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基于SG3525的PWM Buck三電平變換器

發(fā)布時間:2012-01-19

中心議題:

  • Buck三電平變換器的工作模態(tài)
  • 基于SG3525的PWM Buck三電平變換器設計

解決方案:

  • 基于SG3525的PWM Buck三電平變換器驅動電路設計
  • 基于SG3525的PWM Buck三電平變換器系統(tǒng)設計


本文闡述了用SG3525電壓調節(jié)芯片實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的交錯控制。相對于采用分立元件實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的交錯控制而言,該控制方法電路簡單,易于實現(xiàn),可以較好地解決三電平波形的不對稱問題。詳細介紹了SG3525電壓調節(jié)芯片,并給出了基于SG3525電壓調節(jié)芯片的PWM Buck三電平變換器的具體設計方法。最后對輸入電壓為120V(90~180V),輸出為48V/4A,開關頻率50kHz的PWM Buck三電平變換器進行了實驗驗證。

0    引言

三電平變換器有下列優(yōu)點:

  • 開關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小;
  • 續(xù)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關數(shù)目多,對其實施有效的控制比較復雜。傳統(tǒng)上,采用比較器、運算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實現(xiàn)PWM三電平變換器的控制。但是,由于實現(xiàn)上述控制所需的分立元件眾多,兩個鋸齒波不可能做到完全匹配,同時兩個開關管的驅動電路也不可能完全相同,因此,兩個開關管的占空比必然存在一定的差異,隔直電容Cb在一個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。

本文采用電壓調節(jié)芯片SG3525來實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制,可以大大減小由分立元件實現(xiàn)時所帶來的三電平波形不對稱的問題,實現(xiàn)方法簡單有效。

1    Buck三電平變換器

1.1    三電平兩種開關單元
文獻[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導過程:用兩只開關管串聯(lián)代替一只開關管以降低電壓應力,并引入一只箝位二極管和箝位電壓源(它被均分為兩個相等的電壓源)確保兩只開關管電壓應力均衡。電路中開關管的位置不同,其箝位電壓源與箝位二極管的接法也不同。文中提取出兩個三電平開關單元如下圖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相連,稱之為陰極單元。


(a)三電平陽極單元    (b)三電平陰極單元
圖1    兩種三電平開關單元

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1.2    Buck三電平變換器
為了確保兩只開關管的電壓應力相等,三電平變換器一般由上述兩種開關單元共同組成。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個工作模態(tài)。

模態(tài)1:如圖2(a)所示。在t=0時刻,觸發(fā)開關管S2,使S2導通,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時刻,關斷S2,則D2導通,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時刻,關斷S1,則D1導通,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。

        
(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    電壓調節(jié)芯片SG3525
電壓調節(jié)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(qū)調節(jié),PWM鎖存器以及輸出級的最佳設計等特點。

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(5.1±1%)V,采用了溫度補償,而且設有過流保護電路。腳5,腳6,腳7內有一個雙門限比較器,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。該放大器是一個兩級差分放大器,直流開環(huán)增益為70dB左右。根據(jù)系統(tǒng)的動態(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?shù)姆答佈a償網絡。


(a)內部結構圖 (b)封裝圖
圖3 SG3525的內部結構圖和封裝圖

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

有一點需要注意的是,SG3525只能輸出占空比<50%的驅動信號,所以只能實現(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的輸出直接驅動開關管,而必須附加一些環(huán)節(jié),對此本文不加贅述。

2.2    驅動電路
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加隔離變壓器驅動的方法來設計驅動電路。

MC34152的外圍電路簡單,應用方便。它是8管腳的同相推挽驅動芯片,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,經過芯片內部的推挽放大,直接輸出同相的兩路驅動信號(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)一個濾去高頻干擾的瓷片電容和一個濾去低頻干擾的電解電容。

  
(a)內部結構圖                                   (b)封裝圖
圖4    MC34152內部結構圖和封裝圖

當電路的功率較大及工作頻率較高時,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實現(xiàn)隔離。MC34152的輸出經一隔直電容后直接可以輸入到隔離變壓器的原邊。

本文所設計的驅動電路簡單可行,驅動波形比較理想:有快速的上升沿,并有一定的過沖,以加速開通,減小了開通損耗;同時,有反偏截止電壓,提供了足夠的反相門極驅動,減小了下降時間。

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 

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3    實驗結果和分析

為驗證基于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)對電路進行了實驗驗證。輸入電壓為DC90~180V,輸出電壓為DC48V,額定輸出電流為4A,開關頻率為50kHz。

圖6所示的即為基于SG3525的PWM Buck三電平變換器的實驗波形。


(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三電平變換器實驗結果

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從圖6中可以看出,采用SG3525來實現(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)時間可以根據(jù)電路需要任意調節(jié)。在PWM Buck三電平變換器中,開關頻率為50kHz,從圖中可以看出驅動信號的頻率即為所需。要實現(xiàn)對驅動信號頻率的調節(jié)也變得非常簡單,只需要調節(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。實驗中,vcd的波形有微小的尖峰。這是由開關管S2的開通和關斷所引起的。vgs1為開關管S1的驅動波形。vds1為開關管S1工作時的漏源極電壓波形,開通及關斷時刻沒有大的尖峰,對開關管而言是比較理想的波形。

圖6(c)中,輸入電壓Vin為DC 120V,恒流電子負載Io為4A。由vds1和vds2的波形可以明顯看出兩個開關管的工作情況:開關管S1和S2互補導通,而且有共同關斷的時段,此間由二極管D1和D2續(xù)流,很好地驗證了本文中所分析的4個模態(tài)的工作情況。vgs2即為開關管S2的驅動波形。vab為三電平波形,可見其頻率為開關頻率的2倍。從而大大減小了濾波元件的大小。文獻[3][4]詳細分析了一類零電壓零電流開關復合式全橋三電平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,改善變換器的動態(tài)性能;同時其輸入電流脈動很小,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(tǒng)的Buck變換器中濾波器的參數(shù)設計的分析和比較。

圖6(d)中,輸入電壓為DC 120V。圖中示意了恒流電子負載Io從2A跳變到4A時,輸出電壓Vo的瞬態(tài)響應曲線??梢钥闯鲈揚WM Buck三電平變換器電路的抗負載擾動能力比較強,可以較快地穩(wěn)定在額定輸出的電壓值Vo=48V上。

4    結語

本文首先簡要論述了三電平變換器拓撲的推導過程;接著介紹了Buck三電平變換器的主電路拓撲及其在占空比小于50%時的4個工作模態(tài)。詳細分析了如何基于電壓調節(jié)芯片SG3525來實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制。最后用實驗證明了基于SG3525來實現(xiàn)對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現(xiàn)所帶來的三電平波形不對稱的問題,方法簡單。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。

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