基于SG3525電壓調節芯片的PWM Buck三電平變換器

摘要：闡述了用SG3525電壓調節芯片實現PWM Buck三電平變換器的交錯控制。相對于采用分立元件實現PWM Buck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PWM Buck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PWM Buck三電平變換器進行了實驗驗證。

關鍵詞：PWM Buck三電平變換器；SG3525電壓調節芯片；分立元件

0 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??；

——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C_b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PWM Buck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。

(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V_in通過隔直電容C_b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C_b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。

(a)模態1

(b)模態2

(c)模態3

(d)模態4

圖2 Buck三電平變換器