0 引言

三電平變換器" title="三電平變換器">三電平變換器有下列優(yōu)點：

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[1]詳細分析了隔離與非隔離的三電平變換器的拓撲結(jié)構(gòu),。

由于三電平變換器的開關(guān)數(shù)目多，對其實施有效的控制比較復(fù)雜,。傳統(tǒng)上,，采用比較器、運算放大器和RS觸發(fā)器等分立元件實現(xiàn)PWM" title="PWM">PWM三電平變換器的控制,。但是,，由于實現(xiàn)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(guān)管的驅(qū)動電路也不可能完全相同,，因此，兩個開關(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稱,。

本文采用電壓調(diào)節(jié)芯片" title="電壓調(diào)節(jié)芯片">電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525來實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制，可以大大減小由分立元件實現(xiàn)時所帶來的三電平波形不對稱的問題,，實現(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[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,。



(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[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撲。圖2為Buck三電平變換器主電路拓撲及其4個工作模態(tài),。

模態(tài)1    如圖2(a)所示,。在t=0時刻，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

2 基于SG3525的PWM Buck三電平變換器

2.1 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的集成PWM電壓控制芯片。它具有振蕩器外同步,，內(nèi)置基準電壓源,，死區(qū)調(diào)節(jié)，PWM鎖存器以及輸出級的最佳設(shè)計等特點,。

SG3525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(shè)有過流保護電路,。腳5，腳6,，腳7內(nèi)有一個雙門限比較器,，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,。該放大器是一個兩級差分放大器,，直流開環(huán)增益為70dB左右。根據(jù)系統(tǒng)的動態(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償網(wǎng)絡(luò)。



（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（b）封裝圖

圖3 SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和封裝圖

由于SG3525能輸出兩路占空比相等,，且相位相差180°的驅(qū)動信號,，所以適合于用來實現(xiàn)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<50％的驅(qū)動信號,，所以只能實現(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)動開關(guān)管,，而必須附加一些環(huán)節(jié),，對此本文不加贅述。

2.2 驅(qū)動電路

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加以功率放大,。本文采用MC34152加隔離變壓器驅(qū)動的方法來設(shè)計驅(qū)動電路。

MC34152的外圍電路簡單,，應(yīng)用方便,。它是8管腳的同相推挽驅(qū)動芯片，具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封裝如圖4所示,。腳2與腳4為兩路控制信號輸入,，經(jīng)過芯片內(nèi)部的推挽放大，直接輸出同相的兩路驅(qū)動信號(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)一個濾去高頻干擾的瓷片電容和一個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,，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)計的驅(qū)動電路簡單可行，驅(qū)動波形比較理想：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,，有反偏截止電壓，提供了足夠的反相門極驅(qū)動,，減小了下降時間,。

2.3 基于SG3525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 實驗結(jié)果和分析

為驗證基于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)對電路進行了實驗驗證,。輸入電壓為DC90～180V，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三電平變換器的實驗波形,。



(a)ch1－死區(qū)波形,；ch2－vgs1,；ch3－vgs2



(b)ch4－vcd；ch2－vgs1,；ch1－vds1



(c)ch1－vds2,；ch2－vgs2；ch3－vab,；ch4－vds1



(d)ch1－Io,；ch2－Vo

圖6 PWM Buck三電平變換器實驗結(jié)果

從圖6中可以看出，采用SG3525來實現(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vgs1及vgs2的最大占空比約為48.5％。死區(qū)時間可以根據(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)動信號的頻率即為所需,。要實現(xiàn)對驅(qū)動信號頻率的調(diào)節(jié)也變得非常簡單，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負載為4A,。vcd為隔直電容Cb兩端的電壓波形,，其平均值為Vin/2，即為輸入電壓的一半,。實驗中,，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)動波形,。vds1為開關(guān)管S1工作時的漏源極電壓波形，開通及關(guān)斷時刻沒有大的尖峰,，對開關(guān)管而言是比較理想的波形,。

圖6(c)中，輸入電壓Vin為DC 120V,，恒流電子負載Io為4A,。由vds1和vds2的波形可以明顯看出兩個開關(guān)管的工作情況：開關(guān)管S1和S2互補導(dǎo)通，而且有共同關(guān)斷的時段,，此間由二極管D1和D2續(xù)流,，很好地驗證了本文中所分析的4個模態(tài)的工作情況。vgs2即為開關(guān)管S2的驅(qū)動波形,。vab為三電平波形,，可見其頻率為開關(guān)頻率的2倍。從而大大減小了濾波元件的大小。文獻[3][4]詳細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，改善變換器的動態(tài)性能,；同時其輸入電流脈動很小,，可以減小輸入濾波器。文獻[1]詳細論述了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載Io從2A跳變到4A時,，輸出電壓Vo的瞬態(tài)響應(yīng)曲線,。可以看出該PWM Buck三電平變換器電路的抗負載擾動能力比較強,，可以較快地穩(wěn)定在額定輸出的電壓值Vo=48V上,。

4 結(jié)語

本文首先簡要論述了三電平變換器拓撲的推導(dǎo)過程；接著介紹了Buck三電平變換器的主電路拓撲及其在占空比小于50％時的4個工作模態(tài),。詳細分析了如何基于電壓調(diào)節(jié)芯片SG3525來實現(xiàn)PWM Buck三電平變換器的控制,。最后用實驗證明了基于SG3525來實現(xiàn)對PWM Buck三電平變換器的控制是行之有效的，可以大大減小由分立元件實現(xiàn)所帶來的三電平波形不對稱的問題,，方法簡單,。同樣，基于SG3525的電壓控制方法可以推廣到其它非隔離型的PWM三電平變換器中,。