基于SG3525電壓調(diào)節(jié)芯片的PWM Buck三電平變換器

摘要：闡述了用SG3525電壓調(diào)節(jié)芯片實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的交錯控制。相對于采用分立元件實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的交錯控制而言，該控制方法電路簡單，易于實現(xiàn)，可以較好地解決三電平波形的不對稱問題。詳細介紹了SG3525電壓調(diào)節(jié)芯片，并給出了基于SG3525電壓調(diào)節(jié)芯片的PWM Buck三電平變換器的具體設(shè)計方法。最后對輸入電壓為120V(90～180V)，輸出為48V/4A，開關(guān)頻率50kHz的PWM Buck三電平變換器進行了實驗驗證。

關(guān)鍵詞：PWM Buck三電平變換器；SG3525電壓調(diào)節(jié)芯片；分立元件

?

0??? 引言

??? 三電平變換器有下列優(yōu)點：

??? ——開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半；

??? ——可以大大減小儲能元件的大小；

??? ——續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半。

??? 因此，三電平變換器非常適用于高輸入電壓中大功率的應(yīng)用場合。文獻[1]詳細分析了隔離與非隔離的三電平變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。

??? 由于三電平變換器的開關(guān)數(shù)目多，對其實施有效的控制比較復(fù)雜。傳統(tǒng)上，采用比較器、運算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實現(xiàn)PWM三電平變換器的控制。但是，由于實現(xiàn)上述控制所需的分立元件眾多，兩個鋸齒波不可能做到完全匹配，同時兩個開關(guān)管的驅(qū)動電路也不可能完全相同，因此，兩個開關(guān)管的占空比必然存在一定的差異，隔直電容C_b在一個周期內(nèi)所提供的能量不可能相等，造成了三電平波形不對稱。

??? 本文采用電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525來實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制，可以大大減小由分立元件實現(xiàn)時所帶來的三電平波形不對稱的問題，實現(xiàn)方法簡單有效。

1??? Buck三電平變換器

1.1??? 三電平兩種開關(guān)單元

??? 文獻[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導(dǎo)過程：用兩只開關(guān)管串聯(lián)代替一只開關(guān)管以降低電壓應(yīng)力，并引入一只箝位二極管和箝位電壓源(它被均分為兩個相等的電壓源)確保兩只開關(guān)管電壓應(yīng)力均衡。電路中開關(guān)管的位置不同，其箝位電壓源與箝位二極管的接法也不同。文中提取出兩個三電平開關(guān)單元如下圖1所示。圖1(a)中，箝位二極管的陽極與箝位電壓源的中點相連，稱之為陽極單元；圖1(b)中，箝位二極管的陰極與箝位電壓源的中點相連，稱之為陰極單元。

(a)三電平陽極單元??? (b)三電平陰極單元

圖1??? 兩種三電平開關(guān)單元

1.2??? Buck三電平變換器

??? 為了確保兩只開關(guān)管的電壓應(yīng)力相等，三電平變換器一般由上述兩種開關(guān)單元共同組成。文獻[2]所分析的半橋式三電平變換器的推導(dǎo)思路，可以推廣到所有的直流變換器中，由此提出了一族三電平變換器拓撲。圖2為Buck三電平變換器主電路拓撲及其4個工作模態(tài)。

??? 模態(tài)1??? 如圖2(a)所示。在t=0時刻，觸發(fā)開關(guān)管S₂，使S₂導(dǎo)通，二極管D₂則反偏截止，電壓源V_in通過隔直電容C_b給電感L充電。

??? 模態(tài)2??? 如圖2(b)所示。在t=t₁時刻，關(guān)斷S₂，則D₂導(dǎo)通，電路由D₁及D₂續(xù)流，電感L放電。

??? 模態(tài)3??? 如圖2(c)所示。直至t=t₂時刻，控制電路使S₁導(dǎo)通，二極管D₁則反偏截止，隔直電容C_b向電感L放電。

??? 模態(tài)4??? 如圖2(d)所示。當(dāng)t=t₃時刻，關(guān)斷S₁，則D₁導(dǎo)通，電路由D₁及D₂續(xù)流，電感L放電，與模態(tài)2的工作過程類似。

(a)模態(tài)1

(b)模態(tài)2

(c)模態(tài)3

(d)模態(tài)4

圖2??? Buck三電平變換器

2??? 基于SG3525的PWM Buck三電平變換器

2.1??? 電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525

??? 電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525是一種性能優(yōu)良，功能全面及通用性強的集成PWM電壓控制芯片。它具有振蕩器外同步，內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源，死區(qū)調(diào)節(jié)，PWM鎖存器以及輸出級的最佳設(shè)計等特點。

??? SG3525為16腳芯片，具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封裝如圖3所示。其中，腳16為SG3525的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達到（5.1±1％）V，采用了溫度補償，而且設(shè)有過流保護電路。腳5，腳6，腳7內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成SG3525的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端(腳3)。腳1及腳2分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB左右。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳9和腳1之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡(luò)。

（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（b）封裝圖

圖3SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和封裝圖

??? 由于SG3525能輸出兩路占空比相等，且相位相差180°的驅(qū)動信號，所以適合于用來實現(xiàn)對非隔離型PWM三電平變換器的控制。

??? 有一點需要注意的是，SG3525只能輸出占空比<50％的驅(qū)動信號，所以只能實現(xiàn)非隔離型三電平變換器的占空比<50％的工作情況。至于要實現(xiàn)變換器的占空比>50％的工作要求，則不能將SG3525的輸出直接驅(qū)動開關(guān)管，而必須附加一些環(huán)節(jié)，對此本文不加贅述。

2.2??? 驅(qū)動電路

??? 為提高電路的效率及功率器件工作的可靠性，一般需要將控制電路的輸出信號加以功率放大。本文采用MC34152加隔離變壓器驅(qū)動的方法來設(shè)計驅(qū)動電路。

??? MC34152的外圍電路簡單，應(yīng)用方便。它是8管腳的同相推挽驅(qū)動芯片，具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封裝如圖4所示。腳2與腳4為兩路控制信號輸入，經(jīng)過芯片內(nèi)部的推挽放大，直接輸出同相的兩路驅(qū)動信號(腳7及腳5)。為使芯片更加穩(wěn)定地工作，一般在芯片的電源端并聯(lián)一個濾去高頻干擾的瓷片電容和一個濾去低頻干擾的電解電容。

（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

（b）封裝圖

圖4??? MC34152內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和封裝圖

??? 當(dāng)電路的功率較大及工作頻率較高時，一般要將控制電路與主電路隔離。所以，本文采用隔離變壓器來實現(xiàn)隔離。MC34152的輸出經(jīng)一隔直電容后直接可以輸入到隔離變壓器的原邊。

??? 本文所設(shè)計的驅(qū)動電路簡單可行，驅(qū)動波形比較理想：有快速的上升沿，并有一定的過沖，以加速開通，減小了開通損耗；同時，有反偏截止電壓，提供了足夠的反相門極驅(qū)動，減小了下降時間。

2.3??? 基于SG3525的PWMBuck三電平變換器

??? 基于SG3525的PWMBuck三電平變換器的系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5??? 基于SG3525的PWMBuck三電平變換器

3??? 實驗結(jié)果和分析

??? 為驗證基于SG3525的PWM Buck三電平變換器的控制可行性，選擇合適的器件參數(shù)對電路進行了實驗驗證。輸入電壓為DC90～180V，輸出電壓為DC48V，額定輸出電流為4A，開關(guān)頻率為50kHz。

??? 圖6所示的即為基于SG3525的PWM Buck三電平變換器的實驗波形。

(a)ch1－死區(qū)波形；ch2－v_gs1；ch3－v_gs2

(b)ch4－v_cd；ch2－v_gs1；ch1－v_ds1

(c)ch1－v_ds2；ch2－v_gs2；ch3－v_ab；ch4－v_ds1

(d)ch1－I_o；ch2－V_o

圖6??? PWM Buck三電平變換器實驗結(jié)果

??? 從圖6中可以看出，采用SG3525來實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制是可行的。

??? 圖6(a)中，SG3525的兩路輸出v_gs1及v_gs2的最大占空比約為48.5％。死區(qū)時間可以根據(jù)電路需要任意調(diào)節(jié)。在PWM Buck三電平變換器中，開關(guān)頻率為50kHz，從圖中可以看出驅(qū)動信號的頻率即為所需。要實現(xiàn)對驅(qū)動信號頻率的調(diào)節(jié)也變得非常簡單，只需要調(diào)節(jié)SG3525的振蕩器頻率即可。

??? 圖6(b)中，輸入電壓V_in為DC120V，恒流電子I_o負載為4A。v_cd為隔直電容C_b兩端的電壓波形，其平均值為V_in/2，即為輸入電壓的一半。實驗中，v_cd的波形有微小的尖峰。這是由開關(guān)管S₂的開通和關(guān)斷所引起的。v_gs1為開關(guān)管S₁的驅(qū)動波形。v_ds1為開關(guān)管S₁工作時的漏源極電壓波形，開通及關(guān)斷時刻沒有大的尖峰，對開關(guān)管而言是比較理想的波形。

??? 圖6(c)中，輸入電壓V_in為DC 120V，恒流電子負載I_o為4A。由v_ds1和v_ds2的波形可以明顯看出兩個開關(guān)管的工作情況：開關(guān)管S₁和S₂互補導(dǎo)通，而且有共同關(guān)斷的時段，此間由二極管D₁和D₂續(xù)流，很好地驗證了本文中所分析的4個模態(tài)的工作情況。v_gs2即為開關(guān)管S₂的驅(qū)動波形。v_ab為三電平波形，可見其頻率為開關(guān)頻率的2倍。從而大大減小了濾波元件的大小。文獻[3][4]詳細分析了一類零電壓零電流開關(guān)復(fù)合式全橋三電平DC/DC變換器，該變換器的輸出整流電壓高頻交流分量很小，可以減小輸出濾波器，改善變換器的動態(tài)性能；同時其輸入電流脈動很小，可以減小輸入濾波器。文獻[1]詳細論述了Buck三電平變換器和傳統(tǒng)的Buck變換器中濾波器的參數(shù)設(shè)計的分析和比較。

??? 圖6(d)中，輸入電壓為DC 120V。圖中示意了恒流電子負載I_o從2A跳變到4A時，輸出電壓V_o的瞬態(tài)響應(yīng)曲線。可以看出該PWM Buck三電平變換器電路的抗負載擾動能力比較強，可以較快地穩(wěn)定在額定輸出的電壓值V_o=48V上。

4??? 結(jié)語

??? 本文首先簡要論述了三電平變換器拓撲的推導(dǎo)過程；接著介紹了Buck三電平變換器的主電路拓撲及其在占空比小于50％時的4個工作模態(tài)。詳細分析了如何基于電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525來實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制。最后用實驗證明了基于SG3525來實現(xiàn)對PWM Buck三電平變換器的控制是行之有效的，可以大大減小由分立元件實現(xiàn)所帶來的三電平波形不對稱的問題，方法簡單。同樣，基于SG3525的電壓控制方法可以推廣到其它非隔離型的PWM三電平變換器中。