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基于SG3525电压调节芯片的PWMBuck三电平变换器

2015-08-07 01:08 摘要：阐述了用SG3525电压调节芯片实现PWMBuck三电平变换器的交错控制。相对于采用分立元件实现PWMBuck三电平变换器的交错控制而言，该控制方法电路简单，易于实现，可以较好地解决三电平波形的不对称问题。详细介绍了SG3525电压调节芯片，并给出了基于SG3525电压调节芯片的PWMBuck三电平变换器的具体设计方法。最后对输入电压为120V(90～180V)，输出为48V/4A，开关频率50kHz的PWMBuck三电平变换器进行了实验验证。

引言

三电平变换器有下列优点：

——开关管的电压应力为输入电压的一半；

——可以大大减小储能元件的大小；

——续流二极管的电压应力为输入电压的一半。

因此，三电平变换器非常适用于高输入电压中大功率的应用场合。文献[1]详细分析了隔离与非隔离的三电平变换器的拓扑结构。

由于三电平变换器的开关数目多，对其实施有效的控制比较复杂。传统上，采用比较器、运算放大器和RS触发器等分立元件实现PWM三电平变换器的控制。但是，由于实现上述控制所需的分立元件众多，两个锯齿波不可能做到完全匹配，同时两个开关管的驱动电路也不可能完全相同，因此，两个开关管的占空比必然存在一定的差异，隔直电容Cb在一个周期内所提供的能量不可能相等，造成了三电平波形不对称。

本文采用电压调节芯片SG3525来实现PWMBuck三电平变换器的控制，可以大大减小由分立元件实现时所带来的三电平波形不对称的问题，实现方法简单有效。

1 Buck三电平变换器

1.1 三电平两种开关单元

文献[2]分析了三电平DC/DC变换器的推导过程：用两只开关管串联代替一只开关管以降低电压应力，并引入一只箝位二极管和箝位电压源(它被均分为两个相等的电压源)确保两只开关管电压应力均衡。电路中开关管的位置不同，其箝位电压源与箝位二极管的接法也不同。文中提取出两个三电平开关单元如下图1所示。图1(a)中，箝位二极管的阳极与箝位电压源的中点相连，称之为阳极单元；图1(b)中，箝位二极管的阴极与箝位电压源的中点相连，称之为阴极单元。

1.2 Buck三电平变换器

为了确保两只开关管的电压应力相等，三电平变换器一般由上述两种开关单元共同组成。文献[2]所分析的半桥式三电平变换器的推导思路，可以推广到所有的直流变换器中，由此提出了一族三电平变换器拓扑。图2为Buck三电平变换器主电路拓扑及其4个工作模态。

模态1如图2(a)所示。在t=0时刻，触发开关管S2，使S2导通，二极管D2则反偏截止，电压源Vin通过隔直电容Cb给电感L充电。

模态2如图2(b)所示。在t=t1时刻，关断S2，则D2导通，电路由D1及D2续流，电感L放电。

模态3如图2(c)所示。直至t=t2时刻，控制电路使S1导通，二极管D1则反偏截止，隔直电容Cb向电感L放电。

模态4如图2(d)所示。当t=t3时刻，关断S1，则D1导通，电路由D1及D2续流，电感L放电，与模态2的工作过程类似。

图3

2 基于SG3525的PWMBuck三电平变换器

2.1 电压调节芯片SG3525

电压调节芯片SG3525是一种性能优良，功能全面及通用性强的集成PWM电压控制芯片。它具有振荡器外同步，内置基准电压源，死区调节，PWM锁存器以及输出级的最佳设计等特点。

SG3525为16脚芯片，具体的内部结构和封装如图3所示。其中，脚16为SG3525的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5，脚6，脚7内有一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB左右。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络。