[科普中国]-输入电压范围

UPS的输入电压范围，即UPS允许市电电压的变化范围，也就是保证UPS不转入电池逆变供电的市电电压范围。范围越大说明UPS适应性越好。一般UPS的输入电压范围应该在160V~270V之间或者更宽。

概念在正常的输入电压范围内，逆变器（负载）电流由市电提供，而不是电池提供。输入电压范围越宽，UPS电池放电的可能性越小，故电池的寿命就相对延长。因为当地的电压波动情况直接影响UPS的运行，特别是有些地区电网比较恶劣，白天和晚上的电压相差很大。如果UPS 要24小时工作，在如此大的变化范围里，UPS能否工作至关重要。如不能工作，只有转电池，这样一则电池并没有用于真正的断电，二则频繁转电池会影响电池的寿命。如果该UPS的转电池装置为继电器，则对继电器的损坏特别严重，大大增加了UPS的故障率。

当UPS电源以市电供电方式工作过程中，如果输入交流电源的电压高于输入电压上限和低于输入电压下限时，UPS将断开输入交流电源，而切换到电池供电方式。开机输入电压范围和输入电压范围，反映了UPS电源对电网电压变化的适应能力，开机输入电压范围和输入电压范围越宽表示机器对电网电压的波动变化适应能力越强。

一种适用于宽输入电压范围的三端口变换器研究背景独立新能源供电系统是可再生能源利用的一种重要方式，由于太阳能、风能等新能源发电设备输出功率不稳定，系统中必须配备蓄电池等储能环节来储存和调节电能，保证负载连续稳定供电。因此，典型的独立新能源供电系统由发电设备、储能装置和负载构成。采用单向变换器和双向变换器组合能够有效的实现系统的能量管理与控制，但变换器数量多、体积重量较大，且系统中存在多级功率变换，导致系统效率较低。采用三端口变换器(three-port converter，TPC)来实现输入源、蓄电池和负载的功率控制，具有系统集成度高、效率高、可靠性高、体积成本低等优点，因此获得了国内外学者的关注。TPC 已被应用于燃料电池发电系统、独立光伏发电系统、混合动力汽车、航天卫星供电系统等带有储能环节的新能源供电系统中。TPC 的拓扑及其控制是研究所关注的两类关键问题，研究主要对TPC拓扑进行研究。

光伏和燃料电池等设备输出电压会随着环境变化而在较宽范围内变化，因此有必要研究适应输入源电压宽范围变化的 TPC。文献1提出了一种适用于宽电压范围的三全桥隔离式TPC，该变换器将 3 个全桥开关单元通过高频变压器耦合，实现端口间的功率传递，且能实现开关管的软开关，但该变换器开关器件数量多，驱动控制复杂。

由 Buck 和 Boost 变换器级联构成的 H 桥升降压变换器能够适应宽电压变化范围的场合应用，研究考虑从H桥升降压变换器出发，通过在变换器滤波电感基础上引入耦合绕组形成变压器，进一步加入变压器副边整流滤波电路与负载相连，构成一种适应宽输入电压变化范围的 H 桥三端口变换器(H-bridge three-port converter，HB-TPC)，从拓扑结构上看，该变换器与普通全桥变换器器件数量相同，具有拓扑结构简单、集成度高、控制简单等优点。

HB-TPC 拓扑与系统分析（1）HB-TPC 拓扑生成

TPC 需要同时完成输入源、蓄电池和负载三者之间的功率管理与控制，因此，TPC 中需要同时具备 3 条功率通路：1）输入源到负载，2）蓄电池到负载，3）输入源到蓄电池。首先，考虑用 H 桥升降压变换器构建输入源和蓄电池之间的功率通路，如图 1(a)所示；为了构建输入源和蓄电池到负载的功率通路，考虑将 H 桥升降压变换器的滤波电感用变压器替代，同时补充变压器副边的整流滤波电路，形成负载输出端口与负载相连，建立主电源和蓄电池到负载的功率通路，从而生成本文所提出的 HB-TPC，如图 1(b)所示。

图 1(b)所示的 HB-TPC 中，变压器原边激磁电感 Lm同时用作原边 H 桥升降压变换器的滤波电感，用于实现输入源和蓄电池之间的功率变换，即变换器采用了电感–变压器复用的方式。

（2）系统工作状态分析

根据 HB-TPC 拓扑生成过程可知，输入源与蓄电池之间的等效功率传输电路为 H 桥升降压变换器，考虑蓄电池电压恒定，输入源的电压可以大于、小于或等于蓄电池电压，即允许输入源电压在很宽范围内变化。由图 1(b)可知，HB-TPC 拓扑结构具有对称性，输入源到负载的等效功率传输电路与蓄电池到负载的等效功率传输电路完全相同，如图 2所示，该等效电路与全桥变换器具有相似的结构。

根据上述工作状态的分析可知，在双输出和双输入状态下，系统中同时存在两条功率流，变换器在完成负载端控制的同时，还需要同时对输入源的功率进行控制，以实现输入源的最大功率跟踪控制或蓄电池充电控制，因此，HB-TPC 要满足系统功率控制的需求，就需要提供两个独立控制量，也就是变换器中需存在两个独立控制的占空比，分别实现负载端和输入源端的功率控制。利用变换器中两个互相独立桥臂占空比，刚好可以满足控制需求。

控制和调制策略根据端口电压关系，调节 d1、d2 比值可以控制输入源电压，调节 d1、d2 移相角可以控制输出电压，在满足上述输入输出电压关系时，占空比大小有多种可能的取值。由于变压器激磁电感同时用作滤波电感，实现输入和蓄电池之间的功率传输，故激磁电流存一定的直流偏置，但过大偏磁不利于变压器的工作效率，因此开关策略应尽量减小激磁电流偏置。

研究结论提出了一种能够同时实现输入源、蓄电池和负载功率管理的 H 桥三端口变换器， 理论分析和实验结果表明，H 桥三端口变换器具有以下优点：1）输入源和蓄电池间的等效变换电路为 H 桥升降压变换器，输入源电压可在宽范围内变化；2）所用器件数量与全桥变换器相同，拓扑简洁、集成度高；3）利用变压器漏感，可实现所有开关管的软开关，变换效率高；4）变压器原边激磁电感同时用作滤波电感，通过优化开关管控制时序，可以有效减小变压器直流偏置电流大小。2

宽输入电压范围Buck型变流器小信号环路研究背景系统集成是电力电子今后发展的方向，电力电子标准模块的研究是系统集成中一项重要的工作。当形成了一系列标准模块之后，在开发电源系统时只需要将这些标准模块进行合理的拼装和组合即可。这些标准模块最基本的要求是通用性，即有尽量宽的适应性。

Buck 型变流器是用得非常广泛的一类变流器，隔离型的 Buck 变流器有全桥、半桥、推挽和正激等。这些拓扑也是系统集成的优选拓扑，对它们的效率、应力、EMI 等方面已经有较多的研究。但是对于宽范围 Buck 型变流器如何设计小信号环路才更能适合系统集成标准化的要求研究得并不多。

宽输入电压范围对小信号的要求在不同输入电压下环路增益的博德图会有很大的差别，如图3所示。这样很难兼顾稳定性和动态。因为稳定需要较大的相位裕量，而动态性能要有较高的带宽，也就是高的穿越频率。但是通常穿越频率和相位裕量不能兼顾。宽输入电压范围时，补偿网络就要设计成高压输入时还能保证足够的相位裕量，但是这样在低压输入时穿越频率就会太低，以致差的动态性能。通常输入电压有两倍或两倍以上的变化称为宽范围。

如果能采用 Vin 对控制环节进行补偿，就能抵消 Gvd 中 Vin 的作用，使得环路增益不会随 Vin 的变化而变化。一个比较简单的方法就是让Vin决定PWM 锯齿波的斜率，这样就能在 Gp 的表达式里出现 Vin，并且让 Vin在分母，就可以和 Gvd 中的Vin抵消了，这个方法也被称为前馈。在 PFC 电路中也常常加入前馈电路，而 PFC 电路的前馈电路的目的是为了在输入电压突变时改善输出电压超调特性，主要用于启动过程。而本文的前馈电路的目的和原理与传统概念的前馈完全不同，是为了在不同输入电压下有比较接近的博德图，从而同时得到较好的稳态特性和负载动态特性。研究的输入电压是稳态电压，并不是动态电压。本文的动态均指负载电流的动态。

研究结论电压型 CCM Buck 型变流器的功率级传递函数随输入电压的变化而变化。用输入电压作为补偿量合理地去改变控制环节的传递函数能够起到抵消功率级传递函数中 Vin 量的作用，从而环路增益就不会随输入电压改变而改变， 宽输入电压范围应用下，兼顾稳定性和动态的小信号就比较容易设计。Boost 型、 Buck-Boost 型的变流器的补偿还有待于进一步地研究。3

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所