sg示范電路及詳解

1、基于 SG3525 電壓調(diào)節(jié)芯片的 PWM Buck 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) 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(90180V)，輸出為48V/4A，開關(guān)頻率50kHz的PWM Buck三電平變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：PWM Buck三電平變換器；SG3525電壓調(diào)節(jié)芯片

2、；分立元件0 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?。焕m(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

3、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)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)所帶來的三電平波形不對(duì)稱的問題，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單有效。1 Buck 三電平變換器三電平兩種開關(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(yáng)極與箝位電壓源的中點(diǎn)相連，稱之為陽(yáng)

4、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。三電平陽(yáng)極單元 (b)三電平陰極單元圖 1 兩種三電平開關(guān)單元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)?。圖2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

5、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。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)。SG352

6、5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(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)。(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(b)封裝圖圖3SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和封裝圖由于SG3525能輸出兩路占

7、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)開關(guān)管，而必須附加一些環(huán)節(jié)，對(duì)此本文不加贅述。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

8、與腳4為兩路控制信號(hào)輸入，經(jīng)過芯片內(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，并有一定的過沖，以加速 開通，減小了開通損耗；同時(shí)，有反偏截止電壓，提供了足夠的反相門極驅(qū)動(dòng)，減小了

9、下降時(shí)間?；赟G3525的PWMBuck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 DC90180V,輸出電壓為 DC48V,額定輸出電流為 4A,開關(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 v

10、ds2； 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)果從圖6中可以看出，采用 SG3525來實(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vgsl及vgs2的最大占空比約為。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

11、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。這是由開關(guān)管S2的開通和關(guān)斷所引起的。vgs1為開關(guān)管S1的驅(qū)動(dòng)波形。vds1為開關(guān)管S1工作時(shí)的漏源極電壓波形，開通及關(guān)斷時(shí)刻沒有大的尖峰,對(duì)開關(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)開關(guān)管的工作情況：開關(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即為開關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)波形。vab為三電平波形,可見其頻率為開關(guān)

12、頻率的 2 倍。從而大大減小了濾波元件的大小。文獻(xiàn) 34 詳細(xì)分析了 一類零電壓零電流開關(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?？梢钥闯鲈揚(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)過程；接著介紹了 Buck三電平變