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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電壓調節芯片實現PWMBuck三電平變換器的交錯控制。相對于采用分立元件實現PWMBuck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，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，開關頻率50kHz的PWMBuck三電平變換器進行了實驗驗證。引言
三電平變換器有下列優點：
——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目多，對其實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觸發器等分立元件實現PWM三電平變換器的控制。但是，由于實現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。
本文采用電壓調節芯片SG3525來實現PWMBuck三電平變換器的控制，可以大大減小由分立元件實現時所帶來的三電平波形不對稱的問題，實現方法簡單有效。
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。
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。
模態1如圖2(a)所示。在t=0時刻，觸發開關管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續流，電感L放電。
模態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續流，電感L放電，與模態2的工作過程類似。
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。
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，直流開環增益為70dB左右。根據系統的動態、靜態特性要求，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絡。
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
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