KR20170016368A - 적응 ac 전력 교환기 - Google Patents

Abstract

적응 AC 전력 교환기는 명목상으로 220 VAC와 50 Hz인 다양한 그리드 입력 전력에서 안정된 120 VAC 60 Hz 전력을 생성한다. 교환기는 입력 AC 전류를 받고 VDC 출력을 생성하기 위해 연결된 AC-DC 회로 스테이지, 그리고 부하를 위해 전력을 생성하는 DC-AC 회로 스테이지를 포함한다. AC-DC 스테이지는 EMI 필터 그리고 서지 보호 회로, 50 Hz 정류기 그리고 200 VDC 전압 노드를 생성하기 위해 일반 연결에서 벌크 콘덴서 스택을 통해 연결된 400 VDC 출력을 생성하기 위해 PFC 컨트롤러에 의해 제어되는 역률보정(PFC) 회로를 포함한다. 200 VDC와 400 VDC 전압은 펄스폭 변조기를 포함하는 DC-AC 회로; 전류 부하 제한기; 콘덴서를 가지는 LC 필터, 듀얼 인덕터와 인덕터 바이-패스 계전기; 그리고 AC 브리지 컨트롤러에 의해 모두 제어되는 부하 차단 계전기에 연결되어 있다.

Description

적응 AC 전력 교환기{ADAPTIVE AC POWER EXCHANGER}

1. 분야: 전력망 원천으로부터 다양한 전압과 주파수 특성에 적응할 수 있고 출력 전력에서 작동하도록 설계된 일반 가정용 제품의 전기공급에 이용될 수 있는 안정적인 출력전력을 만들 수 있는 전력 교환 그리고 더 구체적으로는 AC 전력 교환기.

2. 관련 출원: 이 출원서는 2015년 2월 18일에 제출된 미국의 가출원서No. 62/1 17,615 에 기초하여 우선권을 청구한다. 이 출원서는 또한 2015년 5월 27일에 제출된 미국 유틸리티 출원서No. 14/723,108 에 기초하여 우선권을 청구한다.

3. 기술의 일반적인 배경과 상황: 세탁기, 드라이어, 식기세척기와 유사한 것들과 같은 많은 제품들이, 미국에서는 120 VAC, 60 Hz 전력인, 안정적인 전원을 필요로 한다. 이것은 제품의 타이밍 메커니즘이 제품을 제어하기 위해 이용되는 전력의 주파수에 달려있는 것에 적어도 부분적으로 기인한다. 예를 들면, 제품은 전력의 주파수를 파악하고 다양한 자동 운영의 순서와 기간을 설정하는 "시계" 신호로써 그 주파수를 이용할 것이다. 결과로써, 60 Hz 전력에서 작동하도록 만들어진 제품은 만약 전력이50 Hz와 같은 다른 주파수라면 적절하게 작동하지 않을 것이다. 모터를 구동하는 것과 같은 다른 제품 기능들 또한60 Hz 출력을 필요로 한다. 전원이60 Hz일 때50 Hz로 작동하도록 제조된 제품에 대해서도 마찬가지이다.

220 VAC, 50 Hz에서부터의 전력 전환은 미국 특허No. 5,267,134에 나와 있다. 그러나 그 특허는 일반적인 국제적인 전력 원천의 다양한 주파수와 전압이 있다는 현실, 특히 예기치 못하게 다른 전원, 예를 들면, 약 명목상의 수치인220 VAC으로부터 전력을 받아들일 필요성을 고려하지 않았다. 그러한 경우에, 전압은180 VAC부터 높게는300 VAC까지 다양할 수 있다. 마찬가지로 소비자용 어댑터는 입력 전력에 적응해서 최소한의 사인파 왜곡과 고조파로 조절되는 전압이고 서지 보호되는 출력 전력을 만들 수 있어야만 한다.

소비자 애플케이션을 위해 적합한 컨버터는 일반적인 발전능력(약15 amps)을 유지해야 하며 동시에 일반적 접근을 막는 자주 충돌되는 여러 개의 요구사항도 충족시켜야 한다고 알려져 있다.

예를 들면, 어댑터는 소비자가 이용 가능한 제한된 공간에도 물리적으로 맞출 수 있을 정도로 소형이어야 한다. 일반적인 컨버터는 근본적으로 부피가 크며 소비자 애플리케이션에 적합하지 않다. 또한 특히 소형 공간에서 어댑터 장치의 성능을 심각하게 저해할 수 있는 수분(습기), 먼지, 린트, 의류, 유사한 것들에 의해 소비자의 환경이 오염될 수 있다. 결과적으로 어댑터 장치는 그러한 오염물질들과 장애가 되는 것들에서 보호하기 위하여 밀봉되어야 한다. 그러한 밀봉은 냉각을 위한 내부의 팬 사용, 냉각 컨버터에 대한 일반적 방법을 불가능하게 한다. 그러므로 충분한 용량의 수동 전도 냉각이 고안되어야 한다. 어댑터는 또한 가벼워야 하는데, 바람직하게는 10~12파운드보다 가벼워야 한다. 일반적인 컨버터는 무거운 인덕터와 변압기 그리고 부품들을 포함해서 그 무게가 50~60 파운드 또는 그 이상이 된다. 많은 환경에서, 일반적인 컨버터는 고온 환경 조건에서 신뢰할 수 있게 작동해야 했고 그래서 시끄럽고 단단한 액티브 냉각 시스템이 필요했다.

그러한 방법은 특히 냉각을 패시브 냉각에 제한되어 의존하는 닫혔거나 밀봉된 환경에서의 소비자 어댑터의 요구조건과 맞지 않는다. 그러므로 회로 효율성을 87%에서 93% 또는 그 이상으로 올리거나 출력 전력이 유지되는 동안 패시브 방열 방법이 열을 없애는 데 충분한 정도까지 열 발생을 감소시킬 수 있게 하는 새로운 회로와 부품 선별이 고안되었다.

그러므로 전력 유틸리티망으로부터 이용될 수 있는 예상할 수 없을 정도의 다양한 AC전력을 받아들여 안정되고 예측 가능한 정도, 예를 들면 미국에서 사용되는 일반 제품에서 이용되는120 VAC, 60 HzAC전력을 생산하기 위해 그 전력을 이용하는, 소비자 환경에서 유용한 작고 가볍고 강력한 적응 AC 전력 교환기에 대한 필요성이 존재한다. 게다가 전세계적으로 대부분의 가정 회로의 최근의 일반 표준인 15 amp 전력을 생산하는 컨버터를 제공할 필요성이 있다. 많은 국가에서의 전력의 다양성은 이용 가능한 전력이 오랫동안 없을 경우도 포함한다. 전력의 복구는 어떤 연결된 제품에 손상을 줄 수 있는 전력 서지를 초래할 수 있다. 그러므로 어떠한 컨버터도 정전 후 전력이 복구될 때 그러한 전력 서지로부터 연결된 제품을 또한 보호하면서 컨버터 전기회로에 손상을 주는 것 없이, 짧은 시간 동안 많은 돌입전류를 받아들일 수 있어야 한다. 게다가, 예를 들면 짧은 시간 동안180 VAC만큼 낮은 것으로부터280 VAC 까지 높은 또는 심지어300 VAC까지 전압이 다양할 수 있기 때문에, 어떠한 컨버터의 전기회로도 전압 출력이 약120 VAC에서 안정되게 유지되는 것을 보장하는 전압 조절기로써 작동할 수 있어야 한다.

컨버터 제품을 담은 하우징을 밀봉하면서, 먼지 또는 습기가 있을 수 있는 부정적인 환경에서 신뢰할 수 있게 작동할 수 있는 적절한 컨버터에 대한 필요성도 또한 존재한다. 이것은 또한 내부의 냉각팬을 포함한 모든 내부의 움직이는 부품들이 밀봉된 컨버터 전기회로 하우징에서 팬과 같은 액티브 냉각을 이용하는 것 없이 열이 없어져야 한다는 것을 의미한다.

서술된 소비자 환경과 애플리케이션에서 일반 제품을 이용하는 것은 비효율성을 초래하는 추가적인 문제도 야기한다. 예를 들면, 무부하 전력손실은 심각한 성능 비효율성을 초래한다. 구체적으로는, AC 입력 전력이220V일 때, VDC는 약 400 VDC일 것이다. 그러나120 VAC 출력에 적합한 VDC는 단지200 VDC이다. 400 VDC를 제공하는 것은 회로 인덕터와 콘덴서에 높은 순환 전류를 일으킬 것이며, 이는 스위칭 손실과 전도손실을 낳을 것이다. 부하 정도가 대부분 매우 낮을 때 높은 무부하손은 가정 애플리케이션에서 심각한 에너지 손실이다. 그러한 에너지 손실을 줄이는 것은 또한 발생된 열을 줄이는 것이고 그래서 액티브 방열 대신 패시브 방열에 대한 필요성을 줄일 것이다.

두 번째 문제는 부하 정도가 높을 때의 높은 전력손실이다. 구체적으로는, A-D 컨버터의 출력에서 높은VDC는IG-BTs 와MOSFETs에 대한 더 높은 전압 정격과 특정한 인덕터 부품에서 더 높은 인덕턴스 수치를 필요로 할 것이다. 더 높은 전압 IGBTs 와MOSFETs은 고전류(고부하) 애플리케이션에서 전도손실과 스위칭 손실을 초래한다. 높은 인덕턴스 인덕터는 또한 고부하 애플리케이션에서 높은 전력손실을 초래하는 높은 저항을 또한 갖게 된다.

냉장고, 에어컨, 진공청소기 그리고 유사한 것들과 같은 고부하 제품들이 첨부와 같을 때 높은 서지 전류 부하와 관련된 세 번째 문제가 발생한다. 그러한 애플리케이션에서, 높은 서지 전류에 대응한 인덕터에서의 피크 전류는 인덕터의 포화를 야기하고, 이것은 반대로 회로를 손상에 대해 취약한 상태로 만드는 인덕턴스 손실을 야기할 것이다.

높은 DC전압이 컨버터를 거쳐 출력으로 넘어가는 비정상적인 상황에서 발생할 수 있는 손상과 관련된 네 번째 이슈는 연결된 제품(부하) 그 자체에 손상을 야기할 수 있다는 것이다.

적응 AC 전력 교환기는 전력망에서의 전원과 가정용 제품과 같은 부하 사이에 포지션 된다. 왜냐하면 입력 AC 전력을 전력망 원천으로부터 부하를 위해 출력 AC 전력으로 바꾸기 때문이다. 적응 AC 전력 교환기는 입력 AC 전력을 받고 적응 AC 전력 교환기에 의해서 내부적으로 생성되는 고주파 소음을 필터링하는 입력 EMI 필터를 포함한다. EMI 필터는 또한 입력 AC 전력이 처음으로 적용될 때 입력 AC 전력 전류의 진폭을 제한하는 돌입전류 제어회로를 포함한다. 돌입 제어회로는 PFC 컨트롤러로부터의 돌입제어신호에 반응하여 작동한다. 정류기(거의 입력 AC 전력의 주파수에서)는 정류 입력 전류 파형과 정류 입력 전압 파형으로 특징되는 정류 입력 전력을 생산하기 위해 입력 EMI 필터에 연결된다. 정류기는 또한 PFC 컨트롤러를 위한 정류 선간 전압 신호를 만든다.

역률보정회로는 거의 1의 역률이 제공되기 위해 정류 입력 전류의 파형이 정류 입력 전압의 파형을 따라가도록 정류 입력 전력을 수정하기 위해 정류기로부터 정류 입력 전력을 받고 PFC 컨트롤러로부터 PFC 컨트롤 신호를 받기 위해 연결된다. 역률보정회로는 그 후, 한 실시예에서 400 VDC인, 첫 DC 전압을 생성한다. 400 VDC 실시예에서, 첫 번째 DC 전압 출력과 그라운드 사이에서 두 번째 출력 DC 전압 중간을 생성하기 위해 첫 번째 출력 DC 전압과 일반 연결 사이에서 연속적으로 연결된 많은 콘덴서는 200 VDC이다. 바이어스 그리고 밸런싱 전압 회로는 첫 번째 DC 전압과 일반 연결 사이에서 두 번째 DC 전압의 중간 관계를 유지하기 위해 많은 콘덴서에 연결된다.

AC 출력 브리지(인버터)는 첫 번째 그리고 두 번째 DC 전압을 받기 위해 연결된다. AC 출력 브리지는 두 번째 DC 전압에 대해 교차하는 제로 전압을 가지는 출력 AC를 만드는 펄스폭 변조 회로; 출력 AC를 받고 펄스폭 변조 회로의 스위칭 주파수에 사이클-투-사이클(cycle-to-cycle) 주파수를 제한하고 부하 전류 제한 신호를 생성하기 위해 연결된 부하 전류 제한 회로; 부하에 적용된 부하 제한 AC 전류가 사전에 정의된 수준보다 낮을 때 LC 필터 바이패스 제어 신호에 대응하여 두 번째 인덕터를 차단하는 병렬로 된 첫 번째와 두 번째 인덕터에 연결된 바이패스 계전기와 병렬로 연결된 첫 번째 인덕터와 두 번째 인덕터를 포함하는, 부하 전류 출력 AC에 연결된 두개의 인덕터와 콘덴서가 있는 출력LC 필터(이후로는 듀얼 인덕터 LC 필터로 명칭); 그리고 부하 분리 제어 신호에 대응하여 부하로부터 부하 제한 출력 AC를 분리하기 위한 부하 분리 계전기를 포함한다. 한 실시예에서, AC 출력 브리지는120 VAC, 60 Hz AC 출력 전력을 만든다. 부하 분리 계전기는 플러그 접속식의 제품에 서지 보호를 제공한다.

출력 AC 브리지가 120 VAC 출력 요구조건보다 더 높은 전압에 바이어스될 때 위에서 서술된 스위칭 손실과 리플 전류에 관하여, 만약 불필요하게 고전압이 120 VAC 출력을 만들기 위해 인버터 (예를 들면 PFC 회로로부터 400 VDC) 를 바이어스 하는 데에 이용된다면, 리플 전류는 인덕터와 인터버 필터의 콘덴서에서 증가하여 전도손실을 초래한다. 더 높은 전압은 또한 스위칭 손실도 증가시킨다.

그러므로, 본보기가 되는 어댑티브 AC 전력 교환기에서, 120 VAC출력에 더 적합한 AC 출력 브리지(인버터)에 공급 바이어스 전압 (효과적으로+/- 200 VDC)이 제공된다. 이것은 PFC 회로의 출력에서 (연속해서) 쌓여 있는 콘덴서 배열로 달성된다. 출력 AC 파형 "제로" 교차-전압으로써 이용되는 콘덴서 스택의 중간 전압(일반 연결에서 참조되는200 VDC )과 함께, 브리지는 출력의 포지티브 하프 사이클을 위한 +200 VDC(+200 VDC 중간 전압에 참조되는 400 VDC), 그리고 네거티브 하프 사이클을 위한 -200 VDC (중간 전압과 대지 전압 사이에 참조되는)에 효과적으로 바이어스 된다. 결과적으로, 더 정교하고 비싼 전기회로를 이용하지 않으면서, 인버터의 효율성을 증가시키기 위해 더 낮고 더 바람직한 전압 레벨에 인버터는 바이어스 된다.

인버터의 출력 필터의 두 인덕터에 관해서, 가벼운 부하에서 더 높은 수치의 인덕턴스는 리플 전류를 줄이기 위해 이용된다. 그러나 정격 출력 전류에서 기능하는 이 더 높은 수치의 인덕턴스는 현저하게 더 크고 더 무거운 인덕터를 필수적으로 요구하게 된다. 결과적으로, 더 높은 전류 용량을 가진 더 낮은 수치의 인덕터는 출력 필터를 포함하는 평행 인덕터의 전체 전류 용량을 증가시키기 위해 인덕터 바이패스 계전기에 의해 스위치가 켜질 것이다. 바이패스 계전기와 배치되는 이 병렬 인덕터의 중요한 이득은 몇 개의 제품을 작동시키기 위한 하이 서지 전류가 출력 인덕터의 용량을 초과하지 않는다는 것이다. 이러한 배치 없이는, 인덕터는 포화상태가 되어 인버터의 돌발 고장을 일으키는 매우 높은 피크 전류(부하로 흐르지는 않으나 내부적으로 순환하는)를 야기할 것이다. 왜냐하면 소비자가 인버터 출력에 연결하기 위해 노력할 것이라는 것을 예측할 수 없기 때문에, 병렬 인덕터 / 바이패스 계전기 배치는 출력 필터 인덕터들의 크기를 지나치게 증가시키는 것 없이 인덕터 전류의 용량을 증가시키면서 그러한 고장의 리스크를 최소화한다.

AC 출력 EMI 필터는 AC 출력 전력으로부터 고주파 소음을 필터링하기 위한 AC 출력 브리지의 부하 차단 계전기에 연결된다. AC 출력 EMI 필터에 대한 입력은 AC 출력 브리지 회로의 부분인 AC 브리지 컨트롤러에 연결되는 전압 감지 신호를 또한 생성한다. AC 브리지 컨트롤러는 전압 감지 신호와 부하 전류 제한 신호를 받고 부하 분리 계전기를 열고 닫기 위한 부하 차단 제어 신호, 출력 바이패스 계전기를 열고 닫는 LC 필터 바이패스 제어 신호, 그리고 펄스폭 변조 회로의 변조를 제어하기 위한 적어도 한 개의 변조 제어 신호를 생성하기 위해 연결된다.

한 실시예에서, 역률보정회로는 역률보정회로의 첫 번째 DC 출력 콘덴서에 PV 어레이 인터페이스를 통해 연결된 태양광 어레이로부터 적응 AC 전력 교환기가 DC 전력을 받게 하기 위해 양?향성으로 설정될 수 있다. 수정된 설정은 역률보정회로의 단계 A와 단계 B 회로에서 부스트 다이오드를 MOSFETs, MOSFETs 과 함께 입력 정류기 브리지로 교체하고, PFC 컨트롤러에서 프로그램된 제어 알고리즘은 PV 어레이로부터의 전력이 부하 또는 전력망 또는 양쪽으로 향할 수 있는 양방향성 작동이 가능하도록 수정된다.

다른 측면은 근사치1의 역률을 달성하기 위해 전류 파형이 AC 입력 전압 파형을 따르게 하는 역률보정 결합 또는 태양광 어레이 실시예에서 양방향성 역률보정에 관한 것이다. 역률보정은 그리드의 용량을 효과적으로 증가시키는, 그리드에서 감소된 배전손실과 함께 적응 AC 전력 교환기에 전력을 제공하면서 전력망에 긍정적인 영향을 준다. 더군다나, 적응 AC 전력 교환기에 의해 전력이 공급되는 어떠한 제품도 그리드로부터 보이는 대로 적응 AC 전력 교환기의 거의 1에 가까운 역률을 반영 / 획득할 것이며, 또는 다른 관점으로는, 그리드에서 유도된 고조파에 의해 야기되는 비효율성과 손실을 제거하는 조화 필터로써 작동할 것이다. 이것은 그리드 전력 손실을 막고 유용한 전력 전달을 최대화하기 위한 더 높은 역률보정으로 제품들이 설계되는 것을 요구하는 규정이 있는 곳에서 많은 유틸리티 생산자들에게 중요한 의미가 있다. 이 적응 AC 전력 교환기를 이용하는 것은 북아메리카 밖의 많은 유틸리티 생산자들의 요구사항을 충족시킨다. 다시 말하면, 북아메리카 밖의 나라들에서 역률 보정 관련한 규정 요구조건을 그렇지 않았으면 충족하지 않는 제품도 서술된 적응 AC 전력 교환기를 통해 전원이 공급될 때 그리드에서 교정된 역률인 것으로 나타나고 그래서 충족하게 된다.

다른 실시예에서, 적응 AC 전력 교환기는 양방향성으로 설정되어서 부착된 태양광 패널로부터 태양전력을 획득해서 적응 AC 전력 교환기에 꽂혀진 제품에 의해 요구되는 모든 또는 일부의 전력을 생산하거나 전력이 플러그 접속식의 제품에 제공되지 않거나 태양 패널이 적응 AC 전력 교환기가 필요로 하는 것보다 더 많은 전력을 생산할 때 그리드에 전력(전력 유틸리티에 팔 수 있는 전력)을 생산하여 제공할 수 있다.

여전히 다른 실시예에서, 적응 AC 전력 교환기는 원격 통신 능력을 포함하는 정보 관리 능력을 포함할 수 있다. 구체적으로는, 전력 적응 AC 전력 교환기가 부하(예를 들어, 제품)와 그리드 사이에 연결되기 때문에 전기 이용, 제품 작동 비용, 이용 시간, 그리고 기타 정보와 같은 정보가 획득되어 연결된 제품의 기능과 성과를 원격으로 소비자가 모니터 할 수 있도록 블루투스, Wi-Fi, 다른 통신 수단을 통해 스마트폰과 같은 원격 수신기 그리고 유사한 것들에 전송될 수 있다. 그래서 소비자는 에너지 비용을 절약하기 위해 특정 시간대에 제품을 이용하는 방법을 강구할 수 있다. 또 다른 실시예에서 전력과 시스템 모니터는 AC 출력 컨트롤러에 연결되어 사용자가 AC 출력 컨트롤러 프로그램을 수정하거나 펌웨어 버그를 수정하거나 그래서 적응 AC 전력 교환기의 기능을 원격으로 바꿀 수 있다.

다른 특징들과 함께 이것들은, 첨부된 그림과 함께 고려되는 다음의 세부 설명으로부터 명백해 질 것이다.

그림 1은 적응 AC 전력 교환기를 설명하는 블록 선도이다;
그림 2는 전력 모니터, Wi-Fi 그리고 태양 전력 입력과 함께 적응 AC 전력 교환기를 설명하는 블록 선도이다;
그림 3~5는 그림 1의 블록 선도에서 설명된 적응 AC 전력 교환기의 자세한 전기 도식 그림이다;
그림3A~3C은 양방향으로 만들기 위해 수정된 그림 3의 회로 운영의 자세한 설명이다;
그림 6은 Wi-Fi 통신과 태양 전력 특징을 설명하는 그림 2에 따라서 적응 AC 전력 교환기를 위한 물리적 하우징의 그림이 포함된 도해이다;
그림 7은 방열되는 히트 싱크와 열 생성 회로 부품의 방열 배치를 설명하는 적응 AC 전력 교환기의 내부 구조 설명이다.

그림 3-5에 보여지는 특정 회로 구현과 함께 그림 1에 관련하여, 적응 AC 전력 교환기 시스템 100은 AC 원천102와 가전 제품과 같은 부하 180 사이에 연결된다. AC 원천 102 는 비록 전력이 주파수와 전압 모두에서 시간에 따라 달라짐에도 불구하고 220 VAC, 50 Hz 전력을 일반적으로 생산하는 유릴리티 그리드에, 이후로 설명되는 실시예에서, 연결될 수 있다. 예를 들면, 전압은 180 VAC로부터 280 VAC까지 다양하고 주파수는 40-60 Hz로 다양할 수 있다. 더군다나 유틸리티에 의해 그리드에 제공된 AC 전력은 간헐적일 수 있다.

부하 180는 일반적으로 제품의 모터와 서보 기구의 순서와 타이밍을 제어하기 위해 타이밍 전기회로뿐만 아니라 모터, 서보 기구, 유사한 것들을 가진 제품이다. 그러한 제품들을 실질적으로 안정적으로 작동시키는 전력은, 설명된 실시예에서, 120 VAC, 60 Hz 일 것이다. 따라서 적응 AC 전력 교환기는 진공 청소기, 냉장고, 세탁기, 드라이어 및 유사한 것들과 같은 가전 제품의 요구 사항과 호환되는 안정된 출력 전력으로 전력을 컨버트하는 다양한 전력 특징을 가진 전력을 받을 수 있어야 하고 전력이 회복될 때의 정전과 서지 환경에서 작동할 수 있어야 한다.

적응 AC 전력 교환기는 적응 AC 전력 교환기 100에서 생성되는 고주파 소음을 필터링하고 그 소음이 그리드에 반향되지 않게 하는 AC 입력 EMI 필터 106을 포함하는 입력 AC-DC 전력 스테이지 104를 포함한다. 입력 EMI 필터 106은 50 Hz AC 브리지(정류기)와 AC-DC 전력 스테이지 104에서의 필터 1 14에 흐르는 AC 입력 전류 103의 진폭을 제한하는 돌입 제어 계전기 108을 포함한다. 돌입 제어 계전기 108은 입력 AC 전력 103이 처음에 적용될 때 열리고 전력을 저장하는 콘덴서와 다른 부품들이 충분하게 충전될 수 있는 시간을 가졌을 때 돌입 제어 신호 1 10에 대응하여 이후에 닫힌다. 이것은 전력이 적용되거나 회복될 때 초기 충전 시간 동안 야기되는 해로운 전력 스파이크와 서지가 다른 회로 부품들을 손상시키지 않게 보장한다. 돌입 제어 계전기 108은 그러므로 적응 AC 전력 교환기 100의 서지 보호장치로써 기능한다. 돌입 제어 계전기 108은 사전에 선택된 기준에 따라 AC-DC 전력 스테이지 104의 기능을 제어하도록 프로그램된 마이크로프로세서를 포함하는 PFC 컨트롤러 1 12로부터의 돌입 제어 신호 1 10에 의해 제어된다.

PFC 컨트롤러 1 12는 예를 들면 그 컨트롤러에 대한 텍사스 인스트루먼트의 공개된 출원서에 따라서 상호 연결되고 프로그램 된 텍사스 인스트루먼트 UCC28070A 컨트롤러일 수 있다.

정류기 회로 1 14인50 Hz AC 브리지와 필터는 역률보정 (PFC) 회로 1 16을 위한 정류된 220 VAC 전력 1 18을 생산한다. 정류된 전력 1 18은 정류된 입력 전류 파형과 정류된 입력 전압 파형으로 특징지어진다. 게다가 정류기 회로 1 14는 PFC 컨트롤러 회로 1 12에 대한 입력으로써 연결되는 정류된 선간 전압 신호 120을 생산한다. PFC 회로는 여러 토폴로지 중 어떤 것에 의해 특징지어질 수 있다. 그러나 보여진 본보기가 되는 실시예에서, PFC 회로 1 16은 정류기 1 14로부터 정류된 전력 1 18을 각각 받는 PFC 단계 A 회로 122 와 PFC 단계 B 회로 124를 포함한다.

PFC 컨트롤러 1 12는 정류된 선간 전압 신호 120을 받아서 정류된 입력 전력 1 18을 제어하기 위해 PFC 단계 A 회로에 연결되는 첫 번째 제어 신호 123과 PFC 단계 B 회로에 연결되는 두 번째 제어 신호 125를 만들어서 정류된 입력 전류 파형이 정류된 입력 전압 파형을 따라가게 된다. 구체적으로는, 단계 A와 단계 B 회로 122와 124는 PFC 컨트롤러 1 12의 제어 하에서 변조된 펄스폭이라서 인덕터(그림 3 참조, 인덕터 302와 304 각각)를 통해 흐르는 평균 전류는 AC 입력 전압 파형을 따르는 전류 파형을 가질 것이다. 그 결과는 그리드로부터 적응 AC 전력 교환기 100으로 최대한의 전력 전달 효율을 나타내는 거의 1의 입력 역률이다. 그림 1-5의 설명된 회로에서 역률보정회로 1 16의 VDC 출력 130은 400 VDC이다.

VDC 출력 130은 일반 연결과 첫 번째 VDC 출력 130 그리고 더 선호되는, 위에서 설명한 대로 인버터를 위한 영점 오차 전압을 정의하기 위해 VDC 134와 일반 연결 사이 전압의 잠재 전압 반을 가지는 것 사이의 중간인 VDC출력 130과 두 번째 VDC 출력 136과 같은 전압에서 첫 번째 VDC 출력 134를 제공하기 위해 VDC 출력 130과 일반 연결 포인트 133 사이에 연속적으로 상호 연결된 벌크 콘덴서 132에 연결된다. 두 번째 VDC 출력 전압이 일반 연결 전압과 첫 번째 VDC 전압 130 사이의 전압의 반과 가능한 한 비슷하게 유지되어야 하는 소비자용 가전제품의 요구조건과 호환되는 안정된 전압과 주파수 특징을 가지는 출력 전력의 생성이 중요하다.

예를 들면, 만약 드러난 구현에서 400 VDC인 첫 번째 VDC 전압이 짧은 기간 동안 360 VDC로 감소되면, 두 번째 VDC 전압은 또한 200 VDC에서 180 VDC로 또한 감소되어야 한다. 일반 연결 전압과 첫 번째 VDC 출력 134 사이의 중간 지점에서 두 번째 VDC 출력 136의 전압이 유지되려면, 바이어스 전압과 동행 벌크 전압 밸런스 회로 138은 벌크 콘덴서 132에 연결된 밸런싱 전류 139를 만든다. 대표적인 바이어스 전압과 벌크 전압 밸런싱 회로 1 18은 비록 다른 비슷한 브리지 드라이버가 많은 다른 제조업체로부터 이용 가능하더라도 회로 1 19의 밸런스 부분은 페어차일드 FAN7387 드라이버일 수 있는 자려식 브리지 드라이버 402를 포함하는 그림 4에서 설명된다. 그림 3의 콘덴서 312와 314 (집합적으로 벌크 콘덴서 1 32)가 같은 전압이 아니고 그래서 출력 전압 134와 136을 안정시킬 때, 밸런싱 회로 1 19는 경로를 만들고 +½VDC energy 132와 -½VDC energy 136 이 서로에게 이동되도록 한다.

그림 1로 돌아와서, 첫 번째 VDC 출력 134와 두 번째 VDC 출력 136은 첫 번째 VDC 출력 전압 134 (400 VDC)를 400 볼트의 진폭 그리고, 예를 들면, 20 kHz 주파수를 가진 맥동전압으로 컨버터하는 60 Hz AC 브리지 컨버터 (펄스폭 변조) 회로 142를 포함하는 DC-AC 스테이지 140에 연결된다. 펄스폭은 출력 필터 148를 통해 지나간 후에 200 VDC DC 전압 플러스 120 VAC, 60 Hz 사인파를 만들기 위한 방법으로 변조된다. 출력 필터 148은 매끄러운 60 Hz 출력을 만들기 위해 변조된 출력 144로부터 스위칭 주파의 고조파를 필터링 한다.

더 구체적으로는, 변조된 AC 출력 144는 변조된 AC 출력 144의 전류를 측정하고 AC 브리지 컨트롤러 158에 연결된 부하 전류 제한 신호 156를 만드는 부하 전류 제한 회로 146에 연결된다. 부하 전류 제한 146의 출력 150은 출력 듀얼 인덕터 LC 필터 148에 연결된다.

그림 5에 관하여, 출력 듀얼 인덕터 LC 필터 148는 바이패스 제어 신호 154에 대응하여, 예를 들면, 인덕터 506를 차단하기 위해 바이패스 계전기 152와 병렬로 연결된 두 인덕터 504와 506을 포함한다. 적응 AC 전력 교환기 100이 전력을 덜 낭비하고 그래서 전에 설명한 대로 더 커다란 전력 효율성을 가지고 작동하도록 하는 부하 전류 제한 회로와 AC 출력 EMI 필터 1 71로부터 입력 신호에 대응하여 바이패스 제어 신호 154는 AC 브리지 컨트롤러 158에 의해 만들어진다.

그림 1로 돌아와서, 출력 듀얼 LC 필터 148은 부하 차단 계전기 168에 연결되는 필터링 되었고 제한된 VAC 출력 167을 생성한다. 부하 차단 계전기 168은 오류, 즉, 받아들일 수 없거나 해로운 주파수, 전류 또는 전압이 AC 브리지 컨트롤러 158에 의해 감지될 때마다 부하 180에서 적응 AC 전력 교환기 100을 차단한다. 만약 어떠한 오류도 감지되지 않는다면, 차단 계전기 168의 출력에서 필터링 되었고 제한된 VAC 전력 170은 VAC 출력 170에서 고주파 소음을 필터링 하는 AC 출력 EMI 필터 171에 제공된다. 그러한 소음은 적응 AC 전력 교환기 100의 스위칭 전기회로에 의해 내부적으로 만들어 지는데, 부하 180에 실질적으로 제공되는 전력으로부터 제거되어야 한다. 게다가 AC 출력 EMI 필터 171은 AC 브리지 컨트롤러 158에 연결된 AC 전압 신호 172를 만든다.

AC 브리지 컨트롤러 158은 부하 전류 제한 회로 146과 AC 출력 EMI 필터 171로부터의 AC 전압 신호 172에 의해 만들어 지는 부하 전류 제한 신호 156을 받아서 AC 브리지 (인버터) 회로 142; 인덕터 바이패스 계전기 152를 열고 닫는 것을 제어하는 바이패스 제어 신호 154; 부하 차단 계전기 168을 제어하기 위한 부하 차단 계전기 제어 신호 166의 운영을 제어하는 첫 번째 드라이버 162와 두 번째 드라이버 160 각각을 위한 첫 번째 인버터 제어 신호 161과 두 번째 인버터 제어 신호 159를 만들기 위해 프로그램 된 마이크로프로세서이다.

다시 그림 5에 관해서, 한 실시예에서, AC 브리지 142는, 듀얼 LC 필터 148에 연결될 때, 예를 들면, 풀-브리지 토폴로지보다도 매우 낮은 수준의 무부하손과 더 높은 효율성을 달성하는 하프-브리지 토폴로지를 가진다. 인덕터 바이패스 계전기 152는 인덕터 506을 차단하기 위해서 열리고 그래서 부하 정도가 낮을 때 효과적인 인덕턴스를 증가시키고, 그래서 인덕터 리플 전류에 따른 전력 손실을 감소시킨다.

운영에서, AC 브리지 컨트롤러 158은 전력 손실을 최소화하고, 설명된 실시예에서, AC 전력 102의 전압과 주파수에 관계없이 다양한 제품 (예를 들면, 부하 180)을 작동시키기 위한 안정된 120 VAC, 60 Hz 전력 출력 182를 만들기 위해 선택된 시간과 조건으로 제어 신호를 만들기 위해 프로그램 되어 있다.

그림 2에 관해서, 양방향성 적응 AC 전력 교환기 200은 추가적으로 전력과 시스템 모니터 288, 트랜시버 286 (Wi-Fi 또는 Bluetooth 같은) 그리고 이후에 설명될 외부 PV 어레이 284와 양방향성 역률보정회로 216에 연결된 태양광(PV) 어레이 인터페이스 283을 포함한다. 그림 1의 구현과 같이, 양방향성 적응 AC 전력 교환기는 입력 AC 전원 202 (예를 들면, 다양한 220 VAC, 50 Hz 전력으로 특징지어지는); 돌입 제어 계전기 208을 포함하는 AC 입력 EMI 필터 206; AC-DC 정류기 1 14; 바이어스 전압과 벌크 전압 밸런싱 회로 238; 펄스폭 변조기 242, 드라이버 260과 262, 부하 전류 제한 246, 출력 듀얼 인덕터 LC 필터 248, 인덕터 바이패스 계전기 252, 부하 차단 계전기 268과 AC 브리지 컨트롤러 258을 포함하는 AC 출력 브리지(인터버)와 필터 회로 240; 그리고 그림 1에서 설명된 적응 AC 전력 교환기 회로 100의 상응하는 부품과 본질적으로 같은 AC 출력 EMI 필터 264에서 전력을 받기 위해 연결되고 그리고 이러한 부품들의 사전 설명에 나온 대로 그림 2의 이곳에 포함된다. 그림 1의 구현과 마찬가지로, AC 입력과 EMI 필터 206은 내부의 스위칭 소음이 그리드와 입력 AC 전력 202의 그리드와 전원으로 돌아가지 못하게 한다.

PV 어레이 284로부터 전력을 이용하는 제품을 받아서 작동하기 위해, 정류기 214와 역률보정회로 216은 PV 어레이가 연결된 제품(부하) 280에 의해 이용되지 않는 전력을 만들 때 PV 어레이 284로부터의 DC 전력이 전력망 202에 공급될 수 있게 양방향성이 되도록 그림 1과 3-5에서 그림으로 설명된 유사 회로로부터 수정되어야 한다. 그 대신에, PV 어레이 인터페이스 283을 통해 공급된 PV 어레이 전력은 하나 또는 그 이상의 제품이 연결될 때 부하 280의 전력 요구조건의 전부 또는 일부를 공급하기 위해 이용된다. 부하 280에 전원을 공급하기 위해 필요한 전력이 PV 어레이 284에 의해 공급될 수 있는 것보다 클 때, 그리드로부터의 전력이 PV 어레이 인터페이스 283에 의해 공급되는 전력을 보충하기 위해 이용된다. 양방향성 전력 흐름은 브리지 다이오드 306 (그림 3)을 설명된 50 Hz AC 정류기에서의 MOSFETS 으로 대체하면서 가능해 진다.

양방향성 역률보정회로 216은 AC 출력 브리지 (60 Hz 인버터 부하)와 필터 240에 전력을 공급하거나 PV 어레이 인터페이스 283을 통해 받은 PV 어레이 284로부터의 전력을 그리드 202로 보내도록 설정된다. 양방향성 역률보정회로에서 이러한 양방향성 전력 흐름을 달성하기 위해, 단계 A와 단계 B 회로 322와 324 (그림 5) 각각에서의 부스트 다이오드는 MOSFETs으로 또한 대체되고 PFC 컨트롤러 212에서 프로그램 된 제어 알고리즘은 입력 AC 전력 전원 202에서의 그리드로부터 전력이 공급되는지 여부를 가리키는 선간 전압 신호에 대응하는 제어 신호 223과 225를 제공하기 위해 수정된다.

설명하기 위해, 그림 3A는 그림 3에 나와있는 단향성 PFC 회로의 단순한 도식이다. 두꺼운 화살은 220 VAC 전원의 포지티브 하프 사이클을 위한 전류 흐름을 가리키고 점으로 된 화살표는 220 VAC 전원의 네거티브 하프 사이클을 위한 전류 흐름을 가리킨다. 보여진 대로, 전류는 단지 다이오드 306을 통해서 양극에서 음극으로 흐른다. 전력 흐름은 또한 220 VAC부터 인버터 부하 340으로 흐른다. 인덕터 342에서 평균 전류는 220 VAC 입력의 전압 파형을 따른다. MOSFET 344 와 다이오드 346을 통한 전류들은 인덕터 342에서의 평균 전류 파형을 만들기 위해 펄스폭 변조된다.

만약 태양 어레이가 보여진 대로 연결된다면 단향성 PFC 회로 위에서 요구되는 대로 양방향성을 만들기 위해 필요한 변화를 설명한다. 위에서 가리킨 대로, 다이오드 306 (그림 3A)는 n-channel MOSFETs 356로 대체된다. 이러한 설명에서, 태양 어레이 284는 어떠한 전력도 공급하지 않는다. 220 VAC 입력으로부터 인버터 부하 340으로 향하는 전력 흐름을 위해, 전류가 그림 3A에서의 다이오드 306을 통한 흐름과 동일한 방법으로 MOSFETs 356의 바디 다이오드를 통해서 흐른다. 전력 효율성의 이유로, 220 VAC 전원의 포지티브 하프 사이클 동안 MOSFETs 358과 360을 같이 키는 것 그리고 220 VAC 전원의 네거티브 하프 사이클 동안 MOSFETS 362와 364를 같이 키는 것이 바람직하지만 필수는 아니다. 그림 3A와 같은 방법으로, MOSFET 366 와 368은 동기 부스트로써 기능하고 220 VAC 전원의 파형을 따르는 인덕터 342에서의 평균 전류 파형을 만들기 위해 컨트롤러 212 (그림 2)에 의해 조절된다.

그림 3C는 전력 흐름이 태양 어레이로부터 220 VAC 전원으로 흐를 때, 입력 220 VAC의 전원인, 전력망에 공급되는 태양전지 어레이 284로부터의 전류를 설명한다. 이러한 예에서, 태양 어레이 284는 400V bus 370에 공급되는 초과 전력을 생산하고 있다. 두꺼운 화살표는 포지티브 하프 사이클 동안 그리드로 흐르는 전류를 가리키고, 점으로 된 화살표는 네거티브 하프 사이클 동안 그리드로 흐르는 전류를 가리킨다. 만약 태양전지 어레이 284로부터의 전력이 부하 340의 요구전력보다 크다면, 초과 전력은 220 VAC 전원으로 전달될 것이다. 이러한 경우에, MOSFETs 366과 368은 동기형 벅으로써 기능하고, 220 VAC 전원 파형을 또한 따르는 전류 파형을 유지하기 위해 조절된다. 왜냐하면 MOSFET AC 브리지 356에서의 전류가 그림 3B (드레인에서 전원)에 설명된 것으로부터 반대 방향으로 지금 흐르기 때문에, MOSFETS 358와 360은 220 VAC 전원의 포지티브 하프 사이클 동안 같이 켜지고, MOSFETs 362 와 364는 220 VAC 전원의 네거티브 하프 사이클 동안 같이 켜지기 때문이다.

전력 흐름의 전환은 400 VDC bus 370의 전력 진폭에 의해 제어된다. 220 VAC 전원에서 부하 340으로 전력이 흐르는 정상적인 운영 동안에는 PFC의 400 VDC bus 출력은 400 VDC를 유지하기 위해 컨트롤러에 의해 통제된다. 만약 충분한 전력이 태양 어레이 284로부터 400 VDC bus 370으로 주입된다면, 만약 부하가 태양 어레이의 용량보다 작을 때 전압은 400 VDC 이상으로 증가될 것이다. PFC의 토폴로지는 초과 전력을 220 VAC 전원으로 돌리면서 400 VDC bus의 초과전압을 감소시키도록 그림 3C처럼 기능하기 위해 지금 바뀌어 진다. PFC는 400 VDC bus 370 전압이 정상적인 400 VDC 밑으로 감소되게 하는 부하가 태양 어레이 284의 용량 위로 증가될 때까지 400 VDC bus를 통제하는 이러한 모드로 남아있고 그때에, 토폴로지는 그림 3B처럼 부하 전력 흐름에 정상 220 VAC 전원으로 다시 전환된다.

AC 출력 전력 282가 AC 출력 EMI 필터로부터 부하 280으로 전달될 때, PFC 컨트롤러 212는 전에 논의된 대로, 입력 전류 파형이 입력 전압(그리드) 파형을 확실히 따르도록 한다. 이 양방향성 역률보정 토폴로지는 단계 A 회로 222와 180도 탈조인 단계 B 회로 224를 이용해서 효과적으로 스위칭 주파수를 배가시킨다. 단계 A와 단계 B 회로를 이용하는 것은 단계 A와 단계 B 회로 사이의 전력 소멸을 나누기 위해 부스트 인덕터 302와 304 그리고 관련된 부스트 MOSFETS 307와 308 그리고 부스트 다이오드 322, 324의 크기를 또한 줄인다. 벌크 콘덴서 132는, 한 실시예에서 총 400 VDC를 위한 각 콘덴서 세그먼트에 200 VDC를 야기하는 분압기를 만들기 위해 연속적으로 설정된다. 200 VDC노드는 AC 출력 브리지를 위한 참조 전압으로 이용된다.

태양광 어레이 283와 일반적인 PV 어레이 인터페이스 283을 포함하는 구현에서, 인터페이스 283은 PV 어레이로부터, 예를 들면, 전력 드로우의 양을 자동적으로 조정하는 제어 특징을 포함한다. 이것은 양방향성 역률보정회로 216으로부터 400 VDC 출력을 유지하는 동안 태양 어레이에 의해 흡수되는 전력을 최대화하기 위해 PV 어레이의 다양한 전류와 전압을 측정하고 그래서 PV 어레이로부터 끌어지는 전류의 양을 조정하는 마이크로제어기(또는 DSP) (나와있지 않은)에 의해 일반적으로 이루어진다. PV 어레이 인터페이스는 항상 액티브하다. 어레이로부터 이용 가능한 전력이 이용 가능한 태양광에 따라 달라질 때, PFC 컨트롤러 212는 전력을 그리드로부터 끌어오거나 또는 PV 어레이로부터의 초과 전력이 그리드로 다시 향할 수 있게 함으로써 AC 출력 브리지(인버터)와 필터 240에 의해 요구되는 전력이 보충될 수 있도록 한다.

전력 그리고 시스템 모니터 288은 전력원 202로부터 입력 AC 전력의 신호 표시를 받고 AC 출력 EMI 필터 264로부터 출력 전력 282의 신호 표시를 받고PV 어레이 인터페이스 283으로부터 전력 출력 신호를 받기 위해 연결된다. 모니터는, 예를 들면, 관련 전력 출력과 제어 변수에 관한 정보를 받기 위해 PFC 컨트롤러 212와 AC 브리지 제어기 258에 또한 연결된다.

적응 AC 전력 교환기 200에서 전력 흐름을 추적하고 제어하는 것 외에도, 모니터 288은 입력 그리고 출력 전력 레벨, 운영 시간, 제품 부하의 에너지 소비, 내부 온도, 전기 비용 그리고 어떠한 다른 바람직하고 이용 가능한 변수에 관한 정보를 스마트폰(나와있지 않은)과 같은 원격 수신기에 전송하기 위해 Wi-Fi 트랜시버 286과 같은 트랜시버에 연결될 수 있다.

적응 AC 전력 교환기 200에서 그리고 사용자 스마트폰에서의 알람은 과도한 내부 온도, 과도한 입력 또는 출력 전력, 전기 비용 절약의 양, 다른 비슷한 변수에 대한 리포트가 있을 때 정보를 주기 위해 포함될 수 있다. 더군다나, 스마트폰 또는 다른 원격 제어기는 바꾸기 위해 이용되거나 그렇지 않으면 AC 브리지 컨트롤러 258의 프로그램 된 특징일 수 있는, 선택적 접근 성과 측정으로 이용될 수 있다. 게다가, 새로운 기능 또는 버그 수정은 AC 브리지 컨트롤러 258의 마이크로제어기에서 다시 프로그램 될 수 있다.

다음으로 그림 6에 관해서, 적응 AC 전력 교환기 600의 설명은 먼지나 다른 오염물질이 하우징의 내부로 들어가지 못하게 해서 그러한 오염물질로 인한 성능 저하의 위험을 최소화하기 위해 가급적 동봉된 하우징 602를 보여주면서 설명된다. 하우징 602는 성능 저하를 또한 초래할 수 있는, 옷과 같은 가정용 아이템으로 부주의하게 덮여지거나 접촉하게 되는 것에서 전기 회로를 또한 보호한다. 하우징 602는 부착 장치 (나와있지 않은)에 의해 제품에 가까운 벽에 부착되거나 자유롭게 세워 놓을 수 있다. 전력 변환기는 그림 1 그리고 2에 설명된 대로 공공 유틸리티에 의해 공급되는 220 VAC, 50 Hz 전력과 같은 로컬 전력 공급 그리드에 전력 변환기600을 전기적으로 연결하기 위해 AC 입력 플러그 604를 포함한다. 양방향성 실시예에서, DC 입력 610은 PV 어레이에 의해 발생된 DC를 받기 위해 PV 어레이 284 (그림 2)와 같은 PV 어레이에 연결하기 위해 제공된다. 120 VAC, 60 Hz 전력에서 작동하도록 제조된 세탁기, 진공 청소기, 냉장고와 같은 제품을 작동시키기 위해 출력 120 VAC, 60 Hz 전력을 공급하기 위한 제품 플러그 수용기 606도 또한 포함된다.

위에서 설명한 대로, 적응 AC 전력 교환기 600는 즉각적인 전력 사용, 온도, 평균 전력 사용, 사용된 전력의 금전 가치의 계산 그리고 유사한 것들과 같은 성과 정보를 모으고 그 후 그러한 정보를 스마트폰 또는 가정용 컴퓨터 (나와있지 않은) 와 같은 원격 수신기와 통신하도록 Wi-Fi 또는 Bluetooth 응답기(하우징 608에 그려진)를 이용하는 스마트 그리드 연결을 포함할 수 있다. 이러한 방법으로 사용자는 제품에서 유닛 그리고 플러그 된 것의 성과를 추적하고 평가할 수 있다.

그림 7에 관해서, 적응 AC 전력 교환기의 물리적 배열에 대한 사진 삽화는 열 발생 전력 인덕터 702뿐만 아니라 다른 열 발생 회로 부품과 같은 다양한 전력 부품들을 보여준다. 왜냐하면 이들 부품들에 의해 발생한 열로 에워싸여 지거나 또는 수동적으로 소멸되지 못하는 너무 많은 열이 만들어 지기 때문에, 부품들은 히트 싱크 706과 같은 방열 구조물에 방열 관계로 연결된다. 방열을 보완하기 위해서, 하나 또는 그 이상의 외부에 위치하는 팬 708이 또한 추가될 수 있다. 그래서, 내부 온도가 바람직한 수치로 유지되는 동안, 전력 전환기에 의해 생성된 열이 히트 싱크 706에 의해 수동적으로 소멸되지 않을 때, 추가적인 냉각을 제공하려고 히트 싱크로 향하는 팬을 켜기 위해 온도 감지기에 의해 신호가 생성될 수 있다. 히트 싱크 706이 크기에서 증가되거나 감소되면서 적응 AC 전력 교환기의 정격 출력은 증가되거나 감소될 것이다.

비록 출원서가 본보기가 되는 구현들을 설명하고 있지만, 다른 구현도 그 기술 분야의 통상의 지식에서 명백할 것이다. 예를 들면, 비록 출원서가 50 Hz에서의 약 220 VAC의 입력 전력과 60 Hz에서의 120 VAC의 출력 전력과의 연결에서 설명하였지만, 50 Hz 에서의 220 VAC 출력 전력에 60 Hz에서의 120 VAC 입력 전력의 적용도 운용 가능하다.

Claims (30)

1. 전력원으로부터 입력 AC 전력을 받아서 부하를 위해, 입력 AC 전력과는 다른 출력 AC 전력을 제공하는 적응 AC 전력 교환기에 있어서,
   적응 AC 전력 교환기에서 내부적으로 발생된 고주파 소음을 필터링하기 위하여, 입력 AC 전력을 수신하도록 연결된 입력 EMI 필터;
   입력 AC 전력이 적응 AC 전력 교환기에 처음으로 적용될 때 돌입 제어 신호에 대응하여 입력 AC 전력 전류의 진폭을 제한하기 위하여, 입력 AC 전력을 수신하도록 연결된 돌입 전류 제한 회로;
   정류된 입력 전류 파형과 정류된 입력 전압 파형 그리고 정류된 선간 전압 신호에 따라 특징지어지는 정류된 입력 전력을 생성하기 위해 입력 EMI 필터에 연결된 AC 정류기;
   정류기로부터 정류된 선간 전압 신호를 받고 돌입 제어 신호와 적어도 한 개의 PFC 제어 신호를 생성하기 위해 연결된 PFC 컨트롤러;
   정류된 입력 전력과 적어도 한 개의 PFC 제어 신호를 받고 정류된 입력 전력을 수정하여서 정류된 입력 전류의 파형이 정류된 입력 전압의 파형을 따르게 하고 첫 번째 DC 전압 출력을 만들기 위해 연결된 역률보정회로;
   첫 번째 DC 전압 출력과 일반 연결 전압 사이에 두 번째 DC 전압 중간을 생성하기 위해 첫 번째 DC 전압 출력과 일반 연결 전압 사이에 직렬로 연결된 다수의 콘덴서;
   첫 번째 DC 전압과 일반 연결 전압 사이에 두 번째 DC 전압의 중간 관계를 유지하기 위해 다수의 콘덴서에 연결된 밸런싱 전압 회로;
   첫 번째와 두 번째 DC 전압을 받기 위해 연결된 AC 출력 브리지로서,
   두 번째 DC 전압 근사치를 갖는 평균 출력 AC를 생성하기 위한 펄스폭 변조 회로,
   평균 출력 AC를 받기 위해 연결되어 있고 펄스폭 변조회로의 스위칭 주파수에 사이클-투-사이클(cycle-to-cycle) 전류를 제한하고 부하 전류 출력 AC와 부하 전류 제한 신호를 생성하는 부하 전류 제한 회로,
   부하 전류 제한 회로로부터 부하 전류 출력 AC를 가지기 위해 연결되어 있고 병렬로 연결된 첫 번째 인덕터와 두 번째 인덕터 그리고 부하에 적용된 부하 제한 AC 전류가 사전에 정의된 수준보다 낮을 때 LC 필터 바이패스 제어 신호에 대응하여 두 번째 인덕터를 차단하기 위해 병렬로 된 첫 번째와 두 번째 인덕터들에 연결된 바이패스 계전기를 가지는 출력 듀얼 인덕터 LC 필터, 및
   부하 차단 제어 신호에 대응하여 부하로부터 부하 제한 출력 AC를 분리하기 위한 부하 차단 계전기를 포함하는 AC 출력 브리지를 포함하는 AC 출력 브리지;
   를 포함하고,
   상기 AC 출력 브리지는 적어도 부하 전류 제한 신호를 받기 위해 연결된 AC 브리지 컨트롤러, 부하 차단 계전기를 열고 닫기 위한 부하 차단 제어 신호를 생성하기 위해 프로그램 된 AC 브리지 컨트롤러, 출력 바이패스 계전기를 열고 닫기 위한 LC 필터 바이패스 제어 신호, 그리고 펄스폭 변조 회로에 연결된 적어도 한 개의 변조 제어 신호를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
2. 제1항에 있어서,
   적응 AC 전력 교환기에 의해 내부적으로 생성된 고주파 소음을 필터링하기 위하여, 입력 AC 전력을 받기 위해 연결되어 있는 입력 EMI 필터; 및
   출력 AC 전력으로부터 고주파 소음을 필터링하고 전압 감지 신호를 생성하기 위해 부하 차단 계전기에 연결되어 있는 AC 출력 EMI 필터를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기. .
3. 제1항에 있어서,
   AC 입력 전력 정보와 AC 출력 전력 정보를 받기 위한 AC 입력 전력과 AC 출력 전력, 그리고 게다가 적응 AC 전력 교환기의 성과 정보 표시를 얻기 위해 PFC 컨트롤러에 추가로 연결된 모니터링 프로세서를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
4. 제3항에 있어서,
   성과 정보를 원격지와 통신하기 위한 모니터링 프로세서에 연결된 통신 수단을 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
5. 제1항에 있어서,
   입력 EMI 필터, 돌입 전류 제한 회로, 정류기, 역률 보정 회로, PFC 컨트롤러, 연속으로 연결된 많은 콘덴서, 바이어스 및 밸런싱 전압 회로, AC 출력 브리지, 그리고 AC 전력 교환기 전기 회로를 포함하는 AC 출력 EMI 필터 중 적어도 하나는 열을 발생시키는 다수의 부품들을 포함하고,
   상기 적응 AC 전력 교환기는
   윗면 그리고 윗면의 반대인 아래면을 가지는 전기 회로 설치 받침과 설치 받침의 윗면에 설치된 적응 AC 전력 교환기 회로의 적어도 몇 개의 열 발생 부품을 포함하는 하우징, 및
   열 발생 부품에 의해 발생된 열을 없애기 위해 선택된 히트 싱크로서, 상기 히트 싱크는 설치 받침의 아래면에 부착되고, 열 발생 부품이 히트 싱크와 열 전달 관계에 있도록 설치되도록 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 AC 전력 교환기.
6. 제5항에 있어서,
   팬이 켜질 때 히트 싱크로부터 방열 강화를 위해 히트 싱크에 근접한 하우징 외부에 위치한 팬, 및
   열 발생 부품의 온도를 감지하고 온도가 사전에 정의된 온도보다 높을 때 팬을 켜는 온도 감지기를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기. .
7. 제5항에 있어서,
   히트싱크는 적응 AC 전력 교환기가 완전 정격출력으로 작동하도록 충분한 방열을 하도록 선택되는 적응 AC 전력 교환기.
8. 제5항에 있어서,
   적응 AC 전력 교환기가 작동하는 동안 오염물질이 적응 AC 전력 교환기의 작동 효율성을 감소시키지 못하도록 하우징 외부의 환경 오염물질에 대한 노출로부터 적응 AC 전력 교환기 회로를 밀봉하기 위해 구성된 하우징이 있는 적응 AC 전력 교환기.
9. 제1항에 있어서,
   태양광 어레이로부터 생성된 DC 전력을 받아서 부하에 전력을 공급하는 DC 전력 입력을 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
10. 제1항에 있어서,
    입력 AC 전력은 50 Hz 에서 약 220 VAC이고 출력 AC 전력은 60 Hz에서 약 120 VAC인 적응 AC 전력 교환기.
11. 제1항에 있어서,
    입력 AC 전력은 60 Hz에서 약120 VAC이고 출력 AC 전력은 50 Hz에서 약 220 VAC인 적응 AC 전력 교환기.
12. 전력원으로부터 입력 AC 전력을 부하를 위한 출력 AC 전력으로 전환하기 위해 전력원과 부하 사이에 위치하고 그리고 게다가 부하, 전력원 또는 전력원과 부하 모두에게 선택적으로 전력을 공급하기 위해 PV 어레이 인터페이스를 통해 태양광 어레이로부터 DC 전력을 수신하게 하는 적응 AC 전력 교환기에 있어서,
    돌입 제어 신호에 대응하는 돌입 전류 제어 회로로서, 입력 AC 전력이 처음으로 적응 AC 전력 교환기에 적용될 때 입력 AC 전력 전류의 진폭을 제한하기 위해 입력 AC 전력에 연결되는 돌입 전류 제어 회로;
    정류된 입력 전류 파형과 정류된 입력 전압 파형 그리고 정류된 선간 전압 신호로 특징지어지는 정류된 입력 전력을 생성하기 위해 입력 AC 전력에 연결된 정류기;
    정류된 선간 전압 신호를 받고 게다가 돌입 제어 신호와 적어도 한 개의 PFC 제어 신호를 생성하기 위해 연결된 PFC 컨트롤러;
    정류된 입력 전력과 적어도 한 개의 PFC 제어 신호를 받고 정류된 입력 전력을 수정해서 정류된 입력 전류의 파형이 정류된 입력 전압의 파형을 따르게 하고 첫 번째 DC 전압 출력을 제공하기 위해 연결되어 있고, 그리고 게다가 태양광 어레이로부터 DC 전력을 받고 그래서 부하에 전력을, 전력원에 전력을 또는 부하 그리고 전력원 모두에게 전력을 그것으로부터 선택적으로 제공하기 위해 연결된 양방향성 역률보정회로;
    첫 번째 DC 전압 출력과 일반 연결 전압 사이의 두 번째 DC 전압 중간을 생성하기 위해 첫 번째 DC 전압 출력과 그라운드 사이에 직렬로 연결된 다수의 콘덴서;
    첫 번째 DC 전압과 일반 연결 전압 사이에서 두 번째 DC 전압의 중간 관계를 유지하기 위해 다수의 콘덴서에 연결된 밸런싱 전압 회로;
    첫 번째와 두 번째 DC 전압을 받기 위해 연결된 AC 출력 브리지로서,
    두 번째 DC 전압에 참조된 출력 AC 전압을 생성하기 위한 펄스폭 변조 회로,
    출력 AC를 받고 펄스폭 변조 회로의 스위칭 주파수에 사이클-투-사이클(cycle-to-cycle) 주파수를 제한하기 위해 연결되어 있고 부하 전류 제한 신호를 생성하는 부하 전류 제한 회로,
    부하 전류 출력 AC에 연결되어 있고 병렬로 된 첫 번째와 두 번째 인덕터와 부하에 적용된 부하 제한 AC 전류가 사전에 정의된 수준보다 낮을 때 LC 필터 바이패스 제어 신호에 대응하여 두 번째 인덕터를 차단하기 위한 병렬로 된 첫 번째와 두 번째 인덕터에 연결된 바이패스 계전기를 가지는 출력 듀얼 인덕터 LC 필터, 및
    부하 차단 제어 신호에 대응하여 부하로부터 부하 제한 출력 AC를 차단하기 위한 부하 차단 계전기를 포함하는 AC 출력 브리지;
    를 포함하고,
    상기 AC 출력 브리지는 적어도 부하 전류 제한 신호를 가지기 위해 연결된 AC 브리지 컨트롤러, 부하 차단 계전기를 열고 닫기 위해 부하 차단 제어 신호를 생성하기 위해 프로그램 된 AC 브리지 컨트롤러, 출력 바이패스 계전기를 열고 닫기 위한 LC 필터 바이패스 제어 신호, 그리고 펄스폭 변조 회로에 대한 적어도 한 개의 변조 제어 신호를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
13. 제12항에 있어서,
    적응 AC 전력 교환기에 의해 내부적으로 생성된 고주파 소음을 필터링 하기 위해 입력 AC 전력을 받기 위해 연결된 입력 EMI 필터; 및
    출력 AC 전력으로부터 고주파 소음을 필터링하고 전압 감지 신호를 생성하기 위해 부하 차단 계전기에 연결된 AC 출력 EMI 필터를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
14. 제12항에 있어서,
    AC 입력으로부터 AC 입력 전력 정보, AC 출력으로부터 AC 출력 전력 정보, PV 어레이 인터페이스로부터 PV 어레이 인터페이스 정보와 적응 AC 전력 교환기의 성과의 성과 정보 표시를 얻기 위해 PFC 컨트롤러로부터 PFC 컨트롤러 정보를 받고 진행시키기 위해 연결된 모니터링 프로세서를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
15. 제14항에 있어서,
    성과 정보를 원격 수신기에 전달하기 위해 모니터링 프로세서에 연결된 정보 트랜시버를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
16. 제15항에 있어서,
    적응 AC 전력 교환기의 운영을 선택적으로 수정하기 위해 원격 수신기로부터 지침을 받기 위해 연결된 정보 트랜시버가 있는 적응 AC 전력 교환기.
17. 전력원으로부터의 입력 AC 전류로부터 부하를 위해 출력 AC 전류를 생성하는 적응 AC 전력 교환기에 있어서,
    입력 AC 전류를 받기 위해 연결된 AC-DC 회로 스테이지로서,
    정류된 입력 전류 파형과 정류된 입력 전압 파형에 의해 특징지어지는 정류된 전력을 생성하기 위해 연결된 50 Hz AC 정류기;
    정류된 입력 전력을 받고 수정해서 정류된 입력 전류의 파형이 정류된 입력 전압의 파형을 따라가게 하기 위해 연결되고, 첫 번째 VDC 출력을 만드는 역률보정회로; 및
    VDC 인버터 바이어스 전압을 정의하는 첫 번째 VDC 출력과 일반 연결 전압 사이에서 두 번째 VDC 출력 중간을 생성하기 위해 첫 번째 VDC 출력과 일반 연결 전압 사이에서 직렬로 연결된 다수의 콘덴서를 포함하는 AC-DC 회로 스테이지; 그리고
    DC-AC 회로 스테이지로서,
    첫 번째 VDC 출력과 VDC 인버터 바이어스 전압을 받기 위해 연결되어 있고 60 Hz 에서 평균 출력을 생성하는 펄스폭 변조 인버터 회로;
    평균 출력 AC를 받고 펄스폭 변조 인버터 회로의 스위칭 주파수에 사이클-투-사이클(cycle-to-cycle) 주파수를 제한하기 위해 연결된 부하 전류 제한 회로; 및
    평균 출력 AC에 연결되어 있는 출력 듀얼 인덕터 LC 필터로서, 병렬로 연결된 첫 번째 인덕터와 두 번째 인덕터 그리고 부하에 적용된 출력 VAC에 대응하여 두 번째 인덕터를 선택적으로 연결하고 차단하기 위한 병렬로 된 첫 번째와 두 번째 인덕터에 연결된 바이패스 계전기를 가지는 출력 듀얼 LC 필터를 포함하는 DC-AC 회로 스테이지;
    를 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
18. 제17항에 있어서,
    입력 AC 전력원과 입력 AC 전력원으로부터 적응 AC 전력 교환기에 의해 내부적으로 생성된 고주파 소음을 필터링하기 위하여 AC 정류기 사이에 연결된 입력 EMI 필터를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
19. 제18항에 있어서,
    입력 AC 전력이 처음으로 적응 AC 전력 교환기에 적용될 때 입력 AC의 진폭을 제한하기 위해 입력 EMI 필터에 연결된 돌입 전류 제어 회로를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
20. 제17항에 있어서,
    50 Hz AC 정류기가 선간 전압을 가리키는 정류된 선간 전압 신호를 생성하고,
    적응 AC 전력 교환기는,
    AC 정류기로부터 정류된 선간 전압 신호를 받기 위해 연결되어 있고 게다가 정류된 입력 전력을 제어하기 위한 적어도 한 개의 PFC 제어 신호를 생성해서 정류된 입력 전류의 파형이 정류된 입력 전압의 파형을 따라가게 하기 위해 연결된 PFC 컨트롤러를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
21. 제20항에 있어서,
    AC 정류기로 들어가는 전류의 양에 대응하여 돌입 제어 신호를 더 생성하는 PFC 컨트롤러가 있는 적응 AC 전력 교환기.
22. 제17항에 있어서,
    첫 번째 DC 전압과 일반 연결 전압 사이에서 VDC 인버터 바이어스 전압의 중간 관계를 유지하기 위하여 다수의 콘덴서에 연결된 밸런싱 전압 회로를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
23. 제17항에 있어서,
    부하에서 끌어지는 전류가 사전에 정의된 양보다 더 클 때 부하 차단 제어 신호에 대응하여 부하로부터 출력 AC 전력을 분리하기 위한 부하 차단 계전기를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
24. 제17항에 있어서,
    출력 AC 전류로부터 고주파 소음을 필터링하고 출력 AC 전류의 전압의 전압 감지 신호 표시를 생성하는 부하와 DC-AC 회로 사이에 연결된 AC 출력 EMI 필터를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
25. 제24항에 있어서,
    부하 전류 제한 회로는 부하 전류 제한 회로로부터의 전류를 나타내는 부하 전류 제한 신호를 생성하고,
    부하에서 끌어지는 전류가 사전에 정의된 양보다 더 많을 때 부하 차단 제어 신호에 대응하여 부하로부터 출력 AC 전류를 차단하기 위한 부하 차단 계전기; 및
    전압 감지 신호와 부하 전류 제한 신호를 받고 부하 차단 계전기를 열고 닫기 위한 부하 차단 제어 신호, 인덕터 바이패스 계전기를 열고 닫기 위한 LC 필터 바이패스 제어 신호, 및 펄스폭 변조 회로에 연결된 적어도 한 개의 변조 제어 신호를 생성하기 위해 연결된 AC 브리지 컨트롤러;
    를 더 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
26. 제17항에 있어서,
    입력 AC 전력이 약 180 VAC 와 280 VAC 사이에서 다양하고 약 50 Hz이며 출력 AC 전력은 실질적으로 약 120 VAC 및 60 Hz 에서 일정한 적응 AC 전력 교환기.
27. 제17항에 있어서,
    입력 AC 전력이 약 120 VAC 그리고 60 Hz에서 다양하고 출력 AC 전력은 실질적으로 약 220 VAC 및 50 Hz에서 일정한 적응 AC 전력 교환기.
28. 전력원으로부터의 입력 AC 전류로부터 부하를 위해 출력 AC 전류를 생성하는 적응 AC 전력 교환기에 있어서,
    입력 AC 전류를 받고 첫 번째 VDC 출력을 생성하기 위해 연결된 AC-DC 회로 스테이지, 그리고
    DC-AC 회로 스테이지로서,
    첫 번째 VDC 출력을 받기 위해 연결되어 있고 60 Hz 에서 평균 출력 AC를 만드는 펄스폭 변조 인버터 회로;
    평균 출력 AC를 받고 펄스폭 변조 인버터 회로의 스위칭 주파수에 사이클-투-사이클(cycle-to-cycle) 주파수를 제한하기 위해 연결된 부하 전류 제한 회로; 및
    평균 출력 AC에 연결되어 있는 출력 듀얼 인덕터 LC 필터로서, 병렬로 연결된 첫 번째 인덕터와 두 번째 인덕터 그리고 부하에 적용된 출력 VAC에 대응하여 두 번째 인덕터를 선택적으로 연결하고 차단하기 위한 병렬로 된 첫 번째 그리고 두 번째 인덕터들에 연결된 바이패스 계전기를 포함하는 출력 듀얼 인덕터 LC 필터를 포함하는 DC-AC 회로 스테이지;
    를 포함하는 적응 AC 전력 교환기.
29. 제28항에 있어서,
    입력 AC 전력은 약 180 VAC 과 280 VAC 사이에서 다양하고 약50 Hz이며 출력 AC 전력은 약 120 VAC 및 60 Hz에서 실질적으로 일정한 적응 AC 전력 교환기.
30. 제28항에 있어서,
    입력 AC 전력은 약 120 VAC과 60 Hz에서 다양하며 출력 AC 전력은 약 220 VAC 및 50 Hz에서 실질적으로 일정한 적응 AC 전력 교환기.

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