中心議題：
- Buck三電平變換器的工作模態(tài)
- 基于SG3525的PWM Buck三電平變換器設(shè)計(jì)
解決方案：
- 基于SG3525的PWM Buck三電平變換器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
- 基于SG3525的PWM Buck三電平變換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文闡述了用SG3525電壓調(diào)節(jié)芯片實(shí)現(xiàn)PWM Buck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)PWM Buck三電平變換器的交錯(cuò)控制而言，該控制方法電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可以較好地解決三電平波形的不對(duì)稱(chēng)問(wèn)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PWM Buck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(kāi)關(guān)頻率50kHz的PWM Buck三電平變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
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(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(kāi)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(kāi)關(guān)管的驅(qū)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(nèi)所提供的能量不可能相等，造成了三電平波形不對(duì)稱(chēng)。
本文采用電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)所帶來(lái)的三電平波形不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導(dǎo)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(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(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)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
[page]
1.2 Buck三電平變換器
為了確保兩只開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管S2，使S2導(dǎo)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(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(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
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(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(guò)流保護(hù)電路。腳5，腳6，腳7內(nèi)有一個(gè)雙門(mén)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(kāi)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)。
（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （b）封裝圖
圖3 SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和封裝圖
[page]
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(lái)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<50％的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所以只能實(shí)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(shí)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(dòng)開(kāi)關(guān)管，而必須附加一些環(huán)節(jié)，對(duì)此本文不加贅述。
2.2 驅(qū)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(hào)加以功率放大。本文采用MC34152加隔離變壓器驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。
MC34152的外圍電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便。它是8管腳的同相推挽驅(qū)動(dòng)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(hào)輸入，經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的推挽放大，直接輸出同相的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)(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(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。
（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(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(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(jì)的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單可行，驅(qū)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(qū)動(dòng)，減小了下降時(shí)間。
2.3 基于SG3525的PWM Buck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
[page]
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
為驗(yàn)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(duì)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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PWM Buck三電平變換器的實(shí)驗(yàn)波形。
(a)ch1－死區(qū)波形；ch2－vgs1；ch3－vgs2
(b)ch4－vcd；ch2－vgs1；ch1－vds1
(c)ch1－vds2；ch2－vgs2；ch3－vab；ch4－vds1
(d)ch1－Io；ch2－Vo
圖6 PWM Buck三電平變換器實(shí)驗(yàn)結(jié)果
[page]
從圖6中可以看出，采用SG3525來(lái)實(shí)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vgs1及vgs2的最大占空比約為48.5％。死區(qū)時(shí)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(kāi)關(guān)頻率為50kHz，從圖中可以看出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率即為所需。要實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的調(diào)節(jié)也變得非常簡(jiǎn)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Vin為DC120V，恒流電子Io負(fù)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(yàn)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(qū)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(duì)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DC 120V，恒流電子負(fù)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(bǔ)導(dǎo)通，而且有共同關(guān)斷的時(shí)段，此間由二極管D1和D2續(xù)流，很好地驗(yàn)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(qū)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(xiàn)[3][4]詳細(xì)分析了一類(lèi)零電壓零電流開(kāi)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(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(xiàn)[1]詳細(xì)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(jì)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(fù)載Io從2A跳變到4A時(shí)，輸出電壓Vo的瞬態(tài)響應(yīng)曲線。可以看出該P(yáng)WM Buck三電平變換器電路的抗負(fù)載擾動(dòng)能力比較強(qiáng)，可以較快地穩(wěn)定在額定輸出的電壓值Vo=48V上。
4 結(jié)語(yǔ)
本文首先簡(jiǎn)要論述了三電平變換器拓?fù)涞耐茖?dǎo)過(guò)程；接著介紹了Buck三電平變換器的主電路拓?fù)浼捌湓谡伎毡刃∮?0％時(shí)的4個(gè)工作模態(tài)。詳細(xì)分析了如何基于電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制。最后用實(shí)驗(yàn)證明了基于SG3525來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)所帶來(lái)的三電平波形不對(duì)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。
