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基于SG3525電壓調節芯片的PWMBuck三電平變換器
摘要：闡述了用SG3525電壓調節芯片實(shí)現PWMBuck三電平變換器的交錯控制。相對于采用分立元件實(shí)現PWMBuck三電平變換器的交錯控制而言，該控制方法電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，可以較好地解決三電平波形的不對稱(chēng)問(wèn)題。詳細介紹了SG3525電壓調節芯片，并給出了基于SG3525電壓調節芯片的PWMBuck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(kāi)關(guān)頻率50kHz的PWMBuck三電平變換器進(jìn)行了實(shí)驗驗證。引言
三電平變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：
——開(kāi)關(guān)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��；
——續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(chǎng)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(kāi)關(guān)數目多，對其實(shí)施有效的控制比較復雜。傳統上，采用比較器、運算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實(shí)現PWM三電平變換器的控制。但是，由于實(shí)現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)周期內所提供的能量不可能相等，造成了三電平波形不對稱(chēng)。
本文采用電壓調節芯片SG3525來(lái)實(shí)現PWMBuck三電平變換器的控制，可以大大減小由分立元件實(shí)現時(shí)所帶來(lái)的三電平波形不對稱(chēng)的問(wèn)題，實(shí)現方法簡(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[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導過(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。
1.2 Buck三電平變換器
為了確保兩只開(kāi)關(guān)管的電壓應力相等，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[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(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導通，電路由D1及D2續流，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(shí)刻，關(guān)斷S1，則D1導通，電路由D1及D2續流，電感L放電，與模態(tài)2的工作過(guò)程類(lèi)似。
圖3
2 基于SG3525的PWMBuck三電平變換器
2.1 電壓調節芯片SG3525
電壓調節芯片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，死區調節，PWM鎖存器以及輸出級的最佳設計等特點(diǎn)。
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(guò)流保護電路。腳5，腳6，腳7內有一個(gè)雙門(mén)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(gè)兩級差分放大器，直流開(kāi)環(huán)增益為70dB左右。根據系統的動(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的反饋補償網(wǎng)絡(luò )。
由于SG3525能輸出兩路占空比相等，且相位相差180°的驅動(dòng)信號，所以適合于用來(lái)實(shí)現對非隔離型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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