基于绝缘栅双极晶体管/场效应晶体管的节能设备、系统和方法

摘要

一种节能设备，包括：相输入连接，输入具有模拟信号的预定量的能量：过零伏点检测器，确定模拟信号的过零伏点；半周识别器，识别模拟信号的正半周和负半周；逻辑设备，将模拟信号的正半周和负半周发送到数字信号处理器；驱动控制，向模拟信号提供脉冲宽度调制来减少预定量的能量，以产生减小的能量，驱动控制与数字信号处理器电连接；相输出连接，输出减小的能量，驱动控制包括正半周控制晶体管、负半周控制晶体管、第一分流控制晶体管和第二分流控制晶体管，正半周控制晶体管向模拟信号的正半周提供脉冲宽度调制，负半周控制晶体向模拟信号的负半周提供脉冲宽度调制，第一和第二分流控制晶体管被配置成发送开关，以箝位反电动势。

说明书

本申请是国际申请日为2008年8月5日，进入中国国家阶段日为2010 年4月13日，国家申请号为200880111387.0，题为“基于绝缘栅双极晶 体管/场效应管的节能设备、系统和方法”的发明专利申请的分案申请。

背景技术

本发明涉及节能设备、系统和方法，更具体地涉及基于绝缘栅双极晶 体管/场效应晶体管（IGBT/FET）的节能设备、系统和方法，用于节约额 定线电压以下和/或额定电器电压以下的预定量的电压，从而节约了能量。

自从工业革命以来，世界的能量消耗以稳定速率增长。大部分生成的 功率和消耗的能量来自于正在快速耗尽的矿物燃料（一种不可更新的自然 资源）的燃烧。随着地球的自然资源继续耗尽，对于国内和国外的政府来 说功率生成和节能已变成越来越重要的议题。另外，不仅政府关心功率生 成和节能，而且随着针对这些资源的成本在快速增加，商业和消费者也关 心。

不仅存在关于功率生成和节能的世界范围的关注，而且还存在关于功 率分配、特别是在新兴经济体中的功率分配的关注。尽管功率消耗和节能 非常重要，但功率分配的问题也很重要，因为其涉及的现有基础设施通常 不能适当地分配功率且不能容易地适于改进。这种有问题的情况表现为 “灯火变暗”，其中在电网/发电过载的情况下不能保持额定的交流（AC） 电压。

当前，政府实体和电力公司试图通过在电网上的合适地点提升AC电 压或添加切断发电来补偿灯火变暗的发生。该方法通常导致对于家庭和/ 或商业中的消费者可用的非常不同的电压。电压上升可从百分之十到百分 之十五（10%-15%），且由于通过电压²/负载来计算功率，政府实体和电 力公司“补偿”的结果可以导致对于消费者的收费增加多达百分之二十五 （25%）。因此，不是节约能量，政府实体和电力公司在消耗能量。

而且，尽管商业和家庭中使用的大部分电器和设备能够在低于额定电 压百分之十（10%）的情况下完全符合规格地运行，但是大部分节能设备 不采用该特征。因此，针对节能的进一步潜力往往被忽视。

因此，需要一种基于IGBT/FET的节能设备、系统和方法，其中节 省了额定线电压以下和/或额定电器电压以下的预定量的电压，从而节约 了能量。

相关现有技术包括以下参考文献：

发明内容

本发明的主要目的是提供一种节能设备，包括：至少一个相输入连接， 被配置成输入具有至少一个模拟信号的预定量的能量：至少一个过零伏点 检测器，被配置成确定所述至少一个模拟信号的至少一个过零伏点；至少 一个半周识别器，被配置成识别所述至少一个模拟信号的至少一个正半周 和所述至少一个模拟信号的至少一个负半周；至少一个逻辑设备，被配置 成将所述至少一个模拟信号的所述至少一个正半周和所述至少一个模拟 信号的所述至少一个负半周发送到被配置成处理所述至少一个模拟信号 的至少一个数字信号处理器；至少一个驱动控制，被配置成通过向所述至 少一个模拟信号提供脉冲宽度调制来减少所述预定量的能量，以产生减小 的能量，其中所述至少一个驱动控制与所述至少一个数字信号处理器电连 接；以及至少一个相输出连接，被配置成输出所述减小的能量，其中所述 至少一个驱动控制包括正半周控制晶体管、负半周控制晶体管、第一分流 控制晶体管和第二分流控制晶体管，所述正半周控制晶体管被配置成向所 述至少一个模拟信号的所述至少一个正半周提供脉冲宽度调制，所述负半 周控制晶体管被配置成向所述至少一个模拟信号的所述至少一个负半周 提供脉冲宽度调制，所述第一分流控制晶体管和所述第二分流控制晶体管 被配置成发送开关，以箝位反电动势。

本发明的另一目的是提供一种节能系统，包括：节能设备，所述节能 设备包括：至少一个相输入连接，被配置成输入具有至少一个模拟信号的 预定量的能量：至少一个过零伏点检测器，被配置成确定所述至少一个模 拟信号的至少一个过零伏点；至少一个半周识别器，被配置成识别所述至 少一个模拟信号的至少一个正半周和所述至少一个模拟信号的至少一个 负半周；至少一个逻辑设备，被配置成将所述至少一个模拟信号的所述至 少一个正半周和所述至少一个模拟信号的所述至少一个负半周发送到被 配置成处理所述至少一个模拟信号的至少一个数字信号处理器；与所述至 少一个数字信号处理器电连接的至少一个通信接口；至少一个驱动控制， 被配置成通过向所述至少一个模拟信号提供脉冲宽度调制来减少所述预 定量的能量，以产生减小的能量，其中所述至少一个驱动控制与所述至少 一个数字信号处理器电连接；以及至少一个相输出连接，被配置成输出所 述减小的能量，其中所述至少一个驱动控制包括正半周控制晶体管、负半 周控制晶体管、第一分流控制晶体管和第二分流控制晶体管，所述正半周 控制晶体管被配置成向所述至少一个模拟信号的所述至少一个正半周提 供脉冲宽度调制，所述负半周控制晶体管被配置成向所述至少一个模拟信 号的所述至少一个负半周提供脉冲宽度调制，所述第一分流控制晶体管和 所述第二分流控制晶体管被配置成发送开关，以箝位反电动势，与所述节 能设备电连接的电源单元，被配置成为所述节能设备供电；以及计算单元， 包括窗口接口和与所述节能设备的所述至少一个通信接口电连接的通信 接口。。

本发明的又一目的是提供一种节能系统，包括：用于输入具有至少一 个模拟信号的预定量的进入能量的装置；用于确定所述至少一个模拟信号 的至少一个过零伏点的装置；用于识别所述至少一个模拟信号的至少一个 正半周和所述至少一个模拟信号的至少一个负半周的装置；用于将所述至 少一个模拟信号的所述至少一个正半周和所述至少一个模拟信号的所述 至少一个负半周发送到用于处理所述至少一个模拟信号的至少一个处理 装置的装置；用于减小所述预定量的能量的所述至少一个模拟信号以产生 减小的能量的装置；以及用于输出所述减小的能量的装置。

本发明的又一目的是提供一种减小节能设备的能量消耗的方法，包 括：输入具有至少一个模拟信号的预定量的能量；确定所述至少一个模拟 信号的至少一个过零伏点；识别所述至少一个模拟信号的至少一个正半周 和所述至少一个模拟信号的至少一个负半周；处理所述至少一个模拟信 号；通过向所述至少一个模拟信号提供脉冲宽度调制来减小所述预定量的 能量；以及输出减小的能量。

本发明的又一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其可用于各种应用，包括但不限于整个家庭节能设备、马达控制器、小型 电器稳压器以及需要测量AC电流的任何应用。

本发明的另一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其可用于以下：冰箱、制冷器、空气调节器、AC电动机和AC电压的控 制器；单、双和多相整个家庭节能设备；商业和工业节能设备；以及AC 电压调节器。

本发明的又一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其可实际上消除由电网上能量过载导致的灯火变暗。

本发明的又一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其减小电网上的负载。

本发明的另一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其可用来减小在峰值负载时间期间施加在电网上的负载。

本发明的又一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其允许政府实体和/或电力公司与生产和/或传送观点相对地从需求的观点 管理功率。

本发明的另一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其成本在系统中利用的装备的初始成本被摊销之后是较低的。

本发明的另一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其提供准确的功率控制和调节。

本发明的另一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其中设备可被用户编程以便在特定时间和/或日期时段起作用。

本发明的又一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其中用户可编程单个和/或多个节能百分比减小。

本发明的又一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其可适用于多个功率和/或频率。

本发明的又一目的是提供尺寸上可以较小的基于IGBT/FET的设备、 系统和方法。

本发明的另一目的是提供一种优选地终端用户负担得起的基于 IGBT/FET的设备、系统和方法。

本发明的又一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其允许用户在消耗点而不是发电点管理峰值需求。

本发明的另一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其提供中央处理单元（如果使用了的话）与AC电源的电流隔离。

本发明的又一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其可包括同步或随机脉冲宽度调制。

本发明的另一目的是提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法， 其减小由当前利用的节能设备导致的谐波。

本发明通过提供一种基于IGBT/FET的设备、系统和方法来实现上 述和其他目的，其中节省了额定线电压以下和/或额定电器电压以下的预 定量的电压，从而节约了能量。提供相输入连接以将模拟信号输入到该设 备和系统。磁通集中器感测输入模拟信号并且过零伏点检测器确定信号的 过零伏点。信号的正半周和负半周被识别出并且被发送到用于处理信号的 数字信号处理器。信号被驱动器控制通过脉冲宽度调制减小，并且输出了 减小的能量，从而对终端用户产生节能。

本领域技术人员在结合附图阅读了以下详细描述之后应该更清楚本 发明的以上和其他目的、特征和优点，在附图中示出并描述了本发明的示 例实施例。

附图说明

在以下详细描述中，将参考附图，在附图中：

图1是用在三相电系统中的本发明的基于IGBT/FET的设备和系统 的框图；

图2是本发明的感测装置的透视平面图；

图3是本发明的感测装置的电路图；

图4是本发明的信号调节装置的电路图；

图5是本发明的过零伏点确定装置的波形图；

图6是本发明的过零伏点确定装置的电路图；

图7是本发明的缺失检测装置以及相位旋转确定和旋转装置的电路 图；

图8示出了本发明的半周识别装置的电路图；

图9示出了本发明的半周识别装置的波形图；

图10示出了本发明的半周识别装置的波形图；

图11A是本发明的路由装置的电路图；

图11B是图11A的电路图的延续部分；

图11C是图11A和11B的端口编程器的电路图；

图11D是图11A和11B的电阻器支持的电路图；

图11E是图11A和11B的连接器的电路图；

图12A是本发明的降压装置的波形图；

图12B是基于IGBT的本发明的降压装置的波形图；

图12C是本发明的基于IGBT的降压装置的电路图；

图12D是图12C的基于IGBT的降压装置的驱动电路的电路图；

图12E是基于FET的本发明的降压装置的波形图；

图12F是本发明的基于FET的降压装置的电路图；

图12G是图12F的基于FET的降压装置的驱动电路的电路图；

图13是本发明的组合复位装置和指示器装置的电路图；

图14是本发明的供电装置的电源单元的电路图；

图15A是本发明的通信装置的电路图；

图15B是图15A的通信装置的USB接口的电路图；

图15C是图15A的通信装置的隔离器块的电路图；

图15D是将图15A的通信装置连接到数字信号处理器的第一连接器 的电路图；

图15E是图15A的通信装置的第二连接器的电路图；

图16是本发明的窗口接口的截屏；以及

图17是本发明的窗口接口的截屏。

具体实施方式

为了描述优选的实施例，在附图中关于编号的组件使用的术语如下：

1.总体上，基于IGBT/FET的节能设备和系统

2.相输入连接

3.磁通集中器

4.模拟信号调节设备

5.过零伏点检测器

6.缺相检测设备

7.相位旋转设备

8.半周识别器

9.逻辑设备

10.数字信号处理器

11.A/D转换器

12.电源单元

13.复位开关

14.发光二极管

15.IGBT/FET驱动控制

16.计算设备

17.相输出连接

18.中性点

19.输入能量

20.模拟信号

21.过零伏点

22.正半周

23.负半周

24.减小的能量

25.USB通信接口

26.电路板

27.外壳

28.导体

29.外壳顶半部

30.外壳底半部

31.铰接

32.第一滤波器

33.第二滤波器

34.比较器

35.Schmidt缓冲器

36.绝对过零信号

37.磁通集中器芯片

38.孔径

39.输入正弦波

40.窗口接口

41.主监控屏幕

42.一般地，字段

43.操作模式字段

44.相位字段

45.启动字段

46.校准字段

47.设置点字段

48.指示器

49.实时时钟

50.数字量电计

51.Schmidt触发的反相缓冲器

52.瞬态电压抑制器件

53.二极管

54.正半周控制晶体管

55.FET

56.电容器

57.变压器

58.负半周控制晶体管

59.IGBT第一分流控制晶体管

60.IGBT第二分流控制晶体管

61.分流器件

62.集成电路

63.电阻器

64.分离轨生成器

65.光隔离器

66.光耦合驱动器

67.FET第一分流控制晶体管

68.FET第二分流控制晶体管

69.方波

70.运算放大器

71.隔离器

72.整流器

73.晶体管

74.USB端口

75.齐纳二极管

76.第一连接器

77.第二连接器

78.电感器

79.电阻器支持

80.逻辑设备连接器

81.线性电压稳压器

82.应用到正半周控制晶体管的正半周驱动信号

83.应用到负半周控制晶体管的负半周驱动信号

84.负半周期间应用到正半周控制晶体管的驱动信号

85.正半周期间应用到负半周控制晶体管的驱动信号

86.负半周期间应用到IGBT第一分流控制晶体管的驱动信号

87.正半周期间应用到IGBT第二分流控制晶体管的驱动信号

88.负半周期间应用到FET第一分流控制晶体管的驱动信号

89.正半周期间应用到FET第二分流控制晶体管的驱动信号

90.开关稳压器

参考图1，示出了用在三相电系统中的本发明的节能设备和系统1的 框图。节能设备和系统1包括用于减少所输入的能量的量的各种组件和装 置，其中减少的能量对电子操作设备的性能产生了实际上不存在或最小的 影响。

具有至少一个模拟信号20的预定量输入能量19通过输入装置被输入 设备和系统1中，该输入装置优选地是至少一个相输入连接2。在设备和 系统1中还提供中性点18线。如图1所示，系统和设备1用在具有A-B-C 相外加中性点的三相电系统中，该中性点用作参考点和当滞后功率因数负 载中的电流被中断时产生的箝位反电动势（back-EMF）的接收器。然而， 本发明的节能系统1也可用在单相系统和/或双相系统中，其中仅有的结 构差别是相输入连接2的数量（例如，在单相系统中，除了中性连接（A） 之外，仅使用一个相输入连接2，在双相系统中，除了中性连接之外使用 两个相输入连接2（A和B））。

至少一个相输入连接2连接到感测预定量的输入能量19的至少一个 感测装置，该感测装置优选地是至少一个磁通集中器3。磁通集中器3电 流地隔离输入能量19的电流并将任何过电流情况报告给路由装置，路由 装置优选地是至少一个逻辑设备9。如果存在任何过电流情况，则同时将 过电流情况报告给逻辑设备9和优选地是数字信号处理器10的处理装置， 在这种情况下数字信号处理器10立即关断设备和系统1。该电子断路器 动作是要在短路或过载的情况下保护设备和系统1自身，以及与设备和系 统1结合使用的终端装备。因此，由于逻辑设备9和数字信号处理器10 的反应时间优选地为5μs，所以逻辑设备9在软件/固件故障和/或电力线 故障或浪涌的情况下实时地提供功率控制设备的整体保护。逻辑设备9 在施加到IGBT/FET半周控制晶体管54和58的驱动信号和施加到 IGBT/FET分流控制晶体管59、60、67和68的信号之间进行仲裁。因此， 其避免了IGBT/FET半周控制晶体管54和58以及IGBT/FET分流控制 晶体管59、60、67和68被同时驱动到导通状态，同时驱动到导通状态会 导致功率控制和/或分流元件失效。数字信号处理器10优选地包括至少一 个A/D转换器11。

在将来自相输入连接2的相电流的模拟值报告给数字信号处理器10 之前，磁通集中器3首先使输入能量19传送经过至少一个信号调节装置， 信号调节装置优选地是至少一个模拟信号调节设备4。在信号被调节了之 后，下面描述一种方法：经调节的信号然后被发送到用于检测AC电压通 过与中性点18相关的零伏的点（一般被称作过零点）的过零伏点确定装 置，该装置优选地是至少一个过零伏点检测器5。

在检测到过零点之后且如果使用三相电系统，经调节的信号然后进入 至少一个缺失检测装置（优选地是至少一个缺相检测装置6）以及至少一 个相旋转确定和路由装置（优选地是至少一个相位旋转设备7），以便准 备用于适当地输入到至少一个半周识别装置（优选地是至少一个半周识别 器8）中的信号，且然后进入逻辑设备9和数字信号处理器10。下面讨论 半周识别器8的细节。

通过与数字信号处理器10电连接以使能量减小预定量的至少一个降 压装置（优选地包括至少一个IGBT/FET驱动控制15）来执行功率控制。 然而，在经处理的信号进入减小装置之前，信号可再经由至少一个模拟信 号调节设备4被调节从而净化信号以除去任何伪信号或瞬态信号。用于实 施对降压装置的IGBT/FET驱动控制15的控制的命令信号是由数字信号 处理器10确定并通过逻辑设备9缓和的。

减小的能量24然后进入至少一个磁通集中器3，然后进入至少一个 输出装置（优选地是至少一个相输出连接17），以及被输出到电操作设备 用于消耗。

通过供电装置对系统和设备1供电，该供电设备优选地是与数字信号 处理器10电连接的电源单元12。优选地提供复位装置（优选地是复位开 关13）以允许用户根据需要复位装置和系统1。另外，指示器装置诸如发 光二极管14等可与复位开关13电连接，从而如果设备和系统1需要被复 位则警告用户。

设备和系统1可以可选地包括至少一个数字量电计50和能够经由有 线或无线传输与至少一个计算设备16相接的至少一个通信装置，诸如 USB通信接口25等，计算设备16具有至少一个USB端口74和至少一 个窗口接口40。USB通信接口25允许用户经由其计算设备16监控、显 示和/或配置设备和系统1。然而，在实施设备和系统1时，包括USB通 信接口25不是必须的。另外，实时时钟49可以可选地包括在节能设备和 系统1的数字信号处理器10内或另外地连接到节能设备和系统1。

用户可确定使用本发明的节能设备和系统1的操作方式，例如用户可 以通过将期望的均方根（RMS）值、期望的百分比电压或期望的百分比 节省减小量输入到计算设备16来选择希望如何节省能量。例如，如果用 户选择使输入电压减小固定百分比，则节能设备和系统1允许这样的电压 百分比减小且通过建立较低的电压阈值来自动地降低电压以便与最大允 许谐波分量一致。较低的电压阈值确保了在较低或灯火变暗的情况下，系 统和设备1不继续尝试使可用的电压减小指定的百分比减小。

图2所示为本发明的感测装置的透视平面图。感测装置（优选地是至 少一个磁通集中器3）当连接到本发明的设备和系统1的有源电路时电流 地测量AC电流。优选地由塑料制成的外壳27包括外壳顶半部29和外壳 底半部30以及连接两个半部29和30的铰接31，外壳27载有电路板26， 电路板26具有安装在外壳顶半部29的底侧上的磁通集中器芯片37。每 个半部29和30包括至少一个凹口部分，其中当半部29和30连结在一起 时，形成至少一个孔径38以允许导体28从其中延伸通过。利用所述外壳 27准确地限定了磁通集中器芯片37和导体28的芯中心之间的距离。与 磁通集中器芯片37相关联的窗口检测器准确地确定在负或正半周内的电 流何时超过正常范围。另外，磁通集中器3使用集电极开路施密特 （Schmidt）缓冲器以允许多个集中器3连接到模拟信号调节设备4和逻 辑设备9二者。

外壳27咬合在一起并抵靠在导体28（优选地是线缆）上以确保相对 于外壳27牢固地保持导体28。可以以各种尺寸形成外壳顶半部29以便 适应不同的线规。当将半部29和30咬合在一起时可形成各种尺寸的多个 孔径38从而容纳各种宽度的导体28。磁通集中器3提供对输入能量19 的电流隔离，进行准确的电流测量，适于通过位于外壳27内的多线缆通 道的任何范围的电流，提供高电压电流隔离，具有零谐波失真和卓越的线 性。另外，由于通过机械装置确定电流测量范围，所以对于印刷电路板 26不需要变化。以下等式确定近似的灵敏度：

V_out＝0.06*I/(D+0.3mm)

其中I=导体28中的电流，D=从磁通集中器芯片37的顶表面到导体 28的中心的距离（mm）。

由于不与测量目标进行电连接，所以实现了充分的电流隔离。而且， 存在零插入损耗，且因此不散热也不损失能量，这是因为没有进行电连接 也没有使用分路器或变压器。

图3是本发明的感测装置的电路图。磁通集中器3测量在导体28内 流过交流电流时生成的磁通量。通过形成窗口比较器的比较器34实现过 流。当磁通集中器3的输出超过由电阻器63设置的阈值时（可产生 “Current Hi”信号），比较器34的集电极开路输出变低且传递到逻辑设 备9以及微处理器非可屏蔽输入以关断设备和系统1。为避免接地回路问 题，磁通集中器3优选地包括将磁通集中器3的操作电压调节到直流5V 的集成电路62。

参考图4，示出了本发明的信号调节装置的电路图。信号调节装置（优 选地是至少一个模拟信号调节设备4）净化或调节50/60Hz正弦波模拟信 号，从而在将该正弦波模拟信号发送到半周识别器8之前除去任何伪信号 或瞬态信号。如果正弦波具有任何噪声或足够幅度的失真，则在某些情况 下这可能导致错误的过零检测。因此，包括这样的模拟信号调节设备4 是重要的。

为了适当地调节正弦波信号，使用了运算放大器70。运算放大器70 被配置为有源二阶低通滤波器以除去或减小可能有的谐波和任何瞬态或 干扰信号。然而，当利用该滤波器时，发生群时延，其中群时延在时间上 使经滤波的信号的过零从输入的AC正弦波的实际过零点偏移。为了补偿 该时延，运算放大器70被提供为允许根据需要及时准确地校正过零点所 需的相变化。运算放大器70的输出是连接到数字信号处理器10（见图1） 的A/D转换器11以进行均方根（RMS）值测量的充分调节的50/60Hz正 弦波信号。该信号恰是使得能够测量正负半个周期二者所需的供电轨的一 半。A/D转换器11进行众所周知的2补运算（2s compliment math）以使 得能够进行同样的操作并且要求AC信号相对于中心或分离轨电压正向 和负向偏离。该信号还进入半周识别器8。

图5和图6分别示出了本发明的过零伏点确定装置的波形图和电路 图。过零伏点确定装置优选地是准确地确定过零点21的至少一个过零伏 点检测器5。运算放大器70被配置为比较器34，其基准刚好在使用半个 供电轨的一半供应电压处。比较器34以非常高的增益工作，且因此在若 干毫伏的分离轨电压内切换。

通过Schmidt缓冲器35进一步执行过零信号的附加调节。在附加的 信号处理之后，产生了精确到正弦波的实际过零伏点21的若干毫伏的非 常精确的方波69。

图7示出了本发明的缺失检测装置以及相位旋转确定和旋转装置的 电路图。在使用三相电系统时，缺失检测装置（优选地是至少一个缺相检 测设备6）和相位旋转确定和旋转装置（优选地是至少一个相位旋转设备 7）一起工作以便适当地准备用于发送到逻辑设备9和数字信号处理器10 中的信号。缺相检测设备6电路包括被配置为比较器34的运算放大器70， 和逆向并行连接的两个二极管53，每个比较器利用包括串联连接的两个 0.5兆欧电阻器的高值（对于实现电阻器63的所需工作电压而言是必须 的）串联电阻器。二极管53以输入正弦波39的过零伏点21为中心，处 于二极管53的近似正向电压降，其进而被施加到比较器34，比较器34 进一步调节适于传送到逻辑设备9和数字信号处理器10的信号，从而导 致在没有任何信号的情况下系统被关断。

在三相电系统中，相位旋转可以是A-B-C或A-C-B。为了使数字信 号处理器10能够正确地运作，必须首先确定相位旋转。使用比较器34 来检测过零伏点21且将点21报告给数字信号处理器10。数字信号处理 器10进而通过定时逻辑进行旋转定时。每个运算放大器70充当简单比较 器34，输入信号在每个情况下是由与串联电阻器63结合的反向并联的一 对二极管53提供的。

图8、9和10分别示出了本发明的半周识别装置的电路图和波形图。 半周识别装置（优选地是至少一个半周识别器8）通过识别模拟信号的半 周是正或负将附加数据提供给逻辑设备9和数字信号处理器10。这对于 避免如下情况至关重要：如果IGBT/FET半周控制晶体管54和58以及 IGBT/FET分流控制晶体管59、60、67和68同时导通，将在输入的功率 上出现短路。

被配置为窗口比较器34的运算放大器70具有由至少一个电阻器63 确定的分离的开关阈值。如图9所示，存在三个信号，一个绝对过零信号 36和两个共同入射信号，其中一个共同入射信号具有正半周22而一个共 同入射信号具有输入正弦波39的负半周23。该设计允许对窗口进行调整 以在需要时提供“死区”。

参考图11A、11B、11C、11D和11E，示出了本发明的路由装置的电 路图。路由装置（优选地是至少一个逻辑设备9）在数字信号处理器10 外部实时地工作，以在IGBT/FET半周控制晶体管54和58以及 IGBT/FET分流控制晶体管59、60、67和68的导通时间之间进行仲裁。

逻辑设备9进行路由功能以确保所有信号对于输入正弦波39的瞬时 需求和极性是合适的，并且执行脉冲宽度调制功能以便确保节能设备和系 统1的安全操作，而不管数字信号处理器10的状态、噪声、干扰或瞬变 的存在。如图11C所示，隔离器71的电路允许逻辑设备9的编程。如图 11D所示，需要逻辑设备9的电阻器支持79的电路以操作逻辑设备9。 如图11E所示，逻辑设备连接器80的电路使得能够激活以及禁止逻辑设 备9的某些方面。

处理电阻性负载比处理电抗性负载，特别是感性电抗性负载要求低得 多。当前，脉冲宽度调制（PWM）被限定为脉冲载波的调制，其中调制 波的每个瞬时采样的值通过改变脉冲的上升沿、下降沿或上升沿和下降沿 二者来产生成比例持续时间的脉冲，这也被称为脉冲持续时间调制。然而， 为了本发明和应用的目的，PWM被限定为脉冲载波的调制，其中从调制 波的曲线下的区域移除至少一个部分。当PWM被直接施加到输入功率 时，当移除功率时感性元件做出反应，试图保持电流行进，并且提升其自 身生成的电压直到电流找到放电路径。在没有分流电路的情况下，该情况 将毁坏半周控制晶体管。

因此，逻辑设备9是“监管器”，其中如果存在过电流情况或如果存 在相位缺失，在数字信号处理器10“挂起”的情况下，则该逻辑设备9 采取适当的动作。在任何这些情况下，逻辑设备9实时地立即响应，以保 护半周控制晶体管和分流设备及其连接的装备。

另外，逻辑设备9缓解IGBT/FET半周控制晶体管54和58以及 IGBT/FET分流控制晶体管59、60、67和68的复杂驱动需求，且在一定 程度上解除数字信号处理器10对该任务的负担。由于逻辑设备9控制该 功能，可实时地执行该功能，且因此可将驱动需求的定时控制保持为比由 数字信号处理器10实现的限制严格得多。实时响应的能力对于本发明的 节能设备和系统1的安全可靠的操作是重要的。

图12A、12B、12C、12D、12E、12F和12G示出了本发明的降压装 置的波形图和电路图。降压装置（优选地包括至少一个IGBT/FET驱动 控制15）通过脉冲宽度调制减小输入正弦波39的模拟信号（该模拟信号 是输入到节能设备和系统1的能量的量），从而减小能量并且没有与该电 压控制先前关联的伴随谐波，其中在脉冲宽度调制中从调制正弦波39的 曲线下面的区域除去至少一个部分。如图12A所示，该技术结合 IGBT/FET设备的固有特性工作，IGBT/FET设备允许控制导通和关断触 发点。所有潜在的能量都包含在每个半周中并且在整个半周的情况下具有 曲线下面的最大面积。如果在90%的占空因数上调制每个半周，则曲线 下面的面积减少10%且因此能量成比例地减少，如图12A所示。

输入正弦波的初始形状被保持，因为调制可以较高，可能几十KHz， 所以输出的滤波由于缠绕组件的更小尺寸变得可实现而成为可能。当正确 地测量了均方根值（RMS）并且观察到输出电压减小了与所采用的占空 因数相似的百分比时实现了总体效果，其中所述均方根值是一个量的平方 的时间平均的平方根，或者对于周期性的量而言在一个完整周期上取平均 并且也被称为有效值。减小的电压导致减小的电流，从而导致终端用户消 耗较小的功率。

由于IGBT和FET设备本质上是单极性的，所以在AC控制的情况 下，必须提供至少一个IGBT/FET驱动控制15以控制每个半周。而且， 为了避免反向偏置，使用控向二极管以将每个半周发送到适当的设备。另 外，许多IGBT和FET设备具有寄生二极管分流主元件，其中反向并行 连接两个IGBT或FET设备将导致具有反向并行的两个寄生二极管，从 而使得布置不能作为控制元件起作用。

二极管53跨正半周晶体管54和负半周控制晶体管58相连并且理想 地工作为纯电阻性负载或电流引导电抗负载。然而，当以电流滞后功率因 数驱动负载时，当突然移除感性电抗组件中的电流时，这是发生调制时的 情况，衰减的磁场试图保持电流行进，与电飞轮类似，并产生电压上升的 EMF，直到其发现使得能够释放能量的放电路径。通过该布置，该“反 电动势”会导致半周控制元件的有源组件出故障。为了防止这种现象发生， 在分流配置中放置附加的IGBT/FET分流控制晶体管59、60、67和68。

在正半周中，正半周控制晶体管54调制并且在整个正半周期间二极 管53是起作用的。IGBT第二分流控制晶体管60充分地导通并且二极管 53是起作用的。因此，由负载的反电动势导致的任何相反极性电压被自 动地箝位。

在负半周期间，以相似的方式激活串行网络和分流网络中包括的其他 设备。

在开关转变中，可能存在持续非常短时段的尖峰信号。通过瞬态电压 抑制（Transorb）器件52将该尖峰信号箝位，瞬态电压抑制器件52能够 在极短时段内吸收大量能量，并使得响应时间能够非常快。瞬态电压抑制 器件52还箝位由雷击或其他源导致的任何干线范围瞬态信号，否则雷击 或其他源会毁坏半周晶体管或分流晶体管的有源组件。此外，在每个半周 晶体管脉冲宽度调制时，其他半周晶体管在精确的半周持续时间中被充分 导通。这些半周晶体管的占空比在下一半周期间反转。该过程针对上面讨 论的反电动势信号提供完整的保护。该设置是必要的，特别是当两个分流 元件在转变时在过零时间附近。

IGBT/FET半周控制晶体管54和58以及IGBT/FET分流控制晶体 管59、60、67和68中每一个都具有绝缘栅特性，该特性要求器件被增强 以使其能够导通。该增强电压优选地值为12V且优选地由浮动电源提供， 优选地一个浮动电源针对每一对。鉴于在IGBT的情况下IGBT/FET设 备以共发射极模式工作而在FET的情况下以共源极模式工作，这才是有 可能的；否则，针对每个相就需要四个隔离电源。每一对需要由隔离的光 学耦合驱动器66提供的单独的驱动信号。这些驱动器66利用隔离的电源 并且用于非常迅速地导通和关断每个功率器件。这些驱动器66在两个方 向上起作用，这是必需的，因为功率器件的输入电容较高并且必须在关断 点主动地快速放电而在导通点被快速地充电。

直接脉冲宽度调制的问题是当由于在IGBT调制关断的情况下驱动 感性电抗负载时，存在需要被箝位的反电动势。参考图12B，示出了施加 到正半周控制晶体管54和负半周控制晶体管58的输入正弦波39。通常， 这些半周控制晶体管54和58处于“关断”状态且需要被驱动导通。在正 半周期间，正半周控制晶体管54被调制并且结合二极管53一起工作以将 经调制的正半周传递到线输出端子。IGBT第二分流控制晶体管60在半 周的持续时间期间导通并且结合二极管53一起工作以便将反电动势箝位 到地。在正半周期间，负半周控制晶体管58充分导通并且其导通状态由 二极管53支持。这些二极管53进行信号的适当控向。

由于正半周的调制，出现反电动势信号。因为在该时间期间负半周控 制晶体管58导通，所以负的反电动势通过二极管53传递以箝位在同步的 AC正半周电压处。

尽管没有对IGBT第一分流控制晶体管59和IGBT第二分流控制晶 体管60施加调制，但这些晶体管59和60以与上述相似的方式结合二极 管53一起工作。

如图12B所示，图12B是基于IGBT的本发明的降压装置的波形图， 在正半周22期间，对负半周控制晶体管85施加驱动信号并且对IGBT第 二分流控制晶体管87施加驱动信号。在负半周23期间，对正半周控制晶 体管84施加驱动信号并且对IGBT第一分流控制晶体管86施加驱动信 号。还示出了施加到正半周控制晶体管54的正半周驱动信号82和施加到 负半周控制晶体管58的负半周驱动信号83。

相似地，如图12E所示，图12E是基于FET的本发明的降压装置的 波形图，在正半周22期间，对负半周控制晶体管85施加驱动信号并且对 FET第二分流控制晶体管89施加驱动信号。在负半周23期间，对正半 周控制晶体管84施加驱动信号并且对FET第一分流控制晶体管88施加 驱动信号。还示出了施加到正半周控制晶体管54的正半周驱动信号82 和施加到负半周控制晶体管58的负半周驱动信号83。

总之，使用两个箝位策略，第一个用于正半周，第二个用于负半周。 在正半周期间，当调制正半周控制晶体管54时，负半周控制晶体管58 和第二分流控制晶体管60导通。在负半周期间，当调制负半周控制晶体 管58时，正半周控制晶体管54和IGBT第一分流控制晶体管59导通。

本发明的基于IGBT和基于FET的节能设备和方法1利用的硬件相 同，唯一的不同是IGBT/FET半周控制晶体管54和58以及IGBT/FET 分流控制晶体管59、60、67和68。为了比较，示出了图12C的基于IGBT 的电路、图12D的基于IGBT的驱动器、图12E的基于FET的电路和图 12F的基于FET的驱动器的电路图。

参考图13，示出了本发明的被组合的复位装置和指示器装置的电路 图。复位装置（优选地是至少一个复位开关13）和指示器装置（优选地 是至少一个发光二极管14）一起工作从而指示何时基于IGBT/FET的节 能设备和系统1没有正确地工作并且允许用户根据需要对装置和系统1 进行复位。优选地，发光二极管14通过闪烁来指示设备和系统1在正确 地工作。当处于故障状态时，发光二极管14优选地改变为立即明显的且 可被识别为故障状态的不均匀模式。

图14是本发明的供电装置的电源单元12的电路图。供电装置（优选 地是至少一个电源单元12）接受各种输入，包括但不限于单相 80V_rms-265V_rms、双相80V_rms-600V_rms、三相80V_rms-600V_rms以及48Hz-62Hz 操作。

电源单元12在设计上是完全绝缘和双稳压的。在输入处，由二极管 53组成的整流器72接受单、双和三相功率。该功率通过变压器57被施 加到开关稳压器90和集成电路62。鉴于跨DC端存在的较大电压，开关 稳压器90和集成电路62被StackFET（堆叠FET）配置中采用的FET 晶体管73补充以便提升其工作电压。变压器57的次级具有二极管53和 存储电容器56。跨电容器56的DC电压经由网络电阻器63和齐纳二极 管75被传递到光学隔离器65且最终传递到反馈端子。使用光学隔离器 65确保了输入和电源输出（6.4V直流）之间的电流隔离。最终，线性电 压稳压器81的输出（3.3VA直流）被传递到运算放大器70，运算放大器 70被配置为具有设置分离轨电压的两个电阻器63的均匀增益缓冲器。主 中性点连接到该分离轨点以及零欧姆电阻器。电感器78使供电轨数字 （+3.3V）与模拟（3.3VA）隔离并减小噪声。

接着，图15A、15B、15C、15D和15E示出了本发明的通信装置的 电路。该通信装置（优选地是至少一个USB通信接口25）允许用户根据 需要监控并设置本发明的节能设备和系统1的参数。

图15B中示出了USB通信接口25的电路，图15C中示出了用于使 USB通信接口25与数字信号处理器10隔离的隔离器块71，图15D和15E 示出了用于将通信装置连接到数字信号处理器10的第一连接器76和第二 连接器77。

因为主印刷电路板不与中性点隔离，所以必须电流隔离USB通信接 口25。利用数字信号处理器10的内置串行通信特征以便与通信设备46 串行通信。在隔离障碍的用户侧，信号被施加到集成电路62，集成电路 62是这样的设备：其接收串行数据并将其翻译成USB数据以经由主机 USB端口74直接连接到计算设备16。主机USB 5V功率被用于对通信装 置46供电并且免除了从单元提供单独功率的需要。优选地，存在两个活 动发光二极管14，其指示TX（发送）和RX（接收）通道上的活动。通 信优选地在9600波特操作，鉴于传递的较小数据量，该速度是足够的。

尽管在节能设备和系统1的运行中不必须包括通信装置，但这是允许 设备和系统1更易于使用的特征。

最后，参考图16和图17，示出了本发明的窗口接口40的截屏。窗 口接口40显示在计算设备16上并允许用户根据需要来监控和配置节能设 备和系统1。提供了具有多个字段42的主监控屏幕41，其中终端用户可 以调整节能设备和系统1。例如，字段42可包括操作模式字段43、相位 字段44、启动字段45、校准字段46和设置点字段47。

在操作字段43中，用户可选择其希望节约能量的方式。该方式包括 降压百分比（其中以固定百分比调整输出伏数）、节省降低百分比（其中 输出伏数旨在实现节省百分比）以及电压调节（其中均方根伏数输出是预 设的值）。

相位字段44允许用户选择连同节能设备和系统1一起使用的相类型， 即单相、双相或三相。

启动字段45允许用户配置系统和设备1以随机地启动和/或具有延迟 或“软启动”，其中用户输入系统和设备将会启动的以秒为单位的延迟时 间。

校准字段46允许用户输入期望的精确校准和/或旋转相位。

设置点字段47显示用户选择的设置并且显示通过利用节能设备和系 统1作为电压调节、降压百分比或功率节省降低百分比而节省的能量的 量。对于百分比降压，下限RMS设置在通过其的输入电压以下，以允许 在输入电压小于或等于下限电压时输入电压被越过。关于百分比节省降 低，下限RMS设置在通过其的输入电压以下。

在窗口接口40上提供的指示器48显示工作电流、工作电压、行频率、 计算出的功率节省和相位旋转。

在窗口接口40中可包括实时时钟49以允许编程预定时间和预定操作 时间的附加降压，例如对于预定操作时间，季节，一星期中的天、一天中 的小时。另外，用户可将节能设备和系统1编程为在一天的各个时间期间 操作。通过通信端口设置实时时钟49或固定实时时钟49以允许选择通过 经验得知会呈现电网超载的规定季节日期和时间。在这些时间期间，系统 允许进一步降低经调节的AC电压，从而降低电网上的负载。可限定多个 时间，每个时间都具有其自身的附加百分比降低或电压降。

数字量电计50提供了记录关于功率使用、功率因数和浪涌的统计数 据的装置。数字量电计50还提供了包括用于功率因数校正的电容器的能 力，在单相、双相和三相系统上操作以及在全世界范围内的电压上操作。 其可远程或本地使用以由供应商任意地禁止或使能用户的电源。另外，数 字量电计50可检测节能设备和系统1何时被试图避免支付能量消耗的终 端用户桥接了，其中供应商被警告过该乱用。最终，使用实时时钟49允 许用户和/或供应商在一天中选择的时间或选择的时间段减小功率消耗， 从而缓解和/或消除灯火变暗情况。

应当理解虽然示出了本发明的优选实施例，但是本发明不限于此处描 述和示出的部分的特定形式或布置。本领域技术人员应当清楚在不脱离本 发明的范围的情况下可进行各种改变，且不应认为本发明限于说明书和附 图中所描述和所示的内容。