輸入電壓范圍概念

在正常的輸入電壓范圍內(nèi)，逆變器（負載）電流由市電提供，而不是電池提供。輸入電壓范圍越寬，UPS電池放電的可能性越小，故電池的壽命就相對延長。因為當?shù)氐碾妷翰▌忧闆r直接影響UPS的運行，特別是有些地區(qū)電網(wǎng)比較惡劣，白天和晚上的電壓相差很大。如果UPS 要24小時工作，在如此大的變化范圍里，UPS能否工作至關(guān)重要。如不能工作，只有轉(zhuǎn)電池，這樣一則電池并沒有用于真正的斷電，二則頻繁轉(zhuǎn)電池會影響電池的壽命。如果該UPS的轉(zhuǎn)電池裝置為繼電器，則對繼電器的損壞特別嚴重，大大增加了UPS的故障率。

當UPS電源以市電供電方式工作過程中，如果輸入交流電源的電壓高于輸入電壓上限和低于輸入電壓下限時，UPS將斷開輸入交流電源，而切換到電池供電方式。開機輸入電壓范圍和輸入電壓范圍，反映了UPS電源對電網(wǎng)電壓變化的適應能力，開機輸入電壓范圍和輸入電壓范圍越寬表示機器對電網(wǎng)電壓的波動變化適應能力越強。

輸入電壓范圍研究背景

獨立新能源供電系統(tǒng)是可再生能源利用的一種重要方式，由于太陽能、風能等新能源發(fā)電設(shè)備輸出功率不穩(wěn)定，系統(tǒng)中必須配備蓄電池等儲能環(huán)節(jié)來儲存和調(diào)節(jié)電能，保證負載連續(xù)穩(wěn)定供電。因此，典型的獨立新能源供電系統(tǒng)由發(fā)電設(shè)備、儲能裝置和負載構(gòu)成。采用單向變換器和雙向變換器組合能夠有效的實現(xiàn)系統(tǒng)的能量管理與控制，但變換器數(shù)量多、體積重量較大，且系統(tǒng)中存在多級功率變換，導致系統(tǒng)效率較低。采用三端口變換器(three-port converter，TPC)來實現(xiàn)輸入源、蓄電池和負載的功率控制，具有系統(tǒng)集成度高、效率高、可靠性高、體積成本低等優(yōu)點，因此獲得了國內(nèi)外學者的關(guān)注。TPC 已被應用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合動力汽車、航天衛(wèi)星供電系統(tǒng)等帶有儲能環(huán)節(jié)的新能源供電系統(tǒng)中。TPC 的拓撲及其控制是研究所關(guān)注的兩類關(guān)鍵問題，研究主要對TPC拓撲進行研究。

光伏和燃料電池等設(shè)備輸出電壓會隨著環(huán)境變化而在較寬范圍內(nèi)變化，因此有必要研究適應輸入源電壓寬范圍變化的 TPC。文獻 提出了一種適用于寬電壓范圍的三全橋隔離式TPC，該變換器將 3 個全橋開關(guān)單元通過高頻變壓器耦合，實現(xiàn)端口間的功率傳遞，且能實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，但該變換器開關(guān)器件數(shù)量多，驅(qū)動控制復雜。

由 Buck 和 Boost 變換器級聯(lián)構(gòu)成的 H 橋升降壓變換器能夠適應寬電壓變化范圍的場合應用，研究考慮從H橋升降壓變換器出發(fā)，通過在變換器濾波電感基礎(chǔ)上引入耦合繞組形成變壓器，進一步加入變壓器副邊整流濾波電路與負載相連，構(gòu)成一種適應寬輸入電壓變化范圍的 H 橋三端口變換器(H-bridge three-port converter，HB-TPC)，從拓撲結(jié)構(gòu)上看，該變換器與普通全橋變換器器件數(shù)量相同，具有拓撲結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、控制簡單等優(yōu)點。

輸入電壓范圍HB-TPC 拓撲與系統(tǒng)分析

（1）HB-TPC 拓撲生成

TPC 需要同時完成輸入源、蓄電池和負載三者之間的功率管理與控制，因此，TPC 中需要同時具備 3 條功率通路：1）輸入源到負載，2）蓄電池到負載，3）輸入源到蓄電池。首先，考慮用 H 橋升降壓變換器構(gòu)建輸入源和蓄電池之間的功率通路，如圖 1(a)所示；為了構(gòu)建輸入源和蓄電池到負載的功率通路，考慮將 H 橋升降壓變換器的濾波電感用變壓器替代，同時補充變壓器副邊的整流濾波電路，形成負載輸出端口與負載相連，建立主電源和蓄電池到負載的功率通路，從而生成本文所提出的 HB-TPC，如圖 1(b)所示。

圖 1(b)所示的 HB-TPC 中，變壓器原邊激磁電感 Lm同時用作原邊 H 橋升降壓變換器的濾波電感，用于實現(xiàn)輸入源和蓄電池之間的功率變換，即變換器采用了電感–變壓器復用的方式。

（2）系統(tǒng)工作狀態(tài)分析

根據(jù) HB-TPC 拓撲生成過程可知，輸入源與蓄電池之間的等效功率傳輸電路為 H 橋升降壓變換器，考慮蓄電池電壓恒定，輸入源的電壓可以大于、小于或等于蓄電池電壓，即允許輸入源電壓在很寬范圍內(nèi)變化。由圖 1(b)可知，HB-TPC 拓撲結(jié)構(gòu)具有對稱性，輸入源到負載的等效功率傳輸電路與蓄電池到負載的等效功率傳輸電路完全相同，如圖 2所示，該等效電路與全橋變換器具有相似的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述工作狀態(tài)的分析可知，在雙輸出和雙輸入狀態(tài)下，系統(tǒng)中同時存在兩條功率流，變換器在完成負載端控制的同時，還需要同時對輸入源的功率進行控制，以實現(xiàn)輸入源的最大功率跟蹤控制或蓄電池充電控制，因此，HB-TPC 要滿足系統(tǒng)功率控制的需求，就需要提供兩個獨立控制量，也就是變換器中需存在兩個獨立控制的占空比，分別實現(xiàn)負載端和輸入源端的功率控制。利用變換器中兩個互相獨立橋臂占空比，剛好可以滿足控制需求。

輸入電壓范圍控制和調(diào)制策略

根據(jù)端口電壓關(guān)系，調(diào)節(jié) d₁、d₂ 比值可以控制輸入源電壓，調(diào)節(jié) d₁、d₂ 移相角可以控制輸出電壓，在滿足上述輸入輸出電壓關(guān)系時，占空比大小有多種可能的取值。由于變壓器激磁電感同時用作濾波電感，實現(xiàn)輸入和蓄電池之間的功率傳輸，故激磁電流存一定的直流偏置，但過大偏磁不利于變壓器的工作效率，因此開關(guān)策略應盡量減小激磁電流偏置。

輸入電壓范圍研究結(jié)論

提出了一種能夠同時實現(xiàn)輸入源、蓄電池和負載功率管理的 H 橋三端口變換器， 理論分析和實驗結(jié)果表明，H 橋三端口變換器具有以下優(yōu)點：1）輸入源和蓄電池間的等效變換電路為 H 橋升降壓變換器，輸入源電壓可在寬范圍內(nèi)變化；2）所用器件數(shù)量與全橋變換器相同，拓撲簡潔、集成度高；3）利用變壓器漏感，可實現(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)，變換效率高；4）變壓器原邊激磁電感同時用作濾波電感，通過優(yōu)化開關(guān)管控制時序，可以有效減小變壓器直流偏置電流大小。

輸入電壓范圍研究背景

系統(tǒng)集成是電力電子今后發(fā)展的方向，電力電子標準模塊的研究是系統(tǒng)集成中一項重要的工作。當形成了一系列標準模塊之后，在開發(fā)電源系統(tǒng)時只需要將這些標準模塊進行合理的拼裝和組合即可。這些標準模塊最基本的要求是通用性，即有盡量寬的適應性。

Buck 型變流器是用得非常廣泛的一類變流器，隔離型的 Buck 變流器有全橋、半橋、推挽和正激等。這些拓撲也是系統(tǒng)集成的優(yōu)選拓撲，對它們的效率、應力、EMI 等方面已經(jīng)有較多的研究。但是對于寬范圍 Buck 型變流器如何設(shè)計小信號環(huán)路才更能適合系統(tǒng)集成標準化的要求研究得并不多。

輸入電壓范圍寬輸入電壓范圍對小信號的要求

在不同輸入電壓下環(huán)路增益的博德圖會有很大的差別，如圖3所示。這樣很難兼顧穩(wěn)定性和動態(tài)。因為穩(wěn)定需要較大的相位裕量，而動態(tài)性能要有較高的帶寬，也就是高的穿越頻率。但是通常穿越頻率和相位裕量不能兼顧。寬輸入電壓范圍時，補償網(wǎng)絡就要設(shè)計成高壓輸入時還能保證足夠的相位裕量，但是這樣在低壓輸入時穿越頻率就會太低，以致差的動態(tài)性能。通常輸入電壓有兩倍或兩倍以上的變化稱為寬范圍。

如果能采用 V_in 對控制環(huán)節(jié)進行補償，就能抵消 G_vd 中 V_in 的作用，使得環(huán)路增益不會隨 V_in 的變化而變化。一個比較簡單的方法就是讓V_in決定PWM 鋸齒波的斜率，這樣就能在 Gp 的表達式里出現(xiàn) V_in，并且讓 V_in在分母，就可以和 G_vd 中的V_in抵消了，這個方法也被稱為前饋。在 PFC 電路中也常常加入前饋電路，而 PFC 電路的前饋電路的目的是為了在輸入電壓突變時改善輸出電壓超調(diào)特性，主要用于啟動過程。而本文的前饋電路的目的和原理與傳統(tǒng)概念的前饋完全不同，是為了在不同輸入電壓下有比較接近的博德圖，從而同時得到較好的穩(wěn)態(tài)特性和負載動態(tài)特性。研究的輸入電壓是穩(wěn)態(tài)電壓，并不是動態(tài)電壓。本文的動態(tài)均指負載電流的動態(tài)。

輸入電壓范圍研究結(jié)論

電壓型 CCM Buck 型變流器的功率級傳遞函數(shù)隨輸入電壓的變化而變化。用輸入電壓作為補償量合理地去改變控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)能夠起到抵消功率級傳遞函數(shù)中 Vin 量的作用，從而環(huán)路增益就不會隨輸入電壓改變而改變， 寬輸入電壓范圍應用下，兼顧穩(wěn)定性和動態(tài)的小信號就比較容易設(shè)計。Boost 型、 Buck-Boost 型的變流器的補償還有待于進一步地研究。

78**系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是36V，最低輸入電壓為輸出電壓的3-4V以上。

7V的電壓要想輸出5V，則需要使用低壓差的穩(wěn)壓集成塊，如附圖所示的型號。

也可以使用3只普通的整流二極管降壓，也能得到5V的較為穩(wěn)定的電壓，二極管的允許電流大于你需要的電流即可。

輸入電壓范圍(V) 176 - 276