sg 示范电路及详解

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1、基于SG3525电压调节芯片的PWM Buck三电平变换器摘要：阐述了用SG3525电压调节芯片实现PWM Buck三电平变换器的交错控制。相对于采用分立元 件实现PWM Buck三电平变换器的交错控制而言，该控制方法电路简单，易于实现，可以较好地解决 三电平波形的不对称问题。详细介绍了 SG3525电压调节芯片，并给出了基于SG3525电压调节芯片的 PWM Buck三电平变换器的具体设计方法。最后对输入电压为120V(90180V)，输出为48V/4A，开关 频率50kHz的PWM Buck三电平变换器进行了实验验证。关键词：PWM Buck三电平变换器；SG3525电压调节芯片；分立元件

2、0引言三电平变换器有下列优点：开关管的电压应力为输入电压的一半；可以大大减小储能元件的大小；续流二极管的电压应力为输入电压的一半。因此，三电平变换器非常适用于高输入电压中大功率的应用场合。文献1详细分析了隔离与非隔离 的三电平变换器的拓扑结构。由于三电平变换器的开关数目多，对其实施有效的控制比较复杂。传统上，采用比较器、运算放大 器和RS触发器等分立元件实现PWM三电平变换器的控制。但是，由于实现上述控制所需的分立元 件众多，两个锯齿波不可能做到完全匹配，同时两个开关管的驱动电路也不可能完全相同，因此，两 个开关管的占空比必然存在一定的差异，隔直电容Cb在一个周期内所提供的能量不可能相等，造成

3、 了三电平波形不对称。本文采用电压调节芯片SG3525来实现PWM Buck三电平变换器的控制，可以大大减小由分立元件实 现时所带来的三电平波形不对称的问题，实现方法简单有效。1 Buck三电平变换器三电平两种开关单元文献2分析了三电平DC/DC变换器的推导过程:用两只开关管串联代替一只开关管以降低电压应力， 并引入一只箝位二极管和箝位电压源(它被均分为两个相等的电压源)确保两只开关管电压应力均衡。 电路中开关管的位置不同，其箝位电压源与箝位二极管的接法也不同。文中提取出两个三电平开关单 元如下图1所示。图1(a )中，箝位二极管的阳极与箝位电压源的中点相连，称之为阳极单元；图1(b) 中，箝

4、位二极管的阴极与箝位电压源的中点相连，称之为阴极单元。(a) 三电平阳极单元(b)三电平阴极单元图1两种三电平开关单元Buck三电平变换器为了确保两只开关管的电压应力相等，三电平变换器一般由上述两种开关单元共同组成。文献2所 分析的半桥式三电平变换器的推导思路，可以推广到所有的直流变换器中，由此提出了一族三电平变 换器拓扑。图2为Buck三电平变换器主电路拓扑及其4个工作模态。模态1如图2(a)所示。在t=0时刻，触发开关管S2,使S2导通，二极管D2则反偏截止，电压源Vin 通过隔直电容Cb给电感L充电。模态2如图2(b)所示。在t=t1时刻，关断S2，则D2导通，电路由D1及D2续流，电感

5、L放电。模态3如图2(c)所示。直至t=t2时刻，控制电路使S1导通，二极管D1则反偏截止，隔直电容Cb 向电感L放电。模态4如图2(d)所示。当t=t3时刻，关断S1，则D1导通，电路由D1及D2续流，电感L放电，与模态2的工作过程类似。(a) 模态1(b) 模态2(c) 模态3(d) 模态4图2 Buck三电平变换器2基于SG3525的PWM Buck三电平变换器电压调节芯片SG3525电压调节芯片SG3525是一种性能优良，功能全面及通用性强的集成PWM电压控制芯片。它具有振 荡器外同步，内置基准电压源，死区调节，PWM锁存器以及输出级的最佳设计等特点。SG3525为16脚芯片，具体的内

6、部结构和封装如图3所示。其中，脚16为SG3525的基准电压源输 出，精度可以达到(1%) V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚5,脚6,脚7内有一个 双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。振荡器还 设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大 器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB左右。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放 大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络。(a)内部结构图(b)封装图图3SG3525的内部结构图和封装图由于SG3525能输出两路占空比相等，且相位

7、相差180的驱动信号，所以适合于用来实现对非隔离型 PWM三电平变换器的控制。有一点需要注意的是，SG3525只能输出占空比50%的驱动信号，所以只能实现非隔离型三电平变 换器的占空比50%的工作情况。至于要实现变换器的占空比50%的工作要求，则不能将SG3525的 输出直接驱动开关管，而必须附加一些环节，对此本文不加赘述。驱动电路为提高电路的效率及功率器件工作的可靠性，一般需要将控制电路的输出信号加以功率放大。本文 采用MC34152加隔离变压器驱动的方法来设计驱动电路。MC34152的外围电路简单，应用方便。它是8管脚的同相推挽驱动芯片，具体的内部结构和封装如 图4所示。脚2与脚4为两路控

8、制信号输入，经过芯片内部的推挽放大，直接输出同相的两路驱动信 号(脚7及脚5)。为使芯片更加稳定地工作，一般在芯片的电源端并联一个滤去高频干扰的瓷片电容 和一个滤去低频干扰的电解电容。(a) 内部结构图(b) 封装图图4 MC34152内部结构图和封装图当电路的功率较大及工作频率较高时，一般要将控制电路与主电路隔离。所以，本文采用隔离变压 器来实现隔离。MC34152的输出经一隔直电容后直接可以输入到隔离变压器的原边。本文所设计的驱动电路简单可行，驱动波形比较理想：有快速的上升沿，并有一定的过冲，以加速 开通，减小了开通损耗；同时，有反偏截止电压，提供了足够的反相门极驱动，减小了下降时间。基于

9、SG3525的PWMBuck三电平变换器基于SG3525的PWMBuck三电平变换器的系统框图如图5所示。图5基于SG3525的PWMBuck三电平变换器3实验结果和分析为验证基于SG3525的PWM Buck三电平变换器的控制可行性，选择合适的器件参数对电路进行了实 验验证。输入电压为DC90180V，输出电压为DC48V，额定输出电流为4A，开关频率为50kHz。图6所示的即为基于SG3525的PWM Buck三电平变换器的实验波形。(a)ch1 死区波形；ch2vgs1； ch3vgs2(b) ch4vcd； ch2vgsl； chivdsl(c) chlvds2； ch2vgs2； c

10、h3vab； ch4vdsl(d) chl Io； ch2Vo图6 PWM Buck三电平变换器实验结果从图6中可以看出，采用SG3525来实现PWM Buck三电平变换器的控制是可行的。图6(a)中，SG3525的两路输出vgsl及vgs2的最大占空比约为。死区时间可以根据电路需要任意 调节。在PWM Buck三电平变换器中，开关频率为50kHz,从图中可以看出驱动信号的频率即为所需。 要实现对驱动信号频率的调节也变得非常简单，只需要调节SG3525的振荡器频率即可。图6(b)中，输入电压Vin为DCl20V,恒流电子Io负载为4A。vcd为隔直电容Cb两端的电压波形， 其平均值为Vin/2

11、，即为输入电压的一半。实验中，vcd的波形有微小的尖峰。这是由开关管S2的开 通和关断所引起的。vgsl为开关管Sl的驱动波形。vdsl为开关管Sl工作时的漏源极电压波形，开通 及关断时刻没有大的尖峰，对开关管而言是比较理想的波形。图6(c)中，输入电压Vin为DC l20V，恒流电子负载Io为4A。由vdsl和vds2的波形可以明显看出两 个开关管的工作情况：开关管Sl和S2互补导通，而且有共同关断的时段，此间由二极管Dl和D2 续流，很好地验证了本文中所分析的4个模态的工作情况。vgs2即为开关管S2的驱动波形。vab为三 电平波形，可见其频率为开关频率的2倍。从而大大减小了滤波元件的大小

12、。文献3详细分析了 一类零电压零电流开关复合式全桥三电平DC/DC变换器，该变换器的输出整流电压高频交流分量很小， 可以减小输出滤波器，改善变换器的动态性能；同时其输入电流脉动很小，可以减小输入滤波器。文 献l详细论述了 Buck三电平变换器和传统的Buck变换器中滤波器的参数设计的分析和比较。图6(d)中，输入电压为DC l20V。图中示意了恒流电子负载Io从2A跳变到4A时，输出电压Vo的瞬 态响应曲线。可以看出该PWM Buck三电平变换器电路的抗负载扰动能力比较强，可以较快地稳定在 额定输出的电压值Vo=48V上。4结语本文首先简要论述了三电平变换器拓扑的推导过程；接着介绍了 Buck三电平变换器的主电路拓扑及 其在占空比小于50%时的4个工作模态。详细分析了如何基于电压调节芯片SG3525来实现PWM Buck 三电平变换器的控制。最后用实验证明了基于SG3525来实现对PWM Buck三电平变换器的控制是行 之有效的，可以大大减小由分立元件实现所带来的三电平波形不对称的问题，方法简单。同样，基于 SG3525的电压控制方法可以推广到其它非隔离型的PWM三电平变换器中。