輸入電壓范圍一種適用于寬輸入電壓范圍的三端口變換器

輸入電壓范圍研究背景

獨(dú)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(fēng)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(chǔ)能環(huán)節(jié)來儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能，保證負(fù)載連續(xù)穩(wěn)定供電。因此，典型的獨(dú)立新能源供電系統(tǒng)由發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能裝置和負(fù)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(shí)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(jí)功率變換，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低。采用三端口變換器(three-port converter，TPC)來實(shí)現(xiàn)輸入源、蓄電池和負(fù)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(diǎn)，因此獲得了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。TPC 已被應(yīng)用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合動(dòng)力汽車、航天衛(wèi)星供電系統(tǒng)等帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的新能源供電系統(tǒng)中。TPC 的拓?fù)浼捌淇刂剖茄芯克P(guān)注的兩類關(guān)鍵問題，研究主要對(duì)TPC拓?fù)溥M(jìn)行研究。

光伏和燃料電池等設(shè)備輸出電壓會(huì)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(yīng)輸入源電壓寬范圍變化的 TPC。文獻(xiàn) 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(gè)全橋開關(guān)單元通過高頻變壓器耦合，實(shí)現(xiàn)端口間的功率傳遞，且能實(shí)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(dòng)控制復(fù)雜。

由 Buck 和 Boost 變換器級(jí)聯(lián)構(gòu)成的 H 橋升降壓變換器能夠適應(yīng)寬電壓變化范圍的場(chǎng)合應(yīng)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(jìn)一步加入變壓器副邊整流濾波電路與負(fù)載相連，構(gòu)成一種適應(yīng)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

輸入電壓范圍HB-TPC 拓?fù)渑c系統(tǒng)分析

（1）HB-TPC 拓?fù)渖?

TPC 需要同時(shí)完成輸入源、蓄電池和負(fù)載三者之間的功率管理與控制，因此，TPC 中需要同時(shí)具備 3 條功率通路：1）輸入源到負(fù)載，2）蓄電池到負(fù)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(fù)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(shí)補(bǔ)充變壓器副邊的整流濾波電路，形成負(fù)載輸出端口與負(fù)載相連，建立主電源和蓄電池到負(fù)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(shí)用作原邊 H 橋升降壓變換器的濾波電感，用于實(shí)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(fù)用的方式。

（2）系統(tǒng)工作狀態(tài)分析

根據(jù) HB-TPC 拓?fù)渖蛇^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?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，輸入源到負(fù)載的等效功率傳輸電路與蓄電池到負(fù)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(shí)存在兩條功率流，變換器在完成負(fù)載端控制的同時(shí)，還需要同時(shí)對(duì)輸入源的功率進(jìn)行控制，以實(shí)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(gè)獨(dú)立控制量，也就是變換器中需存在兩個(gè)獨(dú)立控制的占空比，分別實(shí)現(xiàn)負(fù)載端和輸入源端的功率控制。利用變換器中兩個(gè)互相獨(dú)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(shí)，占空比大小有多種可能的取值。由于變壓器激磁電感同時(shí)用作濾波電感，實(shí)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(yīng)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(shí)實(shí)現(xiàn)輸入源、蓄電池和負(fù)載功率管理的 H 橋三端口變換器， 理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，H 橋三端口變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：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?fù)浜?jiǎn)潔、集成度高；3）利用變壓器漏感，可實(shí)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(shí)用作濾波電感，通過優(yōu)化開關(guān)管控制時(shí)序，可以有效減小變壓器直流偏置電流大小。

在正常的輸入電壓范圍內(nèi)，逆變器（負(fù)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(duì)延長。因?yàn)楫?dāng)?shù)氐碾妷翰▌?dòng)情況直接影響UPS的運(yùn)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(shí)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(huì)影響電池的壽命。如果該UPS的轉(zhuǎn)電池裝置為繼電器，則對(duì)繼電器的損壞特別嚴(yán)重，大大增加了UPS的故障率。

當(dāng)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(shí)，UPS將斷開輸入交流電源，而切換到電池供電方式。開機(jī)輸入電壓范圍和輸入電壓范圍，反映了UPS電源對(duì)電網(wǎng)電壓變化的適應(yīng)能力，開機(jī)輸入電壓范圍和輸入電壓范圍越寬表示機(jī)器對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)變化適應(yīng)能力越強(qiáng)。

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(biāo)準(zhǔn)模塊的研究是系統(tǒng)集成中一項(xiàng)重要的工作。當(dāng)形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)模塊之后，在開發(fā)電源系統(tǒng)時(shí)只需要將這些標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行合理的拼裝和組合即可。這些標(biāo)準(zhǔn)模塊最基本的要求是通用性，即有盡量寬的適應(yīng)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?fù)湟彩窍到y(tǒng)集成的優(yōu)選拓?fù)?，?duì)它們的效率、應(yīng)力、EMI 等方面已經(jīng)有較多的研究。但是對(duì)于寬范圍 Buck 型變流器如何設(shè)計(jì)小信號(hào)環(huán)路才更能適合系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)化的要求研究得并不多。

輸入電壓范圍寬輸入電壓范圍對(duì)小信號(hào)的要求

在不同輸入電壓下環(huán)路增益的博德圖會(huì)有很大的差別，如圖3所示。這樣很難兼顧穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)。因?yàn)榉€(wěn)定需要較大的相位裕量，而動(dòng)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(shí)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)就要設(shè)計(jì)成高壓輸入時(shí)還能保證足夠的相位裕量，但是這樣在低壓輸入時(shí)穿越頻率就會(huì)太低，以致差的動(dòng)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(duì)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，就能抵消 G_vd 中 V_in 的作用，使得環(huán)路增益不會(huì)隨 V_in 的變化而變化。一個(gè)比較簡(jiǎn)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(dá)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(gè)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(shí)改善輸出電壓超調(diào)特性，主要用于啟動(dòng)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(shí)得到較好的穩(wěn)態(tài)特性和負(fù)載動(dòng)態(tài)特性。研究的輸入電壓是穩(wěn)態(tài)電壓，并不是動(dòng)態(tài)電壓。本文的動(dòng)態(tài)均指負(fù)載電流的動(dòng)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(jí)傳遞函數(shù)隨輸入電壓的變化而變化。用輸入電壓作為補(bǔ)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(jí)傳遞函數(shù)中 Vin 量的作用，從而環(huán)路增益就不會(huì)隨輸入電壓改變而改變， 寬輸入電壓范圍應(yīng)用下，兼顧穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)的小信號(hào)就比較容易設(shè)計(jì)。Boost 型、 Buck-Boost 型的變流器的補(bǔ)償還有待于進(jìn)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(hào)。

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