脈寬調(diào)制器SG3525及其在變頻電源中的應(yīng)用

1 引言

在中小容量變頻電源的設(shè)計(jì)中， 采用自關(guān)斷器件的脈寬調(diào)制系統(tǒng)比非自關(guān)斷器件的相控系統(tǒng)具有更多的優(yōu)越性。第二代脈寬調(diào)制器SG3525 應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速、U PS 電源以及其他需要PWM 脈沖的領(lǐng)域。其外圍電路可對(duì)串聯(lián)諧振式逆變電源進(jìn)行多功能控制， 實(shí)現(xiàn)H 橋式M O SFET 脈寬調(diào)制PWM信號(hào)的生成和逆變電源的保護(hù)功能， 以及變頻電源工作過(guò)程中諧振頻率的跟蹤控制。

2 PWM 2SG3525 的結(jié)構(gòu)特性

SG3525 脈寬調(diào)制控制器，不僅具有可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間控制功能，而且還具有可編式軟起動(dòng)，脈沖控制封鎖保護(hù)等功能。通過(guò)調(diào)節(jié)SG3525 第6腳(RT ) 上的電流大小可以改變輸出控制信號(hào)PWM 的頻率， 調(diào)節(jié)第9 腳(EAOU T )的電壓可以改變輸出脈寬，這些功能可以改善變頻電源的動(dòng)態(tài)性能和簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)。

2. 1 PWM -SG3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SG3525 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1，由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟起動(dòng)電路、輸出電路構(gòu)成

2. 2 欠壓鎖定功能

基準(zhǔn)電壓調(diào)整器受15 腳的外加直流電壓V C的影響， 當(dāng)V C低于7 V 時(shí)， 基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的精度值就得不到保證， 由于設(shè)置了欠壓鎖定電路， 當(dāng)出現(xiàn)欠電壓時(shí)， 欠壓鎖定功能使A 端線由低電壓上升為邏輯高電平經(jīng)過(guò)或非門(mén)輸出轉(zhuǎn)化為 P 1 = P 2 =ˉA +ˉB +ˉC+ˉD = 0， SG3525 的13 腳輸出為高電平， 功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至功率場(chǎng)效應(yīng)管的控制脈沖消失，逆變器無(wú)電壓輸出。

2. 3 系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能

集成控制器SG3525內(nèi)部的T3晶體管基極經(jīng)一電阻連接10引腳。過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)檢測(cè)到的故障信號(hào)使10腳為高電平，由于T 3 基極與A 端線相連， 故障信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)閉過(guò)程與欠電壓鎖定過(guò)程類(lèi)似。在電路中，過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)還輸出一個(gè)信號(hào)到與門(mén)的輸入端， 當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)時(shí)，檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出一低電平信號(hào)到與門(mén)的輸入端， 使脈沖消失，與SG3525 的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護(hù)。

2. 4 軟起動(dòng)功能

軟起動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)主要由SG3525 內(nèi)部的晶體管T3 和外接電容C3 及鎖存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)出現(xiàn)欠壓或者有過(guò)流故障時(shí)，A 端線高電平傳到T 3 晶體管基極， T3 導(dǎo)通為8 引腳外接電容C3 提供放電的途徑， C3 經(jīng)T3 放電到零電壓后， 限制了比較器的PWM 脈沖電壓輸出， 電壓上升為恒定的邏輯高電平， PWM 高電平經(jīng)PWM 鎖存器輸出至D 端線仍為恒定的邏輯高電平， C3 電容重新充電之前，D 端線的高電平不會(huì)發(fā)生變化， 封鎖輸出。當(dāng)故障消除后，A 端線恢復(fù)為低電平正常值， T 3 截止， C3 電容由 50 ΛA 電流源緩慢充電， C3 充電對(duì)PWM 和D 端線脈沖寬度產(chǎn)生影響， 同時(shí)對(duì)P 1 和P 2 輸出脈沖產(chǎn)生影響， 其結(jié)果是使P 1 和P 2 脈沖由窄緩慢變寬， 只有C3 充電結(jié)束后， P 1 和P 2 的脈沖寬度才不受C3 充電的影響。這種軟起動(dòng)方式，可使系統(tǒng)主回路電機(jī)及功率場(chǎng)效應(yīng)管承受過(guò)大的沖擊浪涌電流。

2. 5 波形的產(chǎn)生及控制方式分析

SG3525 內(nèi)部的鋸齒波作為載波信號(hào)U t， 外加的給定信號(hào)U g作為調(diào)制信號(hào)由 9 腳輸入， 載波信號(hào)U t和給定信號(hào)U g疊加用于確定脈寬調(diào)制波的初始占空比， 可控制逆變器輸出電壓的大小和極性。U g可正可負(fù)， 由模擬或數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)控制， 可構(gòu)成閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。 集成控制器SG3525 的輸出側(cè)采用推拉式電路可使關(guān)斷速度加快。當(dāng)11 腳、14 腳與12 腳連接時(shí)， PWM 脈沖由13 腳輸出， 這樣能夠保證13 腳的輸出與鎖存器的輸出一致。SG3525 內(nèi)部的電壓波形如圖2 所示，鋸齒波與調(diào)制波的交點(diǎn)比較功能由比較器完成，當(dāng)U t》 U r時(shí)， 比較器輸出的PWM 波形由邏輯低電 平變?yōu)楦唠娖剑?當(dāng) U t 《 U r時(shí)， 比較器輸出的PWM 波形由邏輯高電平變?yōu)榈碗娖剑?為保證PWM 波寬不至于太窄， 用PWM 鎖存器鎖存高電平值， 并在CP 脈沖下跳時(shí)對(duì)鎖存器清零， 以進(jìn)行下一個(gè)比較點(diǎn)的鎖存

2. 6 延時(shí)回路

在可逆變換器中， 跨接在電源U S兩端的上、下兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管交替工作， 由于功率場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)斷要有一定的時(shí)間。如果在此期間另一個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管已經(jīng)導(dǎo)通， 則將造成上下兩管直通，從而使電源正負(fù)極短路。為了避免發(fā)生這種情況，設(shè)置了由R、C 電路構(gòu)成的邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)。保證在對(duì)一個(gè)管子發(fā)出關(guān)閉脈沖后， 延時(shí)2 Λs 左右的時(shí)間后再發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開(kāi)通脈沖。如圖3 所示，

U a為SG3525 的13 腳輸出占空比可調(diào)的脈沖波形( 占空比調(diào)節(jié)范圍不小于0. 1～ 0. 9) ， 經(jīng)過(guò)RC 移相后， 輸出兩組互為倒相、死區(qū)時(shí)間為4 Λs 左右的脈沖， 經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)4 只M O SFET 管， 其中V T 1，V T 4驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，V T 2，V T 3驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。

變頻電源主電路中的單相整流橋與Boo st 斬波電路V T 0 和VD 0 結(jié)合， 采用A PFC 控制技術(shù)對(duì)輸入交流電進(jìn)行有源功率因數(shù)校正的變換， 形成高入端功率因數(shù)的整流器。逆變器電路采用M O SFET 和輔助電路構(gòu)成的H 型橋式結(jié)構(gòu)， 通過(guò)PWM 控制技術(shù)進(jìn)行雙極性變頻變壓變換 形成串聯(lián)諧振式逆變電源。變頻電源控制器由單片機(jī)系統(tǒng)、SG3525 和A PFC 校正電路以及隔離驅(qū)動(dòng)等部分組成。由霍爾電壓傳感器L EM 1 和霍爾電流傳感器LEM 2 將負(fù)載電壓和電流信號(hào)進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換， 并由單片機(jī)通過(guò)A ?D 進(jìn)行檢測(cè)，作為閉環(huán)系 統(tǒng)的反饋信號(hào)， 單片機(jī)控制 SG3525 發(fā)出的PWM 脈沖，來(lái)控制逆變器V T 1，V T4 和V T 2，V T 3輪流導(dǎo)通， 從而控制逆變電壓和逆變頻率。其中V T 1～V T 4 功率場(chǎng)效應(yīng)管的型號(hào)為 IRF840，開(kāi)關(guān)頻率為30 M H z，VD 1～VD 4 采用反相恢復(fù)時(shí)間較快的功率二極管50W F40F， 主電路整流器二極管采用ZP6，反向的峰值電壓為800V。

3 變頻電源總體結(jié)構(gòu)

基于SG3525 PWM 控制 IC 的諧振式逆變電源總體結(jié)構(gòu)如圖4 所示， 由主電路、控制器以及信號(hào)檢測(cè)電路3部分組成。

4 變頻電源控制器的設(shè)計(jì)

基于SG3525 和單片機(jī)的變頻電源控制器由單片機(jī) 8031、SG3525 以及 2 片DA C0832 和 1 片ADC0809， 以及顯示電路、鍵盤(pán)電路等構(gòu)成， 如圖5 所示。單片機(jī)8031 通過(guò)ADC0809 分別對(duì)逆變電源輸出電壓uo和輸出電流 io進(jìn)行檢測(cè)， 采用Fuzzy運(yùn) 算 規(guī) 律 進(jìn) 行 調(diào) 節(jié)， 然 后 由 DA C8032 控 制SG3525。逆變電源H 橋式開(kāi)關(guān)M O SFET 電路由SG3525 及其外圍電路構(gòu)成， 實(shí)現(xiàn)PWM 脈沖信號(hào)的生成和逆變電源的保護(hù)功能。其中DA C0832(1) 控制SG3525 的PWM 脈沖頻率，DA C0832 (2)控制SG3525 的PWM 脈寬。SG3525 生成的PWM控制脈沖頻率f為

式中： CT為SG3525的5腳上連接電容; R T為6腳上連接電阻; R D為5 腳和7 腳之間的連接電阻。

圖5中采用三極管和電阻串聯(lián)方式來(lái)等價(jià)SG3525 的6 腳連接電阻R p ， 可調(diào)節(jié)三極管的基極電壓U b來(lái)改變?nèi)龢O管集電極上的電流大小，實(shí)際上就等效于改變R T的大小， 這樣就可調(diào)控SG3525 輸出的PWM 脈沖頻率。單片機(jī)通過(guò)DA C0832 (1) 控制調(diào)頻三極管T 7的U b來(lái)調(diào)節(jié)SG3525 的6 腳上的電流大小，達(dá)到控制SG3525 輸出PWM 頻率的目的。同時(shí)單片機(jī)通過(guò)DA C0832 (2) 調(diào)節(jié)SG3525 的9 腳電壓來(lái)改變輸出脈寬。

5 變頻電源Fuzzy 控制程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)軟件

變頻電源在工作過(guò)程中， 由于負(fù)載參數(shù)的變化，使諧振頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致負(fù)載效力下降和功率因數(shù)下降，這需要隨時(shí)調(diào)整逆變電源的工作頻率。Fuzzy 控制具有動(dòng)態(tài)性能好、魯棒性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)， 能適應(yīng)被控對(duì)象模型的參數(shù)及結(jié)構(gòu)的改變，帶有調(diào)整因子的Fuzzy 控制算式為

式中： a為調(diào)整因子;E ，EC為誤差及變化率的量化等級(jí); Uc為控制輸出的量化等級(jí)。

經(jīng)過(guò)仿真分析表明，當(dāng)a較小時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)慢，超調(diào)小;當(dāng)a較大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)快， 超調(diào)大。為此，對(duì)于每一誤差等級(jí)引入各自的a，構(gòu)成帶有多個(gè)Α的控制規(guī)則。

式(3)中的加權(quán)因子 a0，a1， a2， …， a6∈(0， 1) 通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析調(diào)整， 當(dāng)加權(quán)因子取為a0= 0. 45，a1= 0. 50， a2= 0. 54， …，a6= 0. 75 時(shí)， 控制效果最好。帶調(diào)整因子的Fuzzy 控制程序如圖6a 所示。

變頻電源控制器系統(tǒng)軟件包括初始化，顯示與鍵盤(pán)掃描、調(diào)頻和調(diào)壓子程序模塊、起動(dòng)子程序模塊、A/D 數(shù)據(jù)采集與處理程序模塊和調(diào)整因子Fuzzy 自動(dòng)頻率跟蹤控制程序模塊等部分，如圖6b 所示。其中變頻電源的起動(dòng)控制子程序?qū)崿F(xiàn)了由他激向自激的轉(zhuǎn)換控制過(guò)程，是充分利用SG3525 的功能，而不需要外加振蕩電路的方法。工作原理為：在變頻電源起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)控制子程序以比例運(yùn)算所得電壓值由D?A 21的U b通過(guò)T 7 控制 SG3525 的 6 腳，以設(shè)定的頻率進(jìn)行電源的起動(dòng)，然后通過(guò)調(diào)整因子Fuzzy 調(diào)節(jié)，開(kāi)始諧振頻率的自動(dòng)跟蹤控制， 選擇合適的參數(shù)以設(shè)定SG3525上6 腳所連三極管U b的控制電壓范圍， 從而適應(yīng)變頻電源的工作頻率范圍。

6 結(jié)束語(yǔ)

SG3525 是一種功能齊全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM 控制器， 基于SG3525 和單片機(jī)的變頻電源控制器具有系統(tǒng)軟、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便的特點(diǎn)。單片機(jī)通過(guò)D/A 1 和D/A2 與SG3525接口， 實(shí)現(xiàn)了變頻電源的調(diào)頻、調(diào)壓功能和變頻電源的起動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明， 變頻電源輸出波形好、能滿足性能應(yīng)用要求。