基于SG3525電壓調節芯片的PWM Buck三電平變換器

摘要：闡述了用SG3525電壓調節芯片實(shí)現PWM Buck三電平變換器的交錯控制。相對于采用分立元件實(shí)現PWM Buck三電平變換器的交錯控制而言，該控制方法電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，可以較好地解決三電平波形的不對稱(chēng)問(wèn)題。詳細介紹了SG3525電壓調節芯片，并給出了基于SG3525電壓調節芯片的PWM Buck三電平變換器的具體設計方法。最后對輸入電壓為120V(90～180V)，輸出為48V/4A，開(kāi)關(guān)頻率50kHz的PWM Buck三電平變換器進(jìn)行了實(shí)驗驗證。

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

0 引言

三電平變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：

——開(kāi)關(guān)管的電壓應力為輸入電壓的一半；

——可以大大減小儲能元件的大??；

——續流二極管的電壓應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用場(chǎng)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構。

由于三電平變換器的開(kāi)關(guān)數目多，對其實(shí)施有效的控制比較復雜。傳統上，采用比較器、運算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實(shí)現PWM三電平變換器的控制。但是，由于實(shí)現上述控制所需的分立元件眾多，兩個(gè)鋸齒波不可能做到完全匹配，同時(shí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)電路也不可能完全相同，因此，兩個(gè)開(kāi)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(gè)周期內所提供的能量不可能相等，造成了三電平波形不對稱(chēng)。

本文采用電壓調節芯片SG3525來(lái)實(shí)現PWM Buck三電平變換器的控制，可以大大減小由分立元件實(shí)現時(shí)所帶來(lái)的三電平波形不對稱(chēng)的問(wèn)題，實(shí)現方法簡(jiǎn)單有效。

1 Buck三電平變換器

1.1 三電平兩種開(kāi)關(guān)單元

文獻[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導過(guò)程：用兩只開(kāi)關(guān)管串聯(lián)代替一只開(kāi)關(guān)管以降低電壓應力，并引入一只箝位二極管和箝位電壓源(它被均分為兩個(gè)相等的電壓源)確保兩只開(kāi)關(guān)管電壓應力均衡。電路中開(kāi)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(gè)三電平開(kāi)關(guān)單元如下圖1所示。圖1(a)中，箝位二極管的陽(yáng)極與箝位電壓源的中點(diǎn)相連，稱(chēng)之為陽(yáng)極單元；圖1(b)中，箝位二極管的陰極與箝位電壓源的中點(diǎn)相連，稱(chēng)之為陰極單元。

(a)三電平陽(yáng)極單元 (b)三電平陰極單元

圖1 兩種三電平開(kāi)關(guān)單元

1.2 Buck三電平變換器

為了確保兩只開(kāi)關(guān)管的電壓應力相等，三電平變換器一般由上述兩種開(kāi)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(gè)工作模態(tài)。

模態(tài)1 如圖2(a)所示。在t=0時(shí)刻，觸發(fā)開(kāi)關(guān)管S₂，使S₂導通，二極管D₂則反偏截止，電壓源V_in通過(guò)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(shí)刻，關(guān)斷S₂，則D₂導通，電路由D₁及D₂續流，電感L放電。

模態(tài)3 如圖2(c)所示。直至t=t₂時(shí)刻，控制電路使S₁導通，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t=t₃時(shí)刻，關(guān)斷S₁，則D₁導通，電路由D₁及D₂續流，電感L放電，與模態(tài)2的工作過(guò)程類(lèi)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