王松平，沈 鳳，時(shí)志蘋(píng)，朱慧博

（宿遷學(xué)院 計(jì)算機(jī)系， 江蘇 宿遷 223800）

直流變換器是一種應(yīng)用電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件及電子技術(shù)對(duì)原始電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換、加工、調(diào)節(jié)的電子電路，它廣泛應(yīng)用于電機(jī)拖動(dòng)、不間斷電源、計(jì)算機(jī)、通信、航天等各個(gè)領(lǐng)域，成為各種電子設(shè)備和系統(tǒng)高效率、低功耗、安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。而各種直流變換技術(shù)中，PWM控制與驅(qū)動(dòng)器集成電路是其核心和關(guān)鍵[1-2]。

電壓脈寬型控制芯片SG3525A以及高壓懸浮驅(qū)動(dòng)芯片IR2113，以其工作穩(wěn)定、外圍電路簡(jiǎn)單，成為了比較理想的控制驅(qū)動(dòng)芯片[3-4]。文章采用該兩種芯片設(shè)計(jì)了用以驅(qū)動(dòng)全橋變換器中功率MOSFET的控制驅(qū)動(dòng)電路，并在saber環(huán)境中搭建模型，進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

1 變換器總體設(shè)計(jì)

圖1為全橋直流變換器的總體設(shè)計(jì)框圖，直流300 V輸入經(jīng)過(guò)全橋高頻逆變后整流濾波輸出。輸出的采樣信號(hào)以及電路中的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)信號(hào)送給控制芯片SG3525，用以控制PWM信號(hào)輸出，PWM信號(hào)再由IR2113專(zhuān)用控制芯片驅(qū)動(dòng)逆變電路中開(kāi)關(guān)管的通斷，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。文中對(duì)其中的SG3525控制模塊及IR2113驅(qū)動(dòng)模塊的外圍電路的設(shè)計(jì)做了較為詳細(xì)的介紹。

2 主體電路設(shè)計(jì)

2.1 SG3525控制電路設(shè)計(jì)

圖2給出了SG3525的引腳圖[4]，其主要參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

圖1 全橋變換器總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The overall design of Full-bridge converter

圖2 SG3525引腳圖Fig.2 Overall design of Full-bridge converter

1）振蕩器振蕩頻率的確定

內(nèi)部振蕩器的振蕩頻率主要取決于6腳外接的定時(shí)電阻Rt，5腳外接的定時(shí)電容Ct和放電電阻Rd（連接于7腳與5腳之間的電阻）的大小。它們的關(guān)系滿(mǎn)足公式：

2）死區(qū)時(shí)間的確定

死區(qū)時(shí)間不但與Rd有關(guān)，而且還與外接的定時(shí)電阻Rt有關(guān)。文獻(xiàn)[4]給出了Rd的最大取值和Rt的最小取值之間的關(guān)系曲線(xiàn)。

由于課題設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)全橋驅(qū)動(dòng)的兩對(duì)開(kāi)關(guān)管頻率為50 kHz，則PWM控制器SG3525振蕩頻率為100 kHz，現(xiàn)取Rt=4.7 kΩ，則依據(jù)文獻(xiàn)[4]中Rd和Rt關(guān)系曲線(xiàn)，Rd最大取值不能超過(guò)200Ω，現(xiàn)取100Ω，代入公式1則有：

得Ct≈2.實(shí)際取標(biāo)稱(chēng)值t

3）8腳外接軟啟動(dòng)電容，該端到地所連接的電容可以決定該芯片的軟啟動(dòng)時(shí)間，一般為1~10μF，現(xiàn)取2μF。

4）1腳為內(nèi)部誤差放大器的反向輸入端，和2腳內(nèi)部誤差同相輸入端所接的給定電壓比較，從而控制輸出PWM脈沖的寬度。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，2腳一般接給定基準(zhǔn)，1腳接采樣信號(hào)。仿真設(shè)計(jì)時(shí)1腳采用VCVS來(lái)代替外接的電壓采樣信號(hào)，2腳接16腳引出的2.5 V分壓基準(zhǔn)。

5）9腳為補(bǔ)償端，一般和內(nèi)部誤差放大器反相端間接電容電阻，構(gòu)成PI或PID控制器，這個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，并且得依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)反復(fù)調(diào)試，此處不再多述。仿真電路外接 R=100 kΩ，C=2.2 μF。

6）10腳為外部控制端，該端輸入的控制信號(hào)為低電平時(shí)，PWM脈沖信號(hào)正常輸出；為高電平時(shí)，芯片內(nèi)部工作被關(guān)斷，輸出的PWM信號(hào)為零，該端實(shí)際應(yīng)用時(shí)，外接過(guò)流，過(guò)壓等保護(hù)輸入信號(hào)，仿真時(shí)接低電平。

7）11腳和14腳為兩路相位相差180度的輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.2 IR2113驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IR2113由低端功率晶體管驅(qū)動(dòng)級(jí)、高端功率晶體管驅(qū)動(dòng)級(jí)、電平轉(zhuǎn)換器、輸入邏輯電路組成，可以根據(jù)自舉原理工作或加一浮動(dòng)電源工作，外圍電路簡(jiǎn)單。且IR2113有比較完善的保護(hù)功能，當(dāng)VCC或VS和VB之間電壓低于限定值時(shí)，欠壓自鎖會(huì)關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)。圖3給出了IR2113的典型應(yīng)用。其中HIN和LIN為邏輯輸入電壓，HO和HI為兩路柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出端。圖3為其典型的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用[5-6]。設(shè)計(jì)采用自舉工作方式，其中二極管和自舉電容是IR21l3在脈寬調(diào)制應(yīng)用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格挑選和設(shè)計(jì)的元器件。二極管是一個(gè)重要的自舉器件，應(yīng)能阻斷直流干線(xiàn)上的高壓，其承受的電流是柵極電荷與開(kāi)關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應(yīng)選擇反向漏電流小的快恢復(fù)二極管。而芯片內(nèi)高壓部分的供電都來(lái)自舉電容上的電荷，為保證高壓部分電路有足夠的能量供給，既不能太大影響窄脈沖的驅(qū)動(dòng)性能，也不能太小影響寬脈沖的驅(qū)動(dòng)要求。應(yīng)從功率器件的工作頻率、開(kāi)關(guān)速度、門(mén)極特性等方面進(jìn)行選擇，估算后調(diào)試而定。實(shí)際采用2.2μF。

圖3 IR2113典型應(yīng)用Fig.3 Typical application of IR2113

3 仿真設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果

由于課題所設(shè)計(jì)電路為全橋變換器，故采用兩片IR2113。HO和HI輸出分別驅(qū)動(dòng)全橋?qū)堑膬蓚€(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管。圖4為其在saber環(huán)境下的仿真原理圖。

仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，圖5中上兩個(gè)波形a、b分別為仿真電路SG3525的兩路相位相反的驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，下面兩個(gè)波形c、d分別為高頻變壓器[7]副邊輸出和變換器最終的直流輸出。從圖中可以看出，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率約為48 kHz，占空比約為45%，死區(qū)時(shí)間約為2μs。

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證SG3525的脈寬調(diào)制特性，現(xiàn)調(diào)整反饋電壓[8]，從圖6中可以清楚的看出，隨著反饋電壓（波形a）增大，驅(qū)動(dòng)脈沖脈寬在隨之減小，從而縮短了開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到反饋控制減小輸出電壓的目的。

圖4 仿真原理圖Fig.4 Simulation model

圖5 驅(qū)動(dòng)及輸出電壓波形Fig.5 Drive waveform and output voltage waveform

圖6 輸出脈沖寬度調(diào)制波形Fig.6 Output pulse width modulate waveform

5 結(jié)論

文中依據(jù)SG3525和IR2113兩種芯片的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用以驅(qū)動(dòng)全橋變換器中功率MOSFET的控制驅(qū)動(dòng)電路，并在saber環(huán)境中搭建模型，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)合理，方案可行。

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