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(90～180V)，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；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)能元件的大小；

——續(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C_b在一個(gè)周期內(nèi)所提供的能量不可能相等，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)方法簡單有效。

1 Buck三電平變換器

1.1 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，箝位二極管的陽極與箝位電壓源的中點(diǎn)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(diǎn)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(guān)單元

1.2 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V_in通過隔直電容C_b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C_b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。

(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