基于SG3525電壓調節芯片的PWMBuck三電平變換器

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

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Cb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PWMBuck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。

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Vin通過(guò)隔直電容Cb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Cb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。

圖3

2 基于SG3525的PWMBuck三電平變換器

2.1 電壓調節芯片SG3525

電壓調節芯片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，內置基準電壓源，死區調節，PWM鎖存器以及輸出級的最佳設計等特點(diǎn)。

SG3525為16腳芯片，具體的內部結構和封裝如圖3所示。其中，腳16為SG3525的基準電壓源輸出，精度可以達到（5.11％）V，采用了溫度補償，而且設有過(guò)流保護電路。腳5，腳6，腳7內有一個(gè)雙門(mén)限比較器，內電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路共同構成SG3525的振蕩器。振蕩器還設有外同步輸入端(腳3)。腳1及腳2分別為芯片內誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級差分放大器，直流開(kāi)環(huán)增益為70dB左右。根據系統的動(dòng)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的反饋補償網(wǎng)絡(luò )。

由于SG3525能輸出兩路占空比相等，且相位相差180的驅動(dòng)信號，所以適合于用來(lái)實(shí)現對非隔離型PWM三電平變換器的控制。

有一點(diǎn)需要注意的是，SG3525只能輸出占空比50％的驅動(dòng)信號，所以只能實(shí)現非隔離型三電平變換器的占空比50％的工作情況。至于要實(shí)現變換器的占空比>50％的工作要求，則不能將SG3525的輸出直接驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管，而必須附加一些環(huán)節，對此本文不加贅述。

2.2 驅動(dòng)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加隔離變壓器驅動(dòng)的方法來(lái)設計驅動(dòng)電路。

MC34152的外圍電路簡(jiǎn)單，應用方便。它是8管腳的同相推挽驅動(dòng)芯片，具體的內部結構和封裝如圖4所示。腳2與腳4為兩路控制信號輸入，經(jīng)過(guò)芯片內部的推挽放大，直接輸出同相的兩路驅動(dòng)信號(腳7及腳5)。為使芯片更加穩定地工作，一般在芯片的電源端并聯(lián)一個(gè)濾去高頻干擾的瓷片電容和一個(gè)濾去低頻干擾的電解電容。

當電路的功率較大及工作頻率較高時(shí)，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(lái)實(shí)現隔離。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。

本文所設計的驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單可行，驅動(dòng)波形比較理想：有快速的上升沿，并有一定的過(guò)沖，以加速開(kāi)通，減小了開(kāi)通損耗；同時(shí)，有反偏截止電壓，提供了足夠的反相門(mén)極驅動(dòng)，減小了下降時(shí)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框圖如圖5所示。

3 實(shí)驗結果和分析

為驗證基于SG3525的PWMBuck三電平變換器的控制可行性，選擇合適的器件參數對電路進(jìn)行了實(shí)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(kāi)關(guān)頻率為50kHz。

圖6所示的即為基于SG3525的PWMBuck三電平變換器的實(shí)驗波形。

從圖6中可以看出，采用SG3525來(lái)實(shí)現PWMBuck三電平變換器的控制是可行的。

圖6(a)中，SG3525的兩路輸出vgs1及vgs2的最大占空比約為48.5％。死區時(shí)間可以根據電路需要任意調節。在PWMBuck三電平變換器中，開(kāi)關(guān)頻率為50kHz，從圖中可以看出驅動(dòng)信號的頻率即為所需。要實(shí)現對驅動(dòng)信號頻率的調節也變得非常簡(jiǎn)單，只需要調節SG3525的振蕩器頻率即可。

圖6(b)中，輸入電壓Vin為DC120V，恒流電子Io負載為4A。vcd為隔直電容Cb兩端的電壓波形，其平均值為Vin/2，即為輸入電壓的一半。實(shí)驗中，vcd的波形有微小的尖峰。這是由開(kāi)關(guān)管S2的開(kāi)通和關(guān)斷所引起的。vgs1為開(kāi)關(guān)管S1的驅動(dòng)波形。vds1為開(kāi)關(guān)管S1工作時(shí)的漏源極電壓波形，開(kāi)通及關(guān)斷時(shí)刻沒(méi)有大的尖峰，對開(kāi)關(guān)管而言是比較理想的波形。

圖6(c)中，輸入電壓Vin為DC120V，恒流電子負載Io為4A。由vds1和vds2的波形可以明顯看出兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的工作情況：開(kāi)關(guān)管S1和S2互補導通，而且有共同關(guān)斷的時(shí)段，此間由二極管D1和D2續流，很好地驗證了本文中所分析的4個(gè)模態(tài)的工作情況。vgs2即為開(kāi)關(guān)管S2的驅動(dòng)波形。vab為三電平波形，可見(jiàn)其頻率為開(kāi)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(lèi)零電壓零電流開(kāi)關(guān)復合式全橋三電平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(dòng)態(tài)性能；同時(shí)其輸入電流脈動(dòng)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的Buck變換器中濾波器的參數設計的分析和比較。

圖6(d)中，輸入電壓為DC120V。圖中示意了恒流電子負載Io從2A跳變到4A時(shí)，輸出電壓Vo的瞬態(tài)響應曲線(xiàn)?？梢钥闯鲈揚WMBuck三電平變換器電路的抗負載擾動(dòng)能力比較強，可以較快地穩定在額定輸出的電壓值Vo=48V上.

4 結語(yǔ)

本文首先簡(jiǎn)要論述了三電平變換器拓撲的推導過(guò)程；接著(zhù)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(shí)的4個(gè)工作模態(tài)。詳細分析了如何基于電壓調節芯片SG3525來(lái)實(shí)現PWMBuck三電平變換器的控制。最后用實(shí)驗證明了基于SG3525來(lái)實(shí)現對PWMBuck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(shí)現所帶來(lái)的三電平波形不對稱(chēng)的問(wèn)題，方法簡(jiǎn)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。