1.發(fā)明領(lǐng)域：一種電力轉(zhuǎn)換，更具體地，一種交流電交換機，其可以適應于來自電網(wǎng)源的可變電壓和頻率特性，并且產(chǎn)生穩(wěn)定的功率輸出，所述穩(wěn)定的功率輸出可以用于對設(shè)計為在輸出功率下工作的普通家用電器供電。

2.相關(guān)申請：本申請要求于2015年2月18日申請的編號為62/1 17,615的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)。本申請還要求于2015年5月27日申請的編號為14/723,108的美國實用申請的優(yōu)先權(quán)。

3.一般背景和現(xiàn)有技術(shù)：許多電器，例如洗衣機、烘干機、洗碗機等需要一般穩(wěn)定的電源，在美國，電源是120VAC、60Hz的電力。這至少部分是由于設(shè)備的定時機構(gòu)取決于用于控制設(shè)備的電力的頻率。例如，設(shè)備將檢測電力的頻率，并將該頻率用作“時鐘”信號，將針對其設(shè)置各種自動操作的排序和持續(xù)時間。因此，如果電力是50Hz等不同的頻率，則在60Hz電力下工作的設(shè)備將不能正常工作。其他設(shè)備功能(例如，驅(qū)動電機)也需要60Hz輸出。當源電力為60Hz時，制造為在50Hz下工作的設(shè)備也是如此。

編號為5,267,134的美國專利中，描述了220VAC、50Hz中的電力轉(zhuǎn)換。但是，該專利沒有考慮典型國際電源的可變頻率和電壓的現(xiàn)實，特別是從不可預測變化的電源接受電力的需要，例如，在220VAC標稱特性附近。在這種情況下，電壓可以從180VAC變?yōu)楦哌_300VAC。因此，消費者應用中的適配器必須能夠適應輸入電力并產(chǎn)生以最小的正弦波失真和諧波調(diào)節(jié)電壓，并受到浪涌保護的輸出電力。

同樣已發(fā)現(xiàn)，適用于消費者應用的轉(zhuǎn)換器必須保持常規(guī)電力能力(大約15安培)，但同時又

要滿足除常規(guī)方法外的幾個經(jīng)常沖突的要求。例如，適配器必須緊湊，以便能夠在物理上適合消費者可用的有限空間。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器本質(zhì)上大且笨重，不適合于消費者應用。此外，消費者環(huán)境受到水分(濕氣)、灰塵、棉絨、衣物等的污染，可能嚴重降低適配器電子器件的性能，尤其是在緊湊環(huán)境中。因此，適配器電子器件必須密封，以防止這些污染物和阻塞物品。這種密封無法使用內(nèi)部風扇進行冷卻，而這是冷卻轉(zhuǎn)換器的常規(guī)方法。因此，必須設(shè)計出能力足夠的被動傳導冷卻。適配器還必須為輕質(zhì)，優(yōu)選地，不超過十至十二磅。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器包括沉重的電感器和變壓器以及其他部件，導致轉(zhuǎn)換器重量高達50-60磅或以上。在許多環(huán)境中，常規(guī)轉(zhuǎn)換器必須在高環(huán)境溫度條件下可靠地工作，從而需要有噪音、穩(wěn)固的主動冷卻系統(tǒng)。

這種方法與消費者適配器的要求不相容，尤其是其中，這種適配器位于封閉或密封環(huán)境中，其冷卻受被動冷卻依賴性的限制。因此，按照設(shè)想，新穎的電路和部件選擇可將電路效率從約87％提高到93％或以上，從而將發(fā)熱減少到被動散熱方法在保持輸出電力的同時足以散熱的程度。

因此，需要一種緊湊、輕質(zhì)且強大的自適應交流電交換機，其可用于消費者環(huán)境中，將接受可從電力公用電網(wǎng)獲得的不可預測的可變交流電，并且將該電力調(diào)節(jié)為在穩(wěn)定、可預測的水平下提供交流電，例如，美國普通家用電器使用的120VAC、60Hz。此外，需要提供一種提供15安培電力的轉(zhuǎn)換器，這是全世界大多數(shù)家用電路的通用電流標準。在許多國家中的電力可變性可包括無電可用時的延長的時間段?；謴碗娫纯赡軙е码娫蠢擞?，從而損壞任何連接的設(shè)備。因此，任何轉(zhuǎn)換器都應該能夠在斷電后恢復供電時在短時間內(nèi)接受大浪涌電流，而不會損壞轉(zhuǎn)換器電路，同時還能保護連接的設(shè)備免受此電涌的影響。此外，因為電壓可以在短時間內(nèi)從低至180VAC變化到高達280VAC，或者甚至高達300VAC，所以任何轉(zhuǎn)換器的電路應當能夠用作電壓調(diào)節(jié)器，以確保電壓輸出基本維持在約120VAC。

還需要一種合適的轉(zhuǎn)換器，其能夠通過密封包含轉(zhuǎn)換器電子器件的殼體在不利的環(huán)境中可靠地運行，所述環(huán)境可包括灰塵或濕氣。這也表示除去了包括內(nèi)部冷卻風扇的所有內(nèi)部移動部件，并且在不使用主動冷卻(例如，在封閉的轉(zhuǎn)換器電路殼體中的風扇)的情況下散熱。

在所描述的消費者環(huán)境和應用中使用常規(guī)電子器件，會出現(xiàn)導致低效率的其他問題。例如，空載功率損耗可導致顯著的性能效率低下。具體來說，當交流輸入電力為220V時，VDC約為400VDC。但是，用于120VAC輸出的適用VDC僅為200VDC。提供400VDC將在電路電感器和電容器上產(chǎn)生高循環(huán)電流，這將產(chǎn)生開關(guān)損耗和傳導損耗。高空載損耗對于家庭應用是嚴重的能量損耗，因為在大多數(shù)時候，負載水平可能非常低。降低能量損耗還將減少產(chǎn)生的熱量，因此需要被動，而不是主動散熱。

第二個問題是當負載水平高時的高功率損耗。具體地，A-D轉(zhuǎn)換器的輸出處的高VDC對于IG-BT和MOSFET需要更高的額定電壓，且對于某些電感器部件需要更高的電感值。較高電壓的IGBT和MOSFET在高電流(高負載)應用中可導致傳導和開關(guān)損耗。高電感電感器還具有高電阻，導致高負載應用中的高功率損耗。

第三個問題涉及高浪涌電流負載，當附接高負載設(shè)備(例如冰箱、空調(diào)、真空吸塵器等)時，可能出現(xiàn)這種負載。在這種應用中，作為對高浪涌電流的反應，電感器上的峰值電流將導致電感器飽和，這又導致電感的損失，使得電路易受損壞。

第四個問題涉及在高直流電壓通過轉(zhuǎn)換器到達輸出的異常情況下可能發(fā)生的損壞，這可能對連接的設(shè)備(負載)本身造成損壞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一種自適應交流電交換機，所述交換機位于電網(wǎng)上的電源和家用電器等的負載之間，用于將來自所述電網(wǎng)源的輸入交流電轉(zhuǎn)換為所述負載的輸出交流電。所述自適應交流電交換機包括輸入電磁干擾濾波器，其接收所述輸入交流電，并濾除由所述自適應交流電交換機內(nèi)部產(chǎn)生的高頻噪聲。所述電磁干擾濾波器還包括浪涌電流控制電路，其用于在最初施加所述輸入交流電時限制所述輸入交流電電流的振幅。所述浪涌控制電路對來自PFC控制器的浪涌控制信號作出反應，從而發(fā)揮作用。整流器(大約處于所述輸入交流電的頻率)聯(lián)接到所述輸入電磁干擾濾波器，用于產(chǎn)生整流輸入電力，其特征在于整流輸入電流波形和整流輸入電壓波形。所述整流器還產(chǎn)生用于所述PFC控制器的整流線電壓信號。

聯(lián)接了功率因數(shù)校正電路，用于接收來自所述整流器的整流輸入電力，和來自所述PFC控制器的所述PFC控制信號，以便修正所述整流輸入電力，使得所述整流輸入電流的所述波形遵循所述整流輸入電壓的所述波形，以提供大約為一的功率因數(shù)。所述功率因數(shù)校正電路然后產(chǎn)生第一直流電壓，其在一項實施例中為400VDC。多個電容器串聯(lián)連接在所述第一輸出直流電壓和公用連接之間，以產(chǎn)生居于所述第一直流電壓輸出和地面之間的第二輸出直流電壓，在400VDC實施例中，所述第二輸出直流電壓為200VDC。偏置和平衡電壓電路聯(lián)接到所述多個電容器，用于保持所述第一直流電壓和所述公用連接之間的所述第二直流電壓的所述居間關(guān)系。

聯(lián)接了交流輸出橋(逆變器)，以便接收所述第一和第二直流電壓。所述交流輸出橋包括：脈沖寬度調(diào)制電路，用于產(chǎn)生具有相對于所述第二直流電壓的零電壓交叉的輸出交流電；負載電流限制電路，其聯(lián)接用于接收所述輸出交流電，將所述周期至周期頻率限制在所述脈沖寬度調(diào)制電路的所述開關(guān)頻率，并產(chǎn)生負載電流限制信號；輸出LC濾波器，其具有兩個電感器和聯(lián)接到負載電流輸出交流電的電容器(以下稱為“雙電感器LC濾波器”)，其包括第一電感器和第二電感器，所述電感器與旁路繼電器(聯(lián)接到所述并聯(lián)第一和第二電感器)并聯(lián)聯(lián)接，用于在施加到負載的所述負載限制交流電流低于預定水平時，對LC濾波器旁路控制信號作出反應，使所述第二電感器去耦；以及負載斷開繼電器，用于對負載斷開控制信號作出反應，將所述負載限制輸出交流電從所述負載斷開。在一項實施例中，所述交流輸出橋產(chǎn)生120VAC、60Hz交流輸出電力。所述負載斷開繼電器為插入的設(shè)備提供浪涌保護。

關(guān)于當輸出交流橋以高于120VAC輸出要求的電壓偏置時的上述開關(guān)損耗和紋波電流，如果使用不必要的高電壓來偏置所述逆變器(例如，來自PFC電路的400VDC)以產(chǎn)生120VAC輸出，在所述逆變器濾波器的所述電感器和電容器中的所述紋波電流增加，導致傳導損耗。較高的電壓也會增加開關(guān)損耗。

因此，在示例性自適應交流電交換機中，提供更適合于120VAC輸出的交流輸出橋(逆變器)的電源偏置電壓(有效+/-200VDC)。這通過在所述PFC電路輸出處的堆疊(串聯(lián))電容器配置來實現(xiàn)。通過用作所述輸出交流波形“零”交叉電壓的所述電容器疊柱的中壓(200VDC參考所述公用連接)，所述橋在所述輸出的正半周有效地偏置為+200VDC(400VDC參考+200VDC中壓)，而在所述輸出的負半周為-200VDC(參考所述中壓和地面之間)。因此，在不使用更復雜和更昂貴電路的情況下，所述逆變器通過較低和更理想的電壓電平偏置，以提高所述逆變器的效率。

關(guān)于所述逆變器的所述輸出濾波器的所述兩個電感器，在輕負載下，使用較高值的電感來減小所述紋波電流。但是，在所述額定輸出電流下工作的這種更高值的電感必然需要非常巨大和沉重的電感器。因此，所述電感器旁路繼電器接通具有較高電流容量的較低值電感器，以增加包括所述輸出濾波器的所述并聯(lián)電感器的總電流容量。這種具有所述旁路繼電器的并聯(lián)電感器布置的顯著益處是啟動一些設(shè)備的高浪涌電流將不會超過所述輸出電感器的容量。沒有這種布置，所述電感器將飽和，導致非常高的峰值電流(其不會流向負載，而是在內(nèi)部循環(huán))，這將造成所述逆變器的災難性故障。因為無法預測消費者將嘗試將什么連接到所述逆變器輸出，所以所述并聯(lián)電感器/旁路繼電器布置通過增加所述電感器電流的容量而在最大程度上減小這種故障的風險，并且不過度增加所述輸出濾波器電感器的尺寸。

交流輸出電磁干擾濾波器聯(lián)接到所述交流輸出橋的所述負載斷開繼電器，用于從所述交流輸出電力中過濾高頻噪聲。到所述交流輸出電磁干擾濾波器的輸入還產(chǎn)生電壓感測信號，其聯(lián)接到所述交流橋控制器，所述交流橋控制器是所述交流輸出橋電路的一部分。交流橋控制器聯(lián)接用于接收所述電壓感測信號和所述負載電流限制信號，并產(chǎn)生負載斷開控制信號(用于開啟和關(guān)閉所述負載斷開繼電器)、LC濾波器旁路控制信號(用于開啟和關(guān)閉所述輸出旁路繼電器)以及至少一個調(diào)制控制信號(用于控制所述脈沖寬度調(diào)制電路的調(diào)制)。

在一項實施例中，所述功率因數(shù)校正電路可配置為雙向，以使所述自適應交流電交換機能夠從通過光伏陣列接口聯(lián)接到所述功率因數(shù)校正電路的所述第一直流輸出電容器的光伏陣列接收直流電。修改的配置取代了具有MOSFET的所述功率因數(shù)校正電路的相位A和相位B電路中的升壓二極管，具有MOSFET的所述輸入整流器橋以及在所述PFC控制器中編程的控制算法經(jīng)修改以實現(xiàn)雙向運行，來自所述光伏陣列的電力可導向所述負載，或者導向所述電網(wǎng)或兩者。

另一方面是結(jié)合功率因數(shù)校正，或者在光伏陣列實施例的中結(jié)合雙向功率因數(shù)校正，其使得電流波形跟隨所述交流輸入電壓波形，以便實現(xiàn)大約為一的功率因數(shù)。功率因數(shù)校正通過向所述自適應交流電交換機供電(電網(wǎng)中的配電損耗降低)而對所述電網(wǎng)產(chǎn)生積極影響，這有效地增加了所述電網(wǎng)的容量。此外，由所述自適應交流電交換機供電的任何設(shè)備將反映/獲取從所述電網(wǎng)觀察到的自適應交流電交換機的近似單位功率因數(shù)，或者在另一個角度上，其將充當諧波濾波器，消除由所述電網(wǎng)上的諧波降低所引起的效率低下和損耗。這對于許多公用設(shè)施供應商是非常重要的，其中，法規(guī)要求設(shè)備設(shè)計為具有較高的功率因數(shù)校正，以防止電網(wǎng)功率損耗，并盡可能提高有效功率的傳送。使用這種自適應交流電交換機可滿足北美以外的許多公用設(shè)施供應商的要求。換言之，不符合北美以外國家的功率因數(shù)校正監(jiān)管要求的電器將在電網(wǎng)中進行功率因數(shù)校正，因此在通過所述自適應交流電交換機供電時為兼容。

在另一實施例中，所述自適應交流電交換機可配置為雙向，使得其可以從附接的光伏面板接收太陽能，并且向插入所述自適應交流電交換機中的設(shè)備提供所需的全部或一些電力，或者在沒有向插入的設(shè)備提供電力，或所述太陽能面板正產(chǎn)生比所述自適應交流電交換機所需更多的電力時，可產(chǎn)生并向所述電網(wǎng)提供電力(賣給電力公司的電力)。

在另一項實施例中，所述自適應交流電交換機可包括信息管理能力，所述信息管理能力可包括遠程通信能力。具體地，因為所述電力自適應交流電交換機連接在所述負載(例如設(shè)備)和所述電網(wǎng)之間，所以可以獲得電力使用、設(shè)備運行成本、使用時間等其他信息，并通過藍牙、Wi-Fi或其他通信工具傳輸?shù)街悄苁謾C等遠程接收器，從而使消費者能夠遠程監(jiān)控所連接設(shè)備的運行和性能。消費者然后可以設(shè)計方案，以在某些時間利用所述電器，從而節(jié)省能源成本。在另一實施例中，所述電力和系統(tǒng)監(jiān)控器可聯(lián)接到所述交流輸出控制器，使得用戶可以修改所述交流輸出控制器程序，或校正固件錯誤，從而遠程更改所述自適應交流電交換機的功能。

通過以下結(jié)合附圖考慮的詳細說明，這些以及其他特征將變得顯而易見。

附圖說明

圖1是展示自適應交流電交換機的框圖；

圖2是展示具有電力監(jiān)控器、Wi-Fi和太陽能輸入的自適應交流電交換機的框圖；

圖3-5是圖1的框圖中所示的自適應交流電交換機的詳細電氣示意圖；

圖3A-3C是圖3的電路經(jīng)修改，以使其成為雙向的運行詳細描述。

圖6是圖2所示的自適應交流電交換機的物理殼體的示意圖，展示了Wi-Fi通信和太陽能特征；

圖7是自適應交流電交換機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖示，展示了散發(fā)熱量的散熱器和發(fā)熱電路部件的散熱布置。

具體實施方式

參考圖1并結(jié)合圖3-5所示的具體電路實施例，自適應交流電交換機系統(tǒng)100聯(lián)接在交流電源102和負載180(例如，家用電器)之間。交流電源102可以是到公用電網(wǎng)的連接，在以下所示的實施例中，通常將提供220VAC、50Hz的店里，但是電力可以隨時間在頻率和電壓兩者上有所變化。例如，電壓可以在180VAC到280VAC之間變化，頻率可以在40-60Hz之間變化。此外，由公用設(shè)施提供的電網(wǎng)上的交流電可為間斷性。

負載180通常是具有電機、伺服機，以及用于控制電機和伺服機的順序和定時的定時電路的設(shè)備。驅(qū)動那些設(shè)備的電力必須基本上穩(wěn)定，在所示實施例中，將是120VAC、60Hz。因此，自適應交流電交換機必須能夠接受具有可變電力特性的電力，將該電力轉(zhuǎn)換成與家用電器(例如，真空吸塵器、冰箱、洗衣機、烘干機等)的要求相兼容的穩(wěn)定輸出電力，并且能夠在斷電和電力恢復時的浪涌環(huán)境中運行。

自適應交流電交換機包括輸入交流-直流電力級104，其包括交流輸入電磁干擾濾波器106，用于對由自適應交流電交換機100產(chǎn)生的高頻噪聲進行濾波，防止該噪聲被反射回電網(wǎng)。輸入電磁干擾濾波器106包括浪涌控制繼電器108，用于限制流入交流-直流電力級104中的50Hz交流橋(整流器)和濾波器114的輸入交流電103的幅度。當最初施加輸入交流電103時，浪涌控制繼電器108開啟，而在電容器和存儲電力的其他部件已經(jīng)有時間充分充電時，則對浪涌控制信號110作出反應而關(guān)閉。這確保在施加或恢復供電后，在初始充電時間內(nèi)產(chǎn)生的有害電力尖峰和浪涌不會損害其他電路部件。因此，浪涌控制繼電器108用作自適應交流電交換機100的浪涌保護器。浪涌控制繼電器108由來自PFC控制器112的浪涌控制信號110控制，PFC控制器包括微處理器，其編程為根據(jù)預選標準控制交流-直流電力級104的運行。PFC控制器112可以(例如)是Texas Instrument UCC28070A控制器，其根據(jù)Texas Instrument針對該控制器發(fā)布的應用注釋互連和編程。

作為整流器電路114的50Hz交流橋和濾波器產(chǎn)生用于功率因數(shù)校正(PFC)電路116的220VAC整流電力118。整流電力118的特征在于整流輸入電流波形和整流輸入電壓波形。整流器電路114還產(chǎn)生整流線電壓信號120，其作為輸入聯(lián)接到PFC控制器電路112。PFC電路可以多種拓撲結(jié)構(gòu)中的任意拓撲結(jié)構(gòu)為特征。但是，在所示的示例性實施例中，PFC電路116包括PFC相位A電路122和PFC相位B電路124，其各自從整流器電路114接收整流電力118。

PFC控制器112接收整流線電壓信號120，并產(chǎn)生聯(lián)接到PFC相位A電路的第一控制信號123，以及聯(lián)接到PFC相位B電路的第二控制信號125，以便控制整流輸入電力118，使得整流輸入電流波形遵循整流輸入電壓波形。具體地，相位A和相位B電路122和124在PFC控制器112的控制下受到脈沖寬度調(diào)制，使得流過電感器(參見圖3，分別為電感器302和304)的平均電流具有遵循交流輸入電壓波形的電流波形。結(jié)果是輸入功率因數(shù)大約為一，其表示從電網(wǎng)到自適應交流電交換機100的最大電力傳遞效率。在圖1至5中所示的電路中的功率因數(shù)校正電路116的VDC輸出130為400VDC。

VDC輸出130聯(lián)接到在VDC輸出130和公用連接點133之間串聯(lián)互連的大容量電容器132，以提供與VDC輸出130的電壓相同的第一VDC輸出134和第二VDC輸出136，其介于公用連接和第一VDC輸出130之間，更優(yōu)選地，具有VDC 134和公用連接之間電壓一半的電壓電勢，以便如上所述，為逆變器限定偏置零電壓。對于產(chǎn)生具有與消費者設(shè)備負載的要求兼容的穩(wěn)定電壓和頻率特性的輸出電力，重要的是使第二VDC輸出電壓盡可能保持接近公用連接電壓和第一VDC電壓130之間電壓的一半。例如，如果在所公開的實施例中的第一VDC電壓為400VDC，其在短時間內(nèi)降低到360VDC，則第二VDC電壓也必須從200VDC降低到180VDC。為了將第二VDC輸出136的電壓維持在公用連接電壓和第一VDC輸出134之間的中間點，偏置電壓和伴隨體電壓平衡電路138產(chǎn)生平衡電流139，該電流聯(lián)接到大容量電容器132。圖4展示了代表性的偏置電壓和體電壓平衡電路118，其中，電路119的平衡部分包括自振蕩橋驅(qū)動器402，其可以是Fairchild FAN7387驅(qū)動器，但也可以是由其他許多制造商生產(chǎn)的其他類似的橋驅(qū)動器。當圖3中的電容器312和314(統(tǒng)稱為大容量電容器132)不處于相同電壓下時，平衡電路119創(chuàng)建路徑，并允許+¹/₂2VDC能量132和-1/2VDC能量136彼此轉(zhuǎn)移，從而平衡輸出電壓134和136。

回到圖1，第一VDC輸出134和第二VDC輸出136聯(lián)接到直流-交流級140，該直流-交流級包括60Hz交流橋逆變器(脈沖寬度調(diào)制)電路142，其將第一VDC輸出電壓134(400VDC)轉(zhuǎn)換為具有400伏的幅度和(例如)20kHz頻率的脈動電壓。以這樣的方式調(diào)制脈沖的寬度，以便在通過輸出濾波器148之后產(chǎn)生200VDC的直流電壓加120VAC、60Hz的正弦波。輸出濾波器148對來自調(diào)制輸出144的開關(guān)頻率的諧波進行濾波，以提供平滑的60Hz輸出。

更具體地，調(diào)制交流輸出144聯(lián)接到負載電流限制電路146，該電路測量調(diào)制交流輸出144的電流，并且生成負載電流限制信號156，其聯(lián)接到交流橋控制器158。負載電流限制146的輸出150聯(lián)接到輸出雙電感LC濾波器148。

參考圖5，輸出雙電感LC濾波器148包括與旁路繼電器152并聯(lián)聯(lián)接的兩個電感器504和506，用于(例如)對旁路控制信號154作出反應而去耦電感器506。交流橋控制器158對來自負載電流限制電路和交流輸出電磁干擾濾波器171的輸入信號作出反應，產(chǎn)生旁路控制信號154，以使自適應交流電交換機100的耗散功率減少，從而以前述的更大功率效率運行。

回到圖1，輸出雙電感LC濾波器148生成經(jīng)濾波和限制的VAC輸出167，其聯(lián)接到負載斷開繼電器168。只要交流橋控制器158感測到故障(即不可接受或有害的頻率、電流或電壓)，負載斷開繼電器168就使自適應交流電交換機100與負載180斷開。如果沒有感測到故障，則將在斷開繼電器168的輸出處經(jīng)濾波和限制的VAC電力170提供給交流輸出電磁干擾濾波器171，其對VAC輸出170上的任何高頻噪聲進行濾波。這種噪聲在內(nèi)部由自適應交流電交換機100的開關(guān)電路產(chǎn)生，并且應當從實際提供給負載180的電力中消除。此外，交流輸出電磁干擾濾波器171產(chǎn)生交流電壓信號172，其聯(lián)接到交流橋控制器158。

交流橋控制器158是微處理器，其經(jīng)編程以接收由負載電流限制電路146產(chǎn)生的負載電流限制信號156，以及來自交流輸出電磁干擾濾波器171的交流電壓信號172，并且生成第一逆變器控制信號161和第二逆變器控制信號159(分別用于第一驅(qū)動器162和第二驅(qū)動器160，其控制交流橋(逆變器)電路142的運行)；旁路控制信號154，用于控制開啟和關(guān)閉電感器旁路繼電器152；以及負載斷開繼電器控制信號166，用于控制負載斷開繼電器168。

再次參考圖5，在一項實施例中，交流橋142具有半橋拓撲結(jié)構(gòu)，其在聯(lián)接到輸出雙電感LC濾波器148時可實現(xiàn)非常低水平的空載損耗和較高的效率(例如，與全橋拓撲結(jié)構(gòu)相比)。電感器旁路繼電器152開啟以斷開電感器506，從而在負載水平低時增加有效電感，并且降低由于電感器紋波電流所引起的功率損耗。

在運行中，交流橋控制器158編程為在所選擇的時間和條件下產(chǎn)生控制信號，以便在最大程度上減小使功率損耗，并且在所示的實施例中產(chǎn)生穩(wěn)定的120VAC、60Hz電力輸出182，用于運行各種設(shè)備(例如，負載180)，無論交流電102的電壓和頻率如何。

參考圖2，雙向自適應交流電交換機200另外包括電力和系統(tǒng)監(jiān)控器288、收發(fā)器286(例如，Wi-Fi或藍牙)和聯(lián)接到外部光伏陣列284的光伏(PV)陣列接口283，以及下文將描述的雙向功率因數(shù)校正電路216。如圖1的實施例所示，雙向自適應交流電交換機聯(lián)接用于從輸入交流電源202(例如，具有可變220VAC、50Hz電力特征)接收電力；包括浪涌控制繼電器208的交流輸入電磁干擾濾波器206；交流-直流整流器114；偏置電壓和體電壓平衡電路238；包括脈沖寬度調(diào)制器242、驅(qū)動器260和262、負載電流限制246、輸出雙電感LC濾波器248、電感器旁路繼電器252、負載斷開繼電器268和交流橋控制器258的交流輸出橋(逆變器)和濾波電路240；以及交流輸出電磁干擾濾波器264與圖1中描述的自適應交流電交換機電路100的對應部分基本相同，并且參考并入圖2中的這些元件的先前描述。與圖1的實施例一樣，交流輸入和電磁干擾濾波器206可防止內(nèi)部開關(guān)噪聲傳導回電網(wǎng)和輸入交流電源202。

為了使用來自光伏陣列284的電力接收和運行電器，整流器214和功率因數(shù)校正電路216必須從圖1和圖3-5中描述和展示的模擬電路修改為雙向，以使光伏陣列產(chǎn)生未被連接的設(shè)備(負載)280使用的電力時，將來自光伏陣列284的直流電將提供給電網(wǎng)202?；蛘?，當連接一個或多個設(shè)備時，通過光伏陣列接口283提供的光伏陣列電力用于供應負載280的所有或部分電力要求。當為負載280供電所需的電力大于可由光伏陣列284提供的電力時，來自電網(wǎng)的電力將用于補充由光伏陣列接口283供應的電力。通過將橋二極管306(圖3)替換為所示50Hz交流整流器中的MOSFET來實現(xiàn)雙向電力流。

雙向功率因數(shù)校正電路216配置為向交流輸出橋(60Hz逆變器負載)和濾波器240供電，或者將通過光伏陣列接口283接收的來自光伏陣列284的電力傳送到電網(wǎng)202。為了在雙向功率因數(shù)校正電路中實現(xiàn)這種雙向電力流，相位A和相位B電路322和324(圖5)中的升壓二極管分別由MOSFET所替代，并且在PFC控制器212中編程的控制算法經(jīng)修改以提供對線電壓信號作出反應的控制信號223和225，該線電壓信號表示是否從輸入交流電源202處的電網(wǎng)提供電力。

為進行說明，圖3A是圖3所示的單向PFC電路的簡化示意圖。實線箭頭表示220VAC源的正半周電流流動，虛線箭頭表示220VAC源的負半周電流流動。如圖所示，電流僅通過二極管306從陽極流向陰極。電力流也從220VAC流到逆變器負載340。電感器342中的平均電流遵循220VAC輸入的電壓波形。通過MOSFET 344和二極管346的電流經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制，以便在電感器342中產(chǎn)生平均電流波形。

圖3B展示了當太陽能電池陣列如圖所示連接時，使上述單向PFC電路變?yōu)殡p向所需的更改。如上所述，二極管306(圖3A)由n通道MOSFET 356所替代。在該圖示中，光伏陣列284不提供任何電力。對于從220VAC輸入流向逆變器負載340的電力流，電流以與流過圖3A中的二極管306相同的方式流過MOSFET 356的體二極管。由于功率效率的原因，理想但非必要的是，在220VAC源的正半周期間一起接通MOSFET 358和360，并且在220VAC源的負半周期間接通MOSFET 362和364。MOSFET 366和368以與圖3A中相同的方式，作為同步升壓發(fā)揮作用，并且由控制器212(圖2)調(diào)制，以便在電感器342中產(chǎn)生遵從220VAC源的波形的平均電流波形。

圖3C展示了當電力流從太陽能電池陣列流到220VAC的源時，來自光伏陣列284的電流供應到電網(wǎng)，該電網(wǎng)是輸入220VAC的源。在該示例中，光伏陣列284產(chǎn)生多余的電力，其供應到400V總線370。實線箭頭表示在正半周期間流向電網(wǎng)的電流，虛線箭頭示出在負半周期間流向電網(wǎng)的電流。如果來自光伏陣列284的電力超過負載340的電力要求，則多余的電力將傳送到220VAC源。在這種情況下，MOSFET 366和368作為同步降壓發(fā)揮作用，并且經(jīng)調(diào)制以維持同樣遵從220VAC源波形的電流波形。因為MOSFET交流橋356中的電流現(xiàn)在以與圖3B所示的方向(從漏極到源極)相反的方向流動，所以在220VAC源的正半周期間，MOSFET 358和360一起接通，而在220VAC源的負半周期間，MOSFET 362和364一起接通。

電力流的轉(zhuǎn)變由400VDC總線370的電力幅度控制。在電力從220VAC源流到負載340的正常運行期間，PFC的400VDC總線輸出由控制器調(diào)節(jié)，以保持400VDC。如果足夠的電力從太光伏陣列284注入到400VDC總線370上，則如果負載小于太陽能電池陣列的容量，電壓將增加到高于400VDC。PFC的拓撲結(jié)構(gòu)現(xiàn)在更改為如圖3C所示，以通過將多余的電力送回220VAC源來降低400VDC總線上的過電壓。PFC保持在調(diào)節(jié)400VDC總線的這種模式中，直到負載增加到光伏陣列284的容量之上，使得400VDC總線370上的電壓降低到正常的400VDC以下，此時，該拓撲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換回正常的220VAC源以負載電力流，如圖3B所示。

當交流輸出電力282從交流輸出電磁干擾濾波器傳遞到負載280時，PFC控制器212確保輸入電流波形遵從輸入電壓(電網(wǎng))波形，如前所述。該雙向功率因數(shù)校正拓撲結(jié)構(gòu)利用超出相位180度的相位A電路222和相位B電路224，從而有效地使開關(guān)頻率加倍。使用相位A和相位B電路還減小了升壓電感器302和304，相關(guān)聯(lián)的升壓MOSFET 307和308以及升壓二極管322、324的尺寸，以便分割相位A和相位B電路之間的功率耗散。大容量電容器132串聯(lián)配置以形成分壓器，在一項實施例中，分壓器在各電容器分段上產(chǎn)生200VDC，共計400VDC。200VDC節(jié)點用作交流輸出橋的參考電壓。

在包括光伏陣列284和常規(guī)光伏陣列接口283的實施例中，接口283包括控制功能(例如，自動調(diào)節(jié)從光伏陣列獲取的電量)。這通常由測量光伏陣列的可變電流和電壓的微控制器(或DSP)(未示出)完成，然后調(diào)節(jié)從光伏陣列獲取的電流量，以使太陽能電池陣列盡可能多地吸收電力，同時保持來自雙向功率因數(shù)校正電路216的400VDC輸出。光伏陣列接口始終處于活動狀態(tài)。由于可從陣列獲得的電力隨可用的陽光而變化，PFC控制器212能夠通過從電網(wǎng)獲取電力，或者使來自光伏陣列的多余電力導回電網(wǎng)來補充交流輸出橋(逆變器)和濾波器240所需的電力。

電力和系統(tǒng)監(jiān)控器288聯(lián)接用于接收指示來自電源202的輸入交流電的信號，以接收指示來自交流輸出電磁干擾濾波器264的輸出電力282的信號，以及來自光伏陣列接口283的電力輸出信號。監(jiān)控器還聯(lián)接到PFC控制器212和交流橋控制器258，用于接收(例如)關(guān)于電力輸出和控制參數(shù)的信息。

除了跟蹤和控制自適應交流電交換機200中的電力流之外，監(jiān)控器288可以聯(lián)接到Wi-Fi收發(fā)器286等收發(fā)器，以便將信息(例如，輸入和輸出功率電平、工作時間、設(shè)備負載的能耗、內(nèi)部溫度、電力成本以及任何其他所需和可用的參數(shù))發(fā)送到智能手機等遠程接收器(未示出)。

可以將自適應交流電交換機200上和用戶智能手機上的警報結(jié)合，以便在出現(xiàn)過度的內(nèi)部溫度、過度的輸入或輸出電力、電力成本節(jié)省量和其他類似參數(shù)的報告時給出信息。此外，智能手機或其他遠程控制器可以用于改變或以其他方式選擇性訪問性能測量，其可以是交流橋控制器258的編程功能。此外，新功能或錯誤校正可以在交流橋控制器258的微控制器中重新編程。

接下來參考圖6，其為自適應交流電交換機600的圖示，展示了殼體602，該殼體優(yōu)選地進行封閉，以防止灰塵和其他污染物進入殼體的內(nèi)部，從而在最大程度上減小由這種污染物所造成的性能退化風險。殼體602還保護電子電路免于受到無意覆蓋或與衣物等家用物品接觸(這也可能會降低性能)。殼體602可以通過附接機構(gòu)(未示出)附接到設(shè)備附近的壁，或者可以是獨立式。電力交換機包括交流輸入插頭604，用于將電力交換機600電連接到本地供電電網(wǎng)(例如，圖1和圖2所示的公用設(shè)施供應的220VAC、50Hz電力)。在雙向?qū)嵤├校峁┲绷鬏斎?10，用于聯(lián)接到光伏陣列284(圖2)等光伏陣列，以便接收由光伏陣列產(chǎn)生的直流電。還包括設(shè)備插頭接收器606，用于提供輸出120VAC、60Hz電力，以便運行制造為在120VAC、60Hz電力下工作的洗衣機、吸塵器或電冰箱等設(shè)備。

如上所述，自適應交流電交換機600可以包括使用Wi-Fi或藍牙應答器(在608處的殼體上示出)的智能電網(wǎng)連接，用于收集瞬時電力使用、溫度、平均電力使用和所用電力的貨幣價值計算等性能信息，然后將該信息傳送到智能手機或家用電腦(未示出)等遠程接收器。以這種方式，用戶可以跟蹤和評估裝置以及插入設(shè)備的性能。

參考圖7，其為自適應交流電交換機的物理布置的照片圖示，展示了各種電力部件(例如，發(fā)熱電感器702以及其他發(fā)熱電路部件)。由于這些部件產(chǎn)生的熱量被封閉，或產(chǎn)生了超過被動散熱能力的熱量，因此這些部件以散熱關(guān)系聯(lián)接到散熱器706等散熱結(jié)構(gòu)。為了補充散熱，還可以添加一個或多個外部固定的風扇708。因此，當電力交換機產(chǎn)生的熱量無法由散熱器706被動散熱，并將內(nèi)部溫度保持在所需值時，可以由溫度傳感器產(chǎn)生信號，以開啟朝向散熱器的風扇，從而提供額外的冷卻。散熱器706可以在尺寸上增大或減小，并且在這樣做時，自適應交流電交換機的額定功率輸出將增加或減小。

雖然本申請描述了示例性實施例，但是其他實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見。例如，盡管已經(jīng)描述了50Hz的約220VAC的輸入電力和60Hz的120VAC的輸出電力的應用，60Hz的120VAC輸入電力和50Hz的220VAC的輸出電力適應同樣可行。