变压器以及其他部件，导致转换器重量高达50-60磅或以上。在许多环境中，常规转换器必须在高环境温度条件下可靠地工作，从而需要有噪音、稳固的主动冷却系统。
这种方法与消费者适配器的要求不相容，尤其是其中，这种适配器位于封闭或密封环境中，其冷却受被动冷却依赖性的限制。因此，按照设想，新颖的电路和部件选择可将电路效率从约87％提高到93％或以上，从而将发热减少到被动散热方法在保持输出电力的同时足以散热的程度。
因此，需要一种紧凑、轻质且强大的自适应交流电交换机，其可用于消费者环境中，将接受可从电力公用电网获得的不可预测的可变交流电，并且将该电力调节为在稳定、可预测的水平下提供交流电，例如，美国普通家用电器使用的120VAC、60Hz。此外，需要提供一种提供15安培电力的转换器，这是全世界大多数家用电路的通用电流标准。在许多国家中的电力可变性可包括无电可用时的延长的时间段。恢复电源可能会导致电源浪涌，从而损坏任何连接的设备。因此，任何转换器都应该能够在断电后恢复供电时在短时间内接受大浪涌电流，而不会损坏转换器电路，同时还能保护连接的设备免受此电涌的影响。此外，因为电压可以在短时间内从低至180VAC变化到高达280VAC，或者甚至高达300VAC，所以任何转换器的电路应当能够用作电压调节器，以确保电压输出基本维持在约120VAC。
还需要一种合适的转换器，其能够通过密封包含转换器电子器件的壳体在不利的环境中可靠地运行，所述环境可包括灰尘或湿气。这也表示除去了包括内部冷却风扇的所有内部移动部件，并且在不使用主动冷却(例如，在封闭的转换器电路壳体中的风扇)的情况下散热。
在所描述的消费者环境和应用中使用常规电子器件，会出现导致低效率的其他问题。例如，空载功率损耗可导致显著的性能效率低下。具体来说，当交流输入电力为220V时，VDC约为400VDC。但是，用于120VAC输出的适用VDC仅为200VDC。提供400VDC将在电路电感器和电容器上产生高循环电流，这将产生开关损耗和传导损耗。高空载损耗对于家庭应用是严重的能量损耗，因为在大多数时候，负载水平可能非常低。降低能量损耗还将减少产生的热量，因此需要被动，而不是主动散热。
第二个问题是当负载水平高时的高功率损耗。具体地，A-D转换器的输出处的高VDC对于IG-BT和MOSFET需要更高的额定电压，且对于某些电感器部件需要更高的电感值。较高电压的IGBT和MOSFET在高电流(高负载)应用中可导致传导和开关损耗。高电感电感器还具有高电阻，导致高负载应用中的高功率损耗。
第三个问题涉及高浪涌电流负载，当附接高负载设备(例如冰箱、空调、真空吸尘器等)时，可能出现这种负载。在这种应用中，作为对高浪涌电流的反应，电感器上的峰值电流将导致电感器饱和，这又导致电感的损失，使得电路易受损坏。
第四个问题涉及在高直流电压通过转换器到达输出的异常情况下可能发生的损坏，这可能对连接的设备(负载)本身造成损坏。
发明内容
一种自适应交流电交换机，所述交换机位于电网上的电源和家用电器等的负载之间，用于将来自所述电网源的输入交流电转换为所述负载的输出交流电。所述自适应交流电交换机包括输入电磁干扰滤波器，其接收所述输入交流电，并滤除由所述自适应交流电交换机内部产生的高频噪声。所述电磁干扰滤波器还包括浪涌电流控制电路，其用于在最初施加所述输入交流电时限制所述输入交流电电流的振幅。所述浪涌控制电路对来自PFC控制器的浪涌控制信号作出反应，从而发挥作用。整流器(大约处于所述输入交流电的频率)联接到所述输入电磁干扰滤波器，用于产生整流输入电力，其特征在于整流输入电流波形和整流输入电压波形。所述整流器还产生用于所述PFC控制器的整流线电压信号。
联接了功率因数校正电路，用于接收来自所述整流器的整流输入电力，和来自所述PFC控制器的所述PFC控制信号，以便修正所述整流输入电力，使得所述整流输入电流的所述波形遵循所述整流输入电压的所述波形，以提供大约为一的功率因数。所述功率因数校正电路然后产生第一直流电压，其在一项实施例中为400VDC。多个电容器串联连接在所述第一输出直流电压和公用连接之间，以产生居于所述第一直流电压输出和地面之间的第二输出直流电压，在400VDC实施例中，所述第二输出直流电压为200VDC。偏置和平衡电压电路联接到所述多个电容器，用于保持所述第一直流电压和所述公用连接之间的所述第二直流电压的所述居间关系。
联接了交流输出桥(逆变器)，以便接收所述第一和第二直流电压。所述交流输出桥包括：脉冲宽度调制电路，用于产生具有相对于所述第二直流电压的零电压交叉的输出交流电；负载电流限制电路，其联接用于接收所述输出交流电，将所述周期至周期频率限制在所述脉冲宽度调制电路的所述开关频率，并产生负载电流限制信号；输出LC滤波器，其具有两个电感器和联接到负载电流输出交流电的电容器(以下称为“双电感器LC滤波器”)，其包括第一电感器和第二电感器，所述电感器与旁路继电器(联接到所述并联第一和第二电感器)并联联接，用于在施加到负载的所述负载限制交流电流低于预定水平时，对LC滤波器旁路控制信号作出反应，使所述第二电感器去耦；以及负载断开继电器，用于对负载断开控制信号作出反应，将所述负载限制输出交流电从所述负载断开。在一项实施例中，所述交流输出桥产生120VAC、60Hz交流输出电力。所述负载断开继电器为插入的设备提供浪涌保护。
关于当输出交流桥以高于120VAC输出要求的电压偏置时的上述开关损耗和纹波电流，如果使用不必要的高电压来偏置所述逆变器(例如，来自PFC电路的400VDC)以产生120VAC输出，在所述逆变器滤波器的所述电感器和电容器中的所述纹波电流增加，导致传导损耗。较高的电压也会增加开关损耗。
因此，在示例性自适应交流电交换机中，提供更适合于120VAC输出的交流输出桥(逆变器)的电源偏置电压(有效+/-200VDC)。这通过在所述PFC电路输出处的堆叠(串联)电容器配置来实现。通过用作所述输出交流波形“零”交叉电压的所述电容器叠柱的中压(200VDC参考所述公用连接)，所述桥在所述输出的正半周有效地偏置为+200VDC(400VDC参考+200VDC中压)，而在所述输出的负半周为-200VDC(参考所述中压和地面之间)。因此，在不使用更复杂和更昂贵电路的情况下，所述逆变器通过较低和更理想的电压电平偏置，以提高所述逆变器的效率。
关于所述逆变器的所述输出滤波器的所述两个电感器，在轻负载下，使用较高值的电感来减小所述纹波电流。但是，在所述额定输出电流下工作的这种更高值的电感必然需要非常巨大和沉重的电感器。因此，所述电感器旁路继电器接通具有较高电流容量的较低值电感器，以增加包括所述输出滤波器的所述并联电感器的总电流容量。这种具有所述旁路继电器的并联电感器布置的显着益处是启动一些设备的高浪涌电流将不会超过所述输出电感器的容量。没有这种布置，所述电感器将饱和，导致非常高的峰值电流(其不会流向负载，而是在内部循环)，这将造成所述逆变器的灾难性故障。因为无法预测消费者将尝试将什么连接到所述逆变器输出，所以所述并联电感器/旁路继电器布置通过增加所述电感器电流的容量而在最大程度上减小这种故障的风险，并且不过度增加所述输出滤波器电感器的尺寸。
交流输出电磁干扰滤波器联接到所述交流输出桥的所述负载断开继电器，用于从所述交流输出电力中过滤高频噪声。到所述交流输出电磁干扰滤波器的输入还产生电压感测信号，其联接到所述交流桥控制器，所述交流桥控制器是所述交流输出桥电路的一部分。交流桥控制器联接用于接收所述电压感测信号和所述负载电流限制信号，并产生负载断开控制信号(用于开启和关闭所述负载断开继电器)、LC滤波器旁路控制信号(用于开启和关闭所述输出旁路继电器)以及至少一个调制控制信号(用于控制所述脉冲宽度调制电路的调制)。
在一项实施例中，所述功率因数校正电路可配置为双向，以使所述自适应交流电交换机能够从通过光伏阵列接口联接到所述功率因数校正电路的所述第一直流输出电容器的光伏阵列接收直流电。修改的配置取代了具有MOSFET的所述功率因数校正电路的相位A和相位B电路中的升压二极管，具有MOSFET的所述输入整流器桥以及在所述PFC控制器中编程的控制算法经修改以实现双向运行，来自所述光伏阵列的电力可导向所述负载，或者导向所述电网或两者。
另一方面是结合功率因数校正，或者在光伏阵列实施例的中结合双向功率因数校正，其使得电流波形跟随所述交流输入电压波形，以便实现大约为一的功率因数。功率因数校正通过向所述自适应交流电交换机供电(电网中的配电损耗降低)而对所述电网产生积极影响，这有效地增加了所述电网的容量。此外，由所述自适应交流电交换机供电的任何设备将反映/获取从所述电网观察到的自适应交流电交换机的近似单位功率因数，或者在另一个角度上，其将充当谐波滤波器，消除由所述电网上的谐波降低所引起的效率低下和损耗。这对于许多公用设施供应商是非常重要的，其中，法规要求设备设计为具有较高的功率因数校正，以防止电网功率损耗，并尽可能提高有效功率的传送。使用这种自适应交流电交换机可满足北美以外的许多公用设施供应商的要求。换言之，不符合北美以外国家的功率因数校正监管要求的电器将在电网中进行功率因数校正，因此在通过所述自适应交流电交换机供电时为兼容。
在另一实施例中，所述自适应交流电交换机可配置为双向，使得其可以从附接的光伏面板接收太阳能，并且向插入所述自适应交流电交换机中的设备提供所需的全部或一些电力，或者在没有向插入的设备提供电力，或所述太阳能面板正产生比所述自适应交流电交换机所需更多的电力时，可产生并向所述电网提供电力(卖给电力公司的电力)。
在另一项实施例中，所述自适应交流电交换机可包括信息管理能力，所述信息管理能力可包括远程通信能力。具体地，因为所述电力自适应交流电交换机连接在所述负载(例如设备)和所述电网之间，所以可以获得电力使用、设备运行成本、使用时间等其他信息，并通过蓝牙、Wi-Fi或其他通信工具传输到智能手机等远程接收器，从而使消费者能够远程监控所连接设备的运行和性能。消费者然后可以设计方案，以在某些时间利用所述电器，从而节省能源成本。在另一实施例中，所述电力和系统监控器可联接到所述交流输出控制器，使得用户可以修改所述交流输出控制器程序，或校正固件错误，从而远程更改所述自适应交流电交换机的功能。
通过以下结合附图考虑的详细说明，这些以及其他特征将变得显而易见。
附图说明
图1是展示自适应交流电交换机的框图；
图2是展示具有电力监控器、Wi-Fi和太阳能输入的自适应交流电交换机的框图；
图3-5是图1的框图中所示的自适应交流电交换机的详细电气示意图；
图3A-3C是图3的电路经修改，以使其成为双向的运行详细描述。
图6是图2所示的自适应交流电交换机的物理壳体的示意图，展示了Wi-Fi通信和太阳能特征；
图7是自适应交流电交换机的内部结构图示，展示了散发热量的散热器和发热电路部件的散热布置。
具体实施方式
参考图1并结合图3-5所示的具体电路实施例，自适应交流电交换机系统100联接在交流电源102和负载180(例如，家用电器)之间。交流电源102可以是到公用电网的连接，在以下所示的实施例中，通常将提供220VAC、50Hz的店里，但是电力可以随时间在频率和电压两者上有所变化。例如，电压可以在180VAC到280VAC之间变化，频率可以在40-60Hz之间变化。此外，由公用设施提供的电网上的交流电可为间断性。
负载180通常是具有电机、伺服机，以及用于控制电机和伺服机的顺序和定时的定时电路的设备。驱动那些设备的电力必须基本上稳定，在所示实施例中，将是120VAC、60Hz。因此，自适应交流电交换机必须能够接受具有可变电力特性的电力，将该电力转换成与家用电器(例如，真空吸尘器、冰箱、洗衣机、烘干机等)的要求相兼容的稳定输出电力，并且能够在断电和电力恢复时的浪涌环境中运行。
自适应交流电交换机包括输入交流-直流电力级104，其包括交流输入电磁干扰滤波器106，用于对由自适应交流电交换机100产生的高频噪声进行滤波，防止该噪声被反射回电网。输入电磁干扰滤波器106包括浪涌控制继电器108，用于限制流入交流-直流电力级104中的50Hz交流桥(整流器)和滤波器114的输入交流电103的幅度。当最初施加输入交流电103时，浪涌控制继电器108开启，而在电容器和存储电力的其他部件已经有时间充分充电时，则对浪涌控制信号110作出反应而关闭。这确保在施加或恢复供电后，在初始充电时间内产生的有害电力尖峰和浪涌不会损害其他电路部件。因此，浪涌控制继电器108用作自适应交流电交换机100的浪涌保护器。浪涌控制继电器108由来自PFC控制器112的浪涌控制信号110控制，PFC控制器包括微处理器，其编程为根据预选标准控制交流-直流电力级104的运行。PFC控制器112可以(例如)是Texas Instrument UCC28070A控制器，其根据TexasInstrument针对该控制器发布的应用注释互连和编程。
作为整流器电路114的50Hz交流桥和滤波器产生用于功率因数校正(PFC)电路116的220VAC整流电力118。整流电力118的特征在于整流输入电流波形和整流输入电压波形。整流器电路114还产生整流线电压信号120，其作为输入联接到PFC控制器电路112。PFC电路可以多种拓扑结构中的任意拓扑结构为特征。但是，在所示的示例性实施例中，PFC电路116包括PFC相位A电路122和PFC相位B电路124，其各自从整流器电路114接收整流电力118。
PFC控制器112接收整流线电压信号120，并产生联接到PFC相位A电路的第一控制信号123，以及联接到PFC相位B电路的第二控制信号125，以便控制整流输入电力118，使得整流输入电流波形遵循整流输入电压波形。具体地，相位A和相位B电路122和124在PFC控制器112的控制下受到脉冲宽度调制，使得流过电感器(参见图3，分别为电感器302和304)的平均电流具有遵循交流输入电压波形的电流波形。结果是输入功率因数大约为一，其表示从电网到自适应交流电交换机100的最大电力传递效率。在图1至5中所示的电路中的功率因数校正电路116的VDC输出130为400VDC。
VDC输出130联接到在VDC输出130和公用连接点133之间串联互连的大容量电容器132，以提供与VDC输出130的电压相同的第一VDC输出134和第二VDC输出136，其介于公用连接和第一VDC输出130之间，更优选地，具有VDC 134和公用连接之间电压一半的电压电势，以便如上所述，为逆变器限定偏置零电压。对于产生具有与消费者设备负载的要求兼容的稳定电压和频率特性的输出电力，重要的是使第二VDC输出电压尽可能保持接近公用连接电压和第一VDC电压130之间电压的一半。例如，如果在所公开的实施例中的第一VDC电压为400VDC，其在短时间内降低到360VDC，则第二VDC电压也必须从200VDC降低到180VDC。为了将第二VDC输出136的电压维持在公用连接电压和第一VDC输出134之间的中间点，偏置电压和伴随体电压平衡电路138产生平衡电流139，该电流联接到大容量电容器132。图4展示了代表性的偏置电压和体电压平衡电路118，其中，电路119的平衡部分包括自振荡桥驱动器402，其可以是Fairchild FAN7387驱动器，但也可以是由其他许多制造商生产的其他类似的桥驱动器。当图3中的电容器312和314(统称为大容量电容器132)不处于相同电压下时，平衡电路119创建路径，并允许+1/22VDC能量132和-1/2VDC能量136彼此转移，从而平衡输出电压134和136。
回到图1，第一VDC输出134和第二VDC输出136联接到直流-交流级140，该直流-交流级包括60Hz交流桥逆变器(脉冲宽度调制)电路142，其将第一VDC输出电压134(400VDC)转换为具有400伏的幅度和(例如)20kHz频率的脉动电压。以这样的方式调制脉冲的宽度，以便在通过输出滤波器148之后产生200VDC的直流电压加120VAC、60Hz的正弦波。输出滤波器148对来自调制输出144的开关频率的谐波进行滤波，以提供平滑的60Hz输出。
更具体地，调制交流输出144联接到负载电流限制电路146，该电路测量调制交流输出144的电流，并且生成负载电流限制信号156，其联接到交流桥控制器158。负载电流限制146的输出150联接到输出双电感LC滤波器148。
参考图5，输出双电感LC滤波器148包括与旁路继电器152并联联接的两个电感器504和506，用于(例如)对旁路控制信号154作出反应而去耦电感器506。交流桥控制器158对来自负载电流限制电路和交流输出电磁干扰滤波器171的输入信号作出反应，产生旁路控制信号154，以使自适应交流电交换机100的耗散功率减少，从而以前述的更大功率效率运行。
回到图1，输出双电感LC滤波器148生成经滤波和限制的VAC输出167，其联接到负载断开继电器168。只要交流桥控制器158感测到故障(即不可接受或有害的频率、电流或电压)，负载断开继电器168就使自适应交流电交换机100与负载180断开。如果没有感测到故障，则将在断开继电器168的输出处经滤波和限制的VAC电力170提供给交流输出电磁干扰滤波器171，其对VAC输出170上的任何高频噪声进行滤波。这种噪声在内部由自适应交流电交换机100的开关电路产生，并且应当从实际提供给负载180的电力中消除。此外，交流输出电磁干扰滤波器171产生交流电压信号172，其联接到交流桥控制器158。
交流桥控制器158是微处理器，其经编程以接收由负载电流限制电路146产生的负载电流限制信号156，以及来自交流输出电磁干扰滤波器171的交流电压信号172，并且生成第一逆变器控制信号161和第二逆变器控制信号159(分别用于第一驱动器162和第二驱动器160，其控制交流桥(逆变器)电路142的运行)；旁路控制信号154，用于控制开启和关闭电感器旁路继电器152；以及负载断开继电器控制信号166，用于控制负载断开继电器168。
再次参考图5，在一项实施例中，交流桥142具有半桥拓扑结构，其在联接到输出双电感LC滤波器148时可实现非常低水平的空载损耗和较高的效率(例如，与全桥拓扑结构相比)。电感器旁路继电器152开启以断开电感器506，从而在负载水平低时增加有效电感，并且降低由于电感器纹波电流所引起的功率损耗。
在运行中，交流桥控制器158编程为在所选择的时间和条件下产生控制信号，以便在最大程度上减小使功率损耗，并且在所示的实施例中产生稳定的120VAC、60Hz电力输出182，用于运行各种设备(例如，负载180)，无论交流电102的电压和频率如何。
参考图2，双向自适应交流电交换机200另外包括电力和系统监控器288、收发器286(例如，Wi-Fi或蓝牙)和联接到外部光伏阵列284的光伏(PV)阵列接口283，以及下文将描述的双向功率因数校正电路216。如图1的实施例所示，双向自适应交流电交换机联接用于从输入交流电源202(例如，具有可变220VAC、50Hz电力特征)接收电力；包括浪涌控制继电器208的交流输入电磁干扰滤波器206；交流-直流整流器114；偏置电压和体电压平衡电路238；包括脉冲宽度调制器242、驱动器260和262、负载电流限制246、输出双电感LC滤波器248、电感器旁路继电器252、负载断开继电器268和交流桥控制器258的交流输出桥(逆变器)和滤波电路240；以及交流输出电磁干扰滤波器264与图1中描述的自适应交流电交换机电路100的对应部分基本相同，并且参考并入图2中的这些元件的先前描述。与图1的实施例一样，交流输入和电磁干扰滤波器206可防止内部开关噪声传导回电网和输入交流电源202。
为了使用来自光伏阵列284的电力接收和运行电器，整流器214和功率因数校正电路216必须从图1和图3-5中描述和展示的模拟电路修改为双向，以使光伏阵列产生未被连接的设备(负载)280使用的电力时，将来自光伏阵列284的直流电将提供给电网202。或者，当连接一个或多个设备时，通过光伏阵列接口283提供的光伏阵列电力用于供应负载280的所有或部分电力要求。当为负载280供电所需的电力大于可由光伏阵列284提供的电力时，来自电网的电力将用于补充由光伏阵列接口283供应的电力。通过将桥二极管306(图3)替换为所示50Hz交流整流器中的MOSFET来实现双向电力流。
双向功率因数校正电路216配置为向交流输出桥(60Hz逆变器负载)和滤波器240供电，或者将通过光伏阵列接口283接收的来自光伏阵列284的电力传送到电网202。为了在双向功率因数校正电路中实现这种双向电力流，相位A和相位B电路322和324(图5)中的升压二极管分别由MOSFET所替代，并且在PFC控制器212中编程的控制算法经修改以提供对线电压信号作出反应的控制信号223和225，该线电压信号表示是否从输入交流电源202处的电网提供电力。
为进行说明，图3A是图3所示的单向PFC电路的简化示意图。实线箭头表示220VAC源的正半周电流流动，虚线箭头表示220VAC源的负半周电流流动。如图所示，电流仅通过二极管306从阳极流向阴极。电力流也从220VAC流到逆变器负载340。电感器342中的平均电流遵循220VAC输入的电压波形。通过MOSFET 344和二极管346的电流经过脉冲宽度调制，以便在电感器342中产生平均电流波形。
图3B展示了当太阳能电池阵列如图所示连接时，使上述单向PFC电路变为双向所需的更改。如上所述，二极管306(图3A)由n通道MOSFET 356所替代。在该图示中，光伏阵列284不提供任何电力。对于从220VAC输入流向逆变器负载340的电力流，电流以与流过图3A中的二极管306相同的方式流过MOSFET 356的体二极管。由于功率效率的原因，理想但非必要的是，在220VAC源的正半周期间一起接通MOSFET 358和360，并且在220VAC源的负半周期间接通MOSFET 362和364。MOSFET 366和368以与图3A中相同的方式，作为同步升压发挥作用，并且由控制器212(图2)调制，以便在电感器342中产生遵从220VAC源的波形的平均电流波形。
图3C展示了当电力流从太阳能电池阵列流到220VAC的源时，来自光伏阵列284的电流供应到电网，该电网是输入220VAC的源。在该示例中，光伏阵列284产生多余的电力，其供应到400V总线370。实线箭头表示在正半周期间流向电网的电流，虚线箭头示出在负半周期间流向电网的电流。如果来自光伏阵列284的电力超过负载340的电力要求，则多余的电力将传送到220VAC源。在这种情况下，MOSFET 366和368作为同步降压发挥作用，并且经调制以维持同样遵从220VAC源波形的电流波形。因为MOSFET交流桥356中的电流现在以与图3B所示的方向(从漏极到源极)相反的方向流动，所以在220VAC源的正半周期间，MOSFET358和360一起接通，而在220VAC源的负半周期间，MOSFET 362和364一起接通。
电力流的转变由400VDC总线370的电力幅度控制。在电力从220VAC源流到负载340的正常运行期间，PFC的400VDC总线输出由控制器调节，以保持400VDC。如果足够的电力从太光伏阵列284注入到400VDC总线370上，则如果负载小于太阳能电池阵列的容量，电压将增加到高于400VDC。PFC的拓扑结构现在更改为如图3C所示，以通过将多余的电力送回220VAC源来降低400VDC总线上的过电压。PFC保持在调节400VDC总线的这种模式中，直到负载增加到光伏阵列284的容量之上，使得400VDC总线370上的电压降低到正常的400VDC以下，此时，该拓扑结构转换回正常的220VAC源以负载电力流，如图3B所示。
当交流输出电力282从交流输出电磁干扰滤波器传递到负载280时，PFC控制器212确保输入电流波形遵从输入电压(电网)波形，如前所述。该双向功率因数校正拓扑结构利用超出相位180度的相位A电路222和相位B电路224，从而有效地使开关频率加倍。使用相位A和相位B电路还减小了升压电感器302和304，相关联的升压MOSFET 307和308以及升压二极管322、324的尺寸，以便分割相位A和相位B电路之间的功率耗散。大容量电容器132串联配置以形成分压器，在一项实施例中，分压器在各电容器分段上产生200VDC，共计400VDC。200VDC节点用作交流输出桥的参考电压。
在包括光伏阵列284和常规光伏阵列接口283的实施例中，接口283包括控制功能(例如，自动调节从光伏阵列获取的电量)。这通常由测量光伏阵列的可变电流和电压的微控制器(或DSP)(未示出)完成，然后调节从光伏阵列获取的电流量，以使太阳能电池阵列尽可能多地吸收电力，同时保持来自双向功率因数校正电路216的400VDC输出。光伏阵列接口始终处于活动状态。由于可从阵列获得的电力随可用的阳光而变化，PFC控制器212能够通过从电网获取电力，或者使来自光伏阵列的多余电力导回电网来补充交流输出桥(逆变器)和滤波器240所需的电力。
电力和系统监控器288联接用于接收指示来自电源202的输入交流电的信号，以接收指示来自交流输出电磁干扰滤波器264的输出电力282的信号，以及来自光伏阵列接口283的电力输出信号。监控器还联接到PFC控制器212和交流桥控制器258，用于接收(例如)关于电力输出和控制参数的信息。
除了跟踪和控制自适应交流电交换机200中的电力流之外，监控器288可以联接到Wi-Fi收发器286等收发器，以便将信息(例如，输入和输出功率电平、工作时间、设备负载的能耗、内部温度、电力成本以及任何其他所需和可用的参数)发送到智能手机等远程接收器(未示出)。
可以将自适应交流电交换机200上和用户智能手机上的警报结合，以便在出现过度的内部温度、过度的输入或输出电力、电力成本节省量和其他类似参数的报告时给出信息。此外，智能手机或其他远程控制器可以用于改变或以其他方式选择性访问性能测量，其可以是交流桥控制器258的编程功能。此外，新功能或错误校正可以在交流桥控制器258的微控制器中重新编程。
接下来参考图6，其为自适应交流电交换机600的图示，展示了壳体602，该壳体优选地进行封闭，以防止灰尘和其他污染物进入壳体的内部，从而在最大程度上减小由这种污染物所造成的性能退化风险。壳体602还保护电子电路免于受到无意覆盖或与衣物等家用物品接触(这也可能会降低性能)。壳体602可以通过附接机构(未示出)附接到设备附近的壁，或者可以是独立式。电力交换机包括交流输入插头604，用于将电力交换机600电连接到本地供电电网(例如，图1和图2所示的公用设施供应的220VAC、50Hz电力)。在双向实施例中，提供直流输入610，用于联接到光伏阵列284(图2)等光伏阵列，以便接收由光伏阵列产生的直流电。还包括设备插头接收器606，用于提供输出120VAC、60Hz电力，以便运行制造为在120VAC、60Hz电力下工作的洗衣机、吸尘器或电冰箱等设备。
如上所述，自适应交流电交换机600可以包括使用Wi-Fi或蓝牙应答器(在608处的壳体上示出)的智能电网连接，用于收集瞬时电力使用、温度、平均电力使用和所用电力的货币价值计算等性能信息，然后将该信息传送到智能手机或家用电脑(未示出)等远程接收器。以这种方式，用户可以跟踪和评估装置以及插入设备的性能。
参考图7，其为自适应交流电交换机的物理布置的照片图示，展示了各种电力部件(例如，发热电感器702以及其他发热电路部件)。由于这些部件产生的热量被封闭，或产生了超过被动散热能力的热量，因此这些部件以散热关系联接到散热器706等散热结构。为了补充散热，还可以添加一个或多个外部固定的风扇708。因此，当电力交换机产生的热量无法由散热器706被动散热，并将内部温度保持在所需值时，可以由温度传感器产生信号，以开启朝向散热器的风扇，从而提供额外的冷却。散热器706可以在尺寸上增大或减小，并且在这样做时，自适应交流电交换机的额定功率输出将增加或减小。
虽然本申请描述了示例性实施例，但是其他实施例对于本领域技术人员将显而易见。例如，尽管已经描述了50Hz的约220VAC的输入电力和60Hz的120VAC的输出电力的应用，60Hz的120VAC输入电力和50Hz的220VAC的输出电力适应同样可行。

Claims (30)

1.一种自适应交流电交换机，用于为负载接收来自提供输出交流电(与所述输入交流电不同)的电源的输入交流电，其包括：
输入电磁干扰滤波器，其联接用于接收所述输入交流电，以滤除由所述自适应交流电交换机内部产生的高频噪声；
浪涌电流控制电路，其联接用于接收所述输入交流电，以便在所述输入交流电最初施加到所述自适应交流电交换机时，对浪涌控制信号作出反应，限制所述输入交流电电流的幅度。
交流整流器，其联接到所述输入电磁干扰滤波器，用于产生整流输入电力，其特征在于整流输入电流波形和整流输入电压波形，以及整流线电压信号；
PFC控制器，其联接用于从所述整流器接收所述整流线电压信号，并且还联接用于产生所述浪涌控制信号和至少一个PFC控制信号；
功率因数校正电路，其联接用于接收所述整流输入电力和所述至少一个PFC控制信号，并且修正所述整流输入电力，使得所述整流输入电流的所述波形遵循所述整流输入电压的所述波形，并产生第一直流电压输出；
多个电容器，串联连接在所述第一直流电压和公用连接电压之间，以产生居于所述第一直流电压输出和所述公用连接电压之间的第二直流电压；平衡电压电路，其联接到所述多个电容器，用于保持所述第一直流电压和所述公用连接电压之间的所述第二直流电压的所述居间关系，
交流输出桥，其联接用于接收所述第一和第二直流电压，包括：
脉冲宽度调制电路，用于产生具有大约为所述第二直流电压值的平均输出交流电，
负载电流限制电路，其联接用于接收所述平均输出交流电，并将所述周期至周期电流限制在所述脉冲宽度调制电路的所述开关频率，并产生负载电流输出交流电和负载电流限制信号，
输出双电感器LC滤波器，其联接用于从所述负载电流限制电路接收所述负载电流输出交流电，并且具有并联联接的第一电感器和第二电感器，以及联接到所述并联第一和第二电感器的旁路继电器，其用于在施加到负载的所述负载限制交流电流低于预定水平时，对LC滤波器旁路控制信号作出反应，使所述第二电感器去耦，以及
负载断开继电器，用于对负载断开控制信号作出反应，将所述负载限制输出交流电与所述负载断开；以及
所述交流输出桥进一步包括交流桥控制器，其联接用于接收至少一个所述负载电流限制信号，所述交流桥控制器经编程以产生所述负载断开控制信号(用于开启和关闭所述负载断开继电器)、LC滤波器旁路控制信号(用于开启和关闭所述输出旁路继电器)以及至少一个调制控制信号(联接至所述脉冲宽度调制电路)。
2.根据权利要求1所述的自适应交流电交换机，进一步包括：
输入电磁干扰滤波器，其联接用于接收所述输入交流电，以滤除由所述自适应交流电交换机内部产生的高频噪声；以及
交流输出电磁干扰滤波器，其联接到所述负载断开继电器，用于从所述输出交流电中滤除高频噪声，并产生电压感测信号。
3.根据权利要求1所述的自适应交流电交换机，进一步包括监控处理器，其联接到所述交流输入电力和所述交流输出电力，用于接收交流输入电力信息和交流输出电力信息，并且还联接到所述PFC控制器，用于获取表示所述自适应交流电交换机性能的信息。
4.根据权利要求3所述的自适应交流电交换机，进一步包括通信工具，其联接到所述监控处理器，用于将所述性能信息传送到远程位置。
5.根据权利要求1所述的自适应交流电交换机，其中，所述输入电磁干扰滤波器、所述浪涌电流控制电路、所述整流器、所述功率因数校正电路、所述PFC控制器、所述多个串联连接的电容器、所述偏置和平衡电压电路、所述交流输出桥和包括所述交流电交换机电子电路的所述交流输出电磁干扰滤波器中的至少一个包括多个发热部件，所述自适应交流电交换机进一步包括：
壳体，其包括电子电路安装底座，所述底座具有顶侧和与所述顶侧相对的底侧，所述自适应交流电交换机电路的至少一些发热部件安装到所述安装底座的所述顶侧，
散热器，其选择为散发由所述发热部件所产生的热量，所述散热器附接到所述安装基座的所述底侧，所述发热部件安装为与所述散热器具有热传递关系。
6.根据权利要求5所述的自适应交流电交换机，进一步包括：
风扇，其固定在所述壳体外部，靠近所述散热器，用于在所述风扇开启时增强来自所述散热器的热量的散逸；
温度传感器，其联接用于感测所述发热部件的温度，并在所述热量超过预定温度时开启所述风扇。
7.根据权利要求5所述的自适应交流电交换机，其中，所述散热器选择为耗散足够的热量，以使所述自适应交流电交换机能够在全额定功率下工作。
8.根据权利要求5所述的自适应交流电交换机，其中所述壳体配置为在所述自适应交流电交换机的工作期间密封所述自适应交流电交换机电路，使之免于接触所述壳体外部的环境污染物，以防止污染物降低所述自适应交流电交换机的工作效率。
9.根据权利要求1所述的自适应交流电交换机，进一步包括直流电输入，其用于接收由光伏阵列产生的直流电，并向所述负载供电。
10.根据权利要求1所述的自适应交流电交换机，其中，所述输入交流电在50Hz下约为220VAC，所述输出交流电在60Hz下约为120VAC。
11.根据权利要求1所述的自适应交流电交换机，其中，所述输入交流电在60Hz下约为120VAC，所述输出交流电在50Hz下约为220VAC。
12.一种自适应交流电交换机，其固定在电源和负载之间，用于将来所述自电源的输入交流电转换为用于所述负载的输出交流电，并且还用于通过光伏阵列接口从光伏阵列接收直流电，以便选择性地向所述负载、所述电源，或所述电源与所述负载两者供电，包括：
浪涌电流控制电路，其对浪涌控制信号作出反应，所述浪涌电流控制电路联接到所述输入交流电，用于在所述输入交流电最初施加到所述自适应交流电交换机时，限制所述输入交流电电流的幅度；
整流器，其联接到所述输入交流电，用于产生整流输入电力，其特征在于整流输入电流波形和整流输入电压波形，以及整流线电压信号；
PFC控制器，其联接用于接收整流线电压信号，并且还联接用于产生所述浪涌控制信号和至少一个PFC控制信号；双向功率因数校正电路，其联接用于接收所述整流输入电力和所述至少一个PFC控制信号，并且修正所述整流输入电力，使得所述整流输入电流的所述波形遵循所述整流输入电压的所述波形，并提供第一直流电压输出，而且还联接用于从光伏阵列接收直流电，并由此选择性地向所述负载供电，或向所述电源供电，或向所述负载和所述电源两者供电；
多个电容器，其串联连接在所述第一直流电压输出和地面之间，以产生居于所述第一直流电压输出和公用连接电压之间的第二直流电压；
平衡电压电路，其联接到所述多个电容器，用于保持所述第一直流电压和所述公用连接之间的所述第二直流电压的所述居间关系；
交流输出桥，其联接用于接收所述第一和第二直流电压，包括：
脉冲宽度调制电路，用于产生参考所述第二直流电压的输出交流电压，
负载电流限制电路，其联接用于接收所述输出交流电，将所述周期至周期频率限制在所述脉冲宽度调制电路的所述开关频率，并产生负载电流限制信号，
输出双电感器LC滤波器，其联接到所述负载电流输出交流电，并且具有并联联接的第一电感器和第二电感器，以及联接到所述并联第一和第二电感器的旁路继电器，其用于在施加到负载的所述负载限制交流电流低于预定水平时，对LC滤波器旁路控制信号作出反应，使所述第二电感器去耦，以及
负载断开继电器，用于对负载断开控制信号作出反应，将所述负载限制输出交流电与所述负载断开；以及
所述交流输出桥进一步包括交流桥控制器，其联接用于接收至少一个所述负载电流限制信号，所述交流桥控制器经编程以产生所述负载断开控制信号(用于开启和关闭所述负载断开继电器)、所述LC滤波器旁路控制信号(用于开启和关闭所述输出旁路继电器)以及至少一个调制控制信号(联接至所述脉冲宽度调制电路)。
13.根据权利要求12所述的自适应交流电交换机，进一步包括：
输入电磁干扰滤波器，其联接用于接收所述输入交流电，用于滤除由所述自适应交流电交换机内部产生的高频噪声；以及
交流输出电磁干扰滤波器，其联接到所述负载断开继电器，用于从所述输出交流电中滤除高频噪声，并产生电压感测信号。
14.根据权利要求12所述的自适应交流电交换机，进一步包括监控处理器，其联接用于接收和处理来自所述交流输入的交流输入电力信息，来自所述交流输出的交流输出电力信息，来自所述光伏阵列接口的光伏阵列接口信息和来自所述PFC控制器的PFC控制器信息，以便获取表示所述自适应交流电交换机性能的性能信息。
15.根据权利要求14所述的自适应交流电交换机，进一步包括信息收发器，其联接到所述监控处理器，用于将所述性能信息传输到远程接收器。
16.根据权利要求15所述的自适应交流电交换机，其中，所述信息收发器联接用于接收来自远程接收器的指令，以便选择性地改变所述自适应交流电交换机的运行。
17.一种自适应交流电交换机，其由来自电源的输入交流电电流产生用于负载的输出交流电电流，包括：
交流-直流电路级，其联接用于接收所述输入交流电电流，包括：50Hz交流整流器，其联接用于产生整流电力，所述整流电力的特征在于整流输入电流波形和整流输入电压波形；
功率因数校正电路，其联接用于接收和修正所述整流输入电力，使得所述整流输入电流的所述波形遵循所述整流输入电压的所述波形，所述功率因数校正电路产生第一VDC输出；以及
多个电容器，其串联联接在所述第一VDC输出和公用连接电压之间，以产生居于所述第一VDC输出和公用连接电压之间的第二VDC输出，限定VDC逆变器偏置电压；以及
直流-交流电路级，包括：
脉冲宽度调制逆变器电路，其联接用于接收所述第一VDC输出和所述VDC逆变器偏置电压，并产生60Hz的平均输出交流电；
负载电流限制电路，其联接用于接收所述平均输出交流电，并将所述周期至周期频率限制在所述脉冲宽度调制逆变器电路的所述开关频率；以及
输出双电感器LC滤波器，其联接到所述平均输出交流电，所述输出双LC滤波器具有并联联接的第一电感器和第二电感器，以及联接到所述并联第一和第二电感器的旁路继电器，其用于对施加到负载的所述输出VAC作出反应，选择性地耦合和去耦所述第二电感器。
18.根据权利要求17所述的自适应交流电交换机，进一步包括：
输入电磁干扰滤波器，其联接在输入交流电的所述源和所述交流整流器之间，用于从所述输入交流电源滤除由所述自适应交流电交换机内部产生的高频噪声。
19.根据权利要求18所述的自适应交流电交换机，进一步包括：
浪涌电流控制电路，其联接到所述输入电磁干扰滤波器，用于在所述输入交流电最初施加到所述自适应交流电交换机时，限制所述输入交流电的幅度。
20.根据权利要求17所述的自适应交流电交换机，其中，所述50Hz交流整流器产生表示所述线电压的整流线电压信号，所述自适应交流电交换机进一步包括：
PFC控制器，其联接用于从所述交流整流器接收所述整流线电压信号，并且还联接用于产生至少一个PFC控制信号，用于控制所述整流输入电力，使得所述整流输入电流的所述波形遵循所述整流输入电压的所述波形。
21.根据权利要求20所述的自适应交流电交换机，其中，所述PFC控制器还对进入所述交流整流器的电流量作出反应，产生所述浪涌控制信号。
22.根据权利要求17所述的自适应交流电交换机，进一步包括平衡电压电路，其联接到所述多个电容器，用于保持所述第一直流电压和所述公用连接电压之间的所述VDC逆变器偏置电压的所述居间关系。
23.根据权利要求17所述的自适应交流电交换机，进一步包括：
负载断开继电器，用于在所述负载获取的电流大于预定量时对负载断开控制信号作出反应，将所述输出交流电从所述负载断开。
24.根据权利要求17所述的自适应交流电交换机，进一步包括交流输出电磁干扰滤波器，其联接在所述负载和所述直流-交流电路之间，用于从所述输出交流电流中滤除高频噪声，并产生表示所述输出交流电流的电压的电压感测信号。
25.根据权利要求24所述的自适应交流电交换机，其中，所述负载电流限制电路产生负载电流限制信号，表示来自所述负载电流限制电路的所述电流，所述自适应交流电交换机进一步包括：
负载断开继电器，用于在所述负载获取的电流大于预定量时对负载断开控制信号作出反应，将所述输出交流电电流从所述负载断开；以及
交流桥控制器，其联接用于接收所述电压感测信号和所述负载电流限制信号，并产生所述负载断开控制信号(用于开启和关闭所述负载断开继电器)、LC滤波器旁路控制信号(用于开启和关闭所述电感器旁路继电器)以及至少一个调制控制信号(联接到所述脉冲宽度调制电路)。
26.根据权利要求17所述的自适应交流电交换机，其中，所述输入交流电约为50Hz，在大约180VAC到280VAC之间可变，而所述输出交流电基本恒定，大约为120VAC和60Hz。
27.根据权利要求17所述的自适应交流电交换机，其中，所述输入交流电为可变，大约为120VAC和60Hz，而所述输出交流电基本恒定，大约为220VAC和50Hz。
28.一种自适应交流电交换机，其由来自电源的输入交流电电流产生用于负载的输出交流电电流，包括：
交流-直流电路级，其联接用于接收所述输入交流电电流，并产生第一VDC输出，以及直流-交流电路级，包括：
脉冲宽度调制逆变器电路，其联接用于接收所述第一VDC输出，并产生60Hz的平均输出交流电；
负载电流限制电路，其联接用于接收所述平均输出交流电，并将所述周期至周期频率限制在所述脉冲宽度调制逆变器电路的所述开关频率；以及
输出双电感器LC滤波器，其联接到所述平均输出交流电，所述输出双LC滤波器具有并联联接的第一电感器和第二电感器，以及联接到所述并联第一和第二电感器的旁路继电器，其用于对施加到负载的所述输出VAC作出反应，选择性地耦合和去耦所述第二电感器。
29.根据权利要求28所述的自适应交流电交换机，其中，所述输入交流电约为50Hz，在大约180VAC到280VAC之间可变，而所述输出交流电基本恒定，大约为120VAC和60Hz。
30.根据权利要求28所述的自适应交流电交换机，其中，所述输入交流电为可变，大约为120VAC和60Hz，而所述输出交流电基本恒定，大约为220VAC和50Hz。
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