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基于SG3525电压调节芯片的PWMBuck三电平变换器

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

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。
  关键词:PWMBuck三电平变换器;SG3525电压调节芯片;分立元件
  
  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。
  
  1Buck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。
  
  1.2Buck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。
  
  由于SG3525能输出两路占空比相等,且相位相差180°的驱动信号,所以适合于用来实现对非隔离型PWM三电平变换器的控制。
  
  有一点需要注意的是,SG3525只能输出占空比<50%的驱动信号,所以只能实现非隔离型三电平变换器的占空比<50%的工作情况。至于要实现变换器的占空比>50%的工作要求,则不能将SG3525的输出直接驱动开关管,而必须附加一些环节,对此本文不加赘述。
  
  2.2驱动电路
  
  为提高电路的效率及功率器件工作的可靠性,一般需要将控制电路的输出信号加以功率放大。本文采用MC34152加隔离变压器驱动的方法来设计驱动电路。
  
  MC34152的外围电路简单,应用方便。它是8管脚的同相推挽驱动芯片,具体的内部结构和封装如图4所示。脚2与脚4为两路控制信号输入,经过芯片内部的推挽放大,直接输出同相的两路驱动信号(脚7及脚5)

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