基于SG 3525和 EXB 841控制的变换器研发*

武政 刘建瓴 李华芳 刘蓉

1 引言

在PWM开关电源的拓扑中，半桥电路具有以下优点：变压器双向励磁，无变压器偏磁问题，磁芯利用率较高；具有较强的抗不平衡能力，能够有效地防止变压器在高频下的单向偏磁；开关管承受压降仅有输入电压的一半，而且由于变压器尖峰电压被开关管反并二极管钳位，开关管两端电压不会超过输入电压的一半，所以对开关管的耐压要求较低。所以在中小功率的变换器中，半桥电路应用相当广泛。本文针对中小功率的实际应用情况，研发了基于 SG 3525和EXB 841为控制芯片的变换器，主要适用于对电流的动态响应要求较高、电流不大（小于300A）的场合。本变换器具备反应速度快、性能稳定的优点。

2 主要芯片

2.1 SG 3525

SG3525是SGS-Thomson公司生产的集成PWM控制器。它具有5.1V基准稳压电源；振荡器的振荡频率由外接的电阻R5和电容C2决定；占空比为0%～100%，考虑到功率器件的关断时间，最大占空比[1]通常为90%～95%。图1为SG3525内部结构图。

2.2 EXB 841

日本FU JI公司的EXB 841芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是比较典型的驱动电路，并且可以很好地配合使用 FUJI公司的 IGBT，可以使功率器件的性能较好地发挥，并对其有较好的保护。

图1 SG3525内部结构图

其工作最高频率可达40kHz～50kHz。本变换器选用工作频率为20kHz。图2为EXB841内部结构图。EXB841需外部提供一个+20V单电源，内部产生一个-5V反偏压，模块采用高速光藕隔离，射极输出。因此，其输出控制波型非常理想。

图2 EXB 841的内部结构图

3 电路设计

本文用SG 3525和EXB 841主要控制芯片设计一种三相输入，最大28V、200A输出的5000W半桥变换器。本变换器的技术要求如下：

输入电压：交流 380±10%V，50Hz；

输出电压：空载电压 68V，负载状态电压范围0V～28V；

输出电流：最大输出 200A；调节范围：20A～200A；

输出纹波：纹波系数不大于0.5%；

工作温度：0℃～55℃。

3.1 主电路结构图

本变换器采用半桥拓扑，主电路结构如下图3所示[2]。其中辅助电源有6组电源输出，分别给控制芯片SG 3525和EXB 841提供工作电压，同时还为其他一些辅助芯片和显示面板提供电源。

图3 系统总体结构

3.2 控制电路

对于本变换器，控制电路部分主要实现以下几个功能：

① 输出电流反馈

本变换器主要用于恒流输出状态，并要求具有较好的动态响应。采用如图4所示的电流反馈电路。电流的反馈信号通过霍尔元件来获取，并通过比例积分电路信号放大到控制芯片的调节范围[3]。积分的运作可以使信号的变动平均化，同时降低非有效信号的影响。

本变换器的传递函数如下式所示：

图4 主电路的反馈图

将电路的各个参数带入式（1）中，可以得到该传递函数。该传递函数用MATLAB仿真电路模型和波形如下，仿真电路模型如图5所示。

阶跃信号激励时响应波形如图 6所示。

图5 仿真电路模型

信号上升时间约为逆变器主电路开关器件（本变换器为 IGBT）工作的一个周期，本变换器为20kHz，响应反应速度快，动态特性好，传递函数极点位于左半平面，电路性能稳定。

② 输出最大电流限制保护

CD 4053内部含有 3组开关，每组开关的状态由相应的控制端的状态来决定。设计中，只使用了其中的一组电子开关。图7为CD4053的外部接线图，芯片CD4053的9脚为电子开关的控制端，9脚为高电平时，CD4053的5脚和4脚导通，输出较低的电压。当9脚为低电平时，CD4053的3脚和4脚导通，输出较高的电压。CD4053的4脚与控制电路的SG 3525的2脚相连接，可以控制输出电流的大小。在设计中，将CD4053的3脚设定为最大电流限制保护端，当5脚的电压高于3脚的电压时，输出控制端的电压变低，从而限制了电路的电流输出，起到了输出最大电流限制的作用。

③ 软启动保护功能

软启动电路的功能是保护主电路的功率开关管和整流二极管免受开机时的大电流冲击。在开机时，把误差放大器运放输出强置为低电平，使比较器不产生脉冲。当电压稳定后，内部电流对外接软启动电容充电，到达一定值后，主要控制芯片输出控制信号。一般地，变换器软启动时间必须大于延时时间。

主控芯片SG 3525的6脚（软启动保护功能）外接电阻和电容的延时电路的时间，至少大于2个以上的工作周期。

④ 温度保护、驱动信号保护和过流保护

图6 响应波形图

图7 CD4053外部接线图

SG3525的10脚为芯片的控制端，在10脚可以外接保护电路，当监测到非正常的信号时，10脚的电压为高电压，使得SG3525的11、14脚的频率输出为零，避免电路中其他元件的损坏。实际的电路中，使用的芯片为74LS10与非门电路，分别接温度保护、驱动信号保护、反馈电流信号等三个保护，当其中任一个信号发生故障[4]，控制芯片SG 3525便无法输出控制信号，避免发生较大的事故。

EXB841的 6脚通过快速恢复二极管 D2接至IGBT的C极[5]，检测IGBT的集射之间的通态电压降的高低来判断IGBT的过流情况加以保护（图8为EXB 841的外部接线图）。

图8 EXB 841的外部接线图

4 实验结果

实验中研制了基于以上的设计原则和电路分析的样机。通过严格的实验测试，变换器的输出达到要求。输出空载电压为69V，电流从 0A～200A可调，输出电压纹波处于要求之内，在短路状态下，电路的动态响应比较快。过压保护，限流及过温保护等功能也得以实现，并且通过了严格的拷机实验。

但在小电流20A以下的短路状态时，本变换器有较为刺耳的啸叫声。电流在增大时，没有啸叫声。分析啸叫声是由于输出电流小于20A，主控芯片SG3525的输出为最小脉宽，此时逆变器主开关器件（IGBT）开通时间极短（处于器件的线性区域），变换器的主变压器在高频窄脉冲条件时，发出的啸叫声。

理想情况下或大电流输出时，主控芯片 SG3525的输出为宽脉冲，主要功率器件在放大区工作，变换器的主变压器就不会发出啸叫声。对主电路增加了尖脉冲的吸收保护电路，对啸叫声有所削弱，但不能完全的消除啸叫的声音。

5 结论

本文用 SG3525和EXB 841为主控芯片制成了5000W 的半桥变换器，并给出了各种功能的实现电路。该变换器目前已成功应用于中小功率的逆变电焊机和小容量电瓶车充电器上，在实际工作中性能良好，具有较好的动态响应性能和成本优势。

[1] 杨旭,裴云庆,王兆安.开关电源技术 [M].北京:机械工业出版社,2004

[2] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制与无功补偿[M].北京:机械工业出版社,1998

[3] Francisco Canales, Peter Barbosa, Carlos Aguilar, Fred C Lee.A Quasi-Integrated AC/DC Three-Phase Dual-Bridge Converter. Proceedings of PESC , 2001

[4] Weihong Qiu, Wenkai Wu, Shiguo Luo, Wei Gu, Batarseh I.A Bi-fly-back PFC Converter with Low Intermediate bus Voltage and Tight Output Voltage Regulation for Universal Input Applications. Proceedings of APEC,2002

[5] Tan F D, Middlebrook R D. A Unified model for Current-programmed Converters. Power Electronics. IEEE Transaction on,1995, 10(4):397-408