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基于SG3525電壓調(diào)節(jié)芯片的PWMBuck三電平變換器
摘要：闡述了用SG3525電壓調(diào)節(jié)芯片實(shí)現(xiàn)PWMBuck三電平變換器的交錯(cuò)控制。相對(duì)于采用分立元件實(shí)現(xiàn)PWMBuck三電平變換器的交錯(cuò)控制而言，該控制方法電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以較好地解決三電平波形的不對(duì)稱問題。詳細(xì)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PWMBuck三電平變換器的具體設(shè)計(jì)方法。最后對(duì)輸入電壓為120V(90～180V)，輸出為48V/4A，開關(guān)頻率50kHz的PWMBuck三電平變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。引言
三電平變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：
——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(chǔ)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(chǎng)合。文獻(xiàn)[1]詳細(xì)分析了隔離與非隔離的三電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
由于三電平變換器的開關(guān)數(shù)目多，對(duì)其實(shí)施有效的控制比較復(fù)雜。傳統(tǒng)上，采用比較器、運(yùn)算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實(shí)現(xiàn)PWM三電平變換器的控制。但是，由于實(shí)現(xiàn)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)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路也不可能完全相同，因此，兩個(gè)開關(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(nèi)所提供的能量不可能相等，造成了三電平波形不對(duì)稱。
本文采用電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525來實(shí)現(xiàn)PWMBuck三電平變換器的控制，可以大大減小由分立元件實(shí)現(xiàn)時(shí)所帶來的三電平波形不對(duì)稱的問題，實(shí)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(xiàn)[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(gè)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(gè)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(diǎn)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(diǎn)相連，稱之為陰極單元。
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(xiàn)[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?fù)洹D2為Buck三電平變換器主電路拓?fù)浼捌?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)開關(guān)管S2，使S2導(dǎo)通，二極管D2則反偏截止，電壓源Vin通過隔直電容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(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(shí)刻，控制電路使S1導(dǎo)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(dāng)t=t3時(shí)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。
圖3
2 基于SG3525的PWMBuck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(qiáng)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(jí)的最佳設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。
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(dá)到（5.1±1％）V，采用了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過流保護(hù)電路。腳5，腳6，腳7內(nèi)有一個(gè)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(gè)兩級(jí)差分放大器，直流開環(huán)增益為70dB左右。根據(jù)系統(tǒng)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(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)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(qū)動(dòng)信號(hào)，所以適合于用來實(shí)現(xiàn)對(duì)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
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