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(90～180V)，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

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C_b在一个周期内所提供的能量不可能相等，造成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

1.1 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

1.2 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V_in通过隔直电容C_b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C_b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