脉宽调制器SG3525及其在变频电源中的应用
1 引言
在中小容量变频电源的设计中， 采用自关断器件的脉宽调制系统比非自关断器件的相控系统具有更多的优越性。第二代脉宽调制器sg3525 应用于交流电机调速、u ps 电源以及其他需要pwm 脉冲的领域。其外围电路可对串联谐振式逆变电源进行多功能控制， 实现h 桥式m o sfet 脉宽调制pwm信号的生成和逆变电源的保护功能， 以及变频电源工作过程中谐振频率的跟踪控制。
2 pwm 2sg3525 的结构特性 sg3525 脉宽调制控制器，不仅具有可调整的死区时间控制功能，而且还具有可编式软起动，脉冲控制封锁保护等功能。通过调节sg3525 第6脚（rt ） 上的电流大小可以改变输出控制信号pwm 的频率， 调节第9 脚（eaou t ）的电压可以改变输出脉宽，这些功能可以改善变频电源的动态性能和简化控制电路的设计。
2. 1 pwm -sg3525 内部结构 sg3525 的内部结构见图 1，由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软起动电路、输出电路构成
2. 2 欠压锁定功能 基准电压调整器受15 脚的外加直流电压v c的影响， 当v c低于7 v 时， 基准电压调整器的精度值就得不到保证， 由于设置了欠压锁定电路， 当出现欠电压时， 欠压锁定功能使a 端线由低电压上升为逻辑高电平经过或非门输出转化为 p 1 = p 2 =ˉa +ˉb +ˉc+ˉd = 0， sg3525 的13 脚输出为高电平， 功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失，逆变器无电压输出。
2. 3 系统的故障关闭功能 集成控制器sg3525内部的t3晶体管基极经一电阻连接10引脚。过流保护环节检测到的故障信号使10脚为高电平，由于t 3 基极与a 端线相连， 故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。在电路中，过流保护环节还输出一个信号到与门的输入端， 当出现过流信号时，检测环节输出一低电平信号到与门的输入端， 使脉冲消失，与sg3525 的故障关闭功能一起构成双重保护。
2. 4 软起动功能 软起动功能的实现主要由sg3525 内部的晶体管t3 和外接电容c3 及锁存器来实现的。当出现欠压或者有过流故障时，a 端线高电平传到t 3 晶体管基极， t3 导通为8 引脚外接电容c3 提供放电的途径， c3 经t3 放电到零电压后， 限制了比较器的pwm 脉冲电压输出， 电压上升为恒定的逻辑高电平， pwm 高电平经pwm 锁存器输出至d 端线仍为恒定的逻辑高电平， c3 电容重新充电之前，d 端线的高电平不会发生变化， 封锁输出。当故障消除后，a 端线恢复为低电平正常值， t 3 截止， c3 电容由 50 λa 电流源缓慢充电， c3 充电对pwm 和d 端线脉冲宽度产生影响， 同时对p 1 和p 2 输出脉冲产生影响， 其结果是使p 1 和p 2 脉冲由窄缓慢变宽， 只有c3 充电结束后， p 1 和p 2 的脉冲宽度才不受c3 充电的影响。这种软起动方式，可使系统主回路电机及功率场效应管承受过大的冲击浪涌电流。
2. 5 波形的产生及控制方式分析 sg3525 内部的锯齿波作为载波信号u t， 外加的给定信号u g作为调制信号由 9 脚输入， 载波信号u t和给定信号u g叠加用于确定脉宽调制波的初始占空比， 可控制逆变器输出电压的大小和极性。u g可正可负， 由模拟或数字调节器的输出来控制， 可构成闭环自动控制系统。 集成控制器sg3525 的输出侧采用推拉式电路可使关断速度加快。当11 脚、14 脚与12 脚连接时， pwm 脉冲由13 脚输出， 这样能够保证13 脚的输出与锁存器的输出一致。sg3525 内部的电压波形如图2 所示，锯齿波与调制波的交点比较功能由比较器完成，当u t》 u r时， 比较器输出的pwm 波形由逻辑低电 平变为高电平， 当 u t 《 u r时， 比较器输出的pwm 波形由逻辑高电平变为低电平， 为保证pwm 波宽不至于太窄， 用pwm 锁存器锁存高电平值， 并在cp 脉冲下跳时对锁存器清零， 以进行下一个比较点的锁存
2. 6 延时回路 在可逆变换器中， 跨接在电源u s两端的上、下两个功率场效应管交替工作， 由于功率场效应管的关断要有一定的时间。如果在此期间另一个功率场效应管已经导通， 则将造成上下两管直通，从而使电源正负极短路。为了避免发生这种情况，设置了由r、c 电路构成的逻辑延时环节。保证在对一个管子发出关闭脉冲后， 延时2 λs 左右的时间后再发出对另一个管子的开通脉冲。如图3 所示，
u a为sg3525 的13 脚输出占空比可调的脉冲波形（ 占空比调节范围不小于0. 1～ 0. 9） ， 经过rc 移相后， 输出两组互为倒相、死区时间为4 λs 左右的脉冲， 经过驱动4 只m o sfet 管， 其中v t 1，v t 4驱动信号相同，v t 2，v t 3驱动信号相同。
变频电源主电路中的单相整流桥与boo st 斩波电路v t 0 和vd 0 结合， 采用a pfc 控制技术对输入交流电进行有源功率因数校正的变换， 形成高入端功率因数的整流器。逆变器电路采用m o sfet 和辅助电路构成的h 型桥式结构， 通过pwm 控制技术进行双极性变频变压变换 形成串联谐振式逆变电源。变频电源控制器由单片机系统、sg3525 和a pfc 校正电路以及隔离驱动等部分组成。由霍尔电压传感器l em 1 和霍尔电流传感器lem 2 将负载电压和电流信号进行隔离转换， 并由单片机通过a öd 进行检测，作为闭环系 统的反馈信号， 单片机控制 sg3525 发出的pwm 脉冲，来控制逆变器v t 1，v t4 和v t 2，v t 3轮流导通， 从而控制逆变电压和逆变频率。其中v t 1～v t 4 功率场效应管的型号为 irf840，开关频率为30 m h z，vd 1～vd 4 采用反相恢复时间较快的功率二极管50w f40f， 主电路整流器二极管采用zp6，反向的峰值电压为800v。
3 变频电源总体结构 基于sg3525 pwm 控制 ic 的谐振式逆变电源总体结构如图4 所示， 由主电路、控制器以及信号检测电路3部分组成。
4 变频电源控制器的设计 基于sg3525 和单片机的变频电源控制器由单片机 8031、sg3525 以及 2 片da c0832 和 1 片adc0809， 以及显示电路、键盘电路等构成， 如图5 所示。单片机8031 通过adc0809 分别对逆变电源输出电压uo和输出电流 io进行检测， 采用fuzzy运 算 规 律 进 行 调 节， 然 后 由 da c8032 控 制sg3525。逆变电源h 桥式开关m o sfet 电路由sg3525 及其外围电路构成， 实现pwm 脉冲信号的生成和逆变电源的保护功能。其中da c0832（1） 控制sg3525 的pwm 脉冲频率，da c0832 （2）控制sg3525 的pwm 脉宽。sg3525 生成的pwm控制脉冲频率f为
式中： ct为sg3525的5脚上连接电容; r t为6脚上连接电阻; r d为5 脚和7 脚之间的连接电阻。
图5中采用三极管和电阻串联方式来等价sg3525 的6 脚连接电阻r p ， 可调节三极管的基极电压u b来改变三极管集电极上的电流大小，实际上就等效于改变r t的大小， 这样就可调控sg3525 输出的pwm 脉冲频率。单片机通过da c0832 （1） 控制调频三极管t 7的u b来调节sg3525 的6 脚上的电流大小，达到控制sg3525 输出pwm 频率的目的。同时单片机通过da c0832 （2） 调节sg3525 的9 脚电压来改变输出脉宽。
5 变频电源fuzzy 控制程序设计及系统软件 变频电源在工作过程中， 由于负载参数的变化，使谐振频率发生变化，导致负载效力下降和功率因数下降，这需要随时调整逆变电源的工作频率。fuzzy 控制具有动态性能好、鲁棒性能强的优点， 能适应被控对象模型的参数及结构的改变，带有调整因子的fuzzy 控制算式为
式中： a为调整因子;e ，ec为误差及变化率的量化等级; uc为控制输出的量化等级。
经过仿真分析表明，当a较小时，系统响应慢，超调小;当a较大时，系统响应快， 超调大。为此，对于每一误差等级引入各自的a，构成带有多个α的控制规则。
式（3）中的加权因子 a0，a1， a2， …， a6∈（0， 1） 通过仿真实验分析调整， 当加权因子取为a0= 0. 45，a1= 0. 50， a2= 0. 54， …，a6= 0. 75 时， 控制效果最好。带调整因子的fuzzy 控制程序如图6a 所示。
变频电源控制器系统软件包括初始化，显示与键盘扫描、调频和调压子程序模块、起动子程序模块、a/d 数据采集与处理程序模块和调整因子fuzzy 自动频率跟踪控制程序模块等部分，如图6b 所示。其中变频电源的起动控制子程序实现了由他激向自激的转换控制过程，是充分利用sg3525 的功能，而不需要外加振荡电路的方法。工作原理为：在变频电源起动时，起动控制子程序以比例运算所得电压值由döa 21的u b通过t 7 控制 sg3525 的 6 脚，以设定的频率进行电源的起动，然后通过调整因子fuzzy 调节，开始谐振频率的自动跟踪控制， 选择合适的参数以设定sg3525上6 脚所连三极管u b的控制电压范围， 从而适应变频电源的工作频率范围。
6 结束语 sg3525 是一种功能齐全、通用性强的单片集成pwm 控制器， 基于sg3525 和单片机的变频电源控制器具有系统软、硬件结构简单、调试方便的特点。单片机通过d/a 1 和d/a2 与sg3525接口， 实现了变频电源的调频、调压功能和变频电源的起动控制。实验室测试表明， 变频电源输出波形好、能满足性能应用要求。
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2 pwm 2sg3525 的结构特性 sg3525 脉宽调制控制器，不仅具有可调整的死区时间控制功能，而且还具有可编式软起动，脉冲控制封锁保护等功能。通过调节sg3525 第6脚（rt ） 上的电流大小可以改变输出控制信号pwm 的频率， 调节第9 脚（eaou t ）的电压可以改变输出脉宽，这些功能可以改善变频电源的动态性能和简化控制电路的设计。
2. 1 pwm -sg3525 内部结构 sg3525 的内部结构见图 1，由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软起动电路、输出电路构成
2. 2 欠压锁定功能 基准电压调整器受15 脚的外加直流电压v c的影响， 当v c低于7 v 时， 基准电压调整器的精度值就得不到保证， 由于设置了欠压锁定电路， 当出现欠电压时， 欠压锁定功能使a 端线由低电压上升为逻辑高电平经过或非门输出转化为 p 1 = p 2 =ˉa +ˉb +ˉc+ˉd = 0， sg3525 的13 脚输出为高电平， 功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失，逆变器无电压输出。
2. 3 系统的故障关闭功能 集成控制器sg3525内部的t3晶体管基极经一电阻连接10引脚。过流保护环节检测到的故障信号使10脚为高电平，由于t 3 基极与a 端线相连， 故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。在电路中，过流保护环节还输出一个信号到与门的输入端， 当出现过流信号时，检测环节输出一低电平信号到与门的输入端， 使脉冲消失，与sg3525 的故障关闭功能一起构成双重保护。
2. 4 软起动功能 软起动功能的实现主要由sg3525 内部的晶体管t3 和外接电容c3 及锁存器来实现的。当出现欠压或者有过流故障时，a 端线高电平传到t 3 晶体管基极， t3 导通为8 引脚外接电容c3 提供放电的途径， c3 经t3 放电到零电压后， 限制了比较器的pwm 脉冲电压输出， 电压上升为恒定的逻辑高电平， pwm 高电平经pwm 锁存器输出至d 端线仍为恒定的逻辑高电平， c3 电容重新充电之前，d 端线的高电平不会发生变化， 封锁输出。当故障消除后，a 端线恢复为低电平正常值， t 3 截止， c3 电容由 50 λa 电流源缓慢充电， c3 充电对pwm 和d 端线脉冲宽度产生影响， 同时对p 1 和p 2 输出脉冲产生影响， 其结果是使p 1 和p 2 脉冲由窄缓慢变宽， 只有c3 充电结束后， p 1 和p 2 的脉冲宽度才不受c3 充电的影响。这种软起动方式，可使系统主回路电机及功率场效应管承受过大的冲击浪涌电流。
2. 5 波形的产生及控制方式分析 sg3525 内部的锯齿波作为载波信号u t， 外加的给定信号u g作为调制信号由 9 脚输入， 载波信号u t和给定信号u g叠加用于确定脉宽调制波的初始占空比， 可控制逆变器输出电压的大小和极性。u g可正可负， 由模拟或数字调节器的输出来控制， 可构成闭环自动控制系统。 集成控制器sg3525 的输出侧采用推拉式电路可使关断速度加快。当11 脚、14 脚与12 脚连接时， pwm 脉冲由13 脚输出， 这样能够保证13 脚的输出与锁存器的输出一致。sg3525 内部的电压波形如图2 所示，锯齿波与调制波的交点比较功能由比较器完成，当u t》 u r时， 比较器输出的pwm 波形由逻辑低电 平变为高电平， 当 u t 《 u r时， 比较器输出的pwm 波形由逻辑高电平变为低电平， 为保证pwm 波宽不至于太窄， 用pwm 锁存器锁存高电平值， 并在cp 脉冲下跳时对锁存器清零， 以进行下一个比较点的锁存
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3 变频电源总体结构 基于sg3525 pwm 控制 ic 的谐振式逆变电源总体结构如图4 所示， 由主电路、控制器以及信号检测电路3部分组成。
4 变频电源控制器的设计 基于sg3525 和单片机的变频电源控制器由单片机 8031、sg3525 以及 2 片da c0832 和 1 片adc0809， 以及显示电路、键盘电路等构成， 如图5 所示。单片机8031 通过adc0809 分别对逆变电源输出电压uo和输出电流 io进行检测， 采用fuzzy运 算 规 律 进 行 调 节， 然 后 由 da c8032 控 制sg3525。逆变电源h 桥式开关m o sfet 电路由sg3525 及其外围电路构成， 实现pwm 脉冲信号的生成和逆变电源的保护功能。其中da c0832（1） 控制sg3525 的pwm 脉冲频率，da c0832 （2）控制sg3525 的pwm 脉宽。sg3525 生成的pwm控制脉冲频率f为
式中： ct为sg3525的5脚上连接电容; r t为6脚上连接电阻; r d为5 脚和7 脚之间的连接电阻。
图5中采用三极管和电阻串联方式来等价sg3525 的6 脚连接电阻r p ， 可调节三极管的基极电压u b来改变三极管集电极上的电流大小，实际上就等效于改变r t的大小， 这样就可调控sg3525 输出的pwm 脉冲频率。单片机通过da c0832 （1） 控制调频三极管t 7的u b来调节sg3525 的6 脚上的电流大小，达到控制sg3525 输出pwm 频率的目的。同时单片机通过da c0832 （2） 调节sg3525 的9 脚电压来改变输出脉宽。
5 变频电源fuzzy 控制程序设计及系统软件 变频电源在工作过程中， 由于负载参数的变化，使谐振频率发生变化，导致负载效力下降和功率因数下降，这需要随时调整逆变电源的工作频率。fuzzy 控制具有动态性能好、鲁棒性能强的优点， 能适应被控对象模型的参数及结构的改变，带有调整因子的fuzzy 控制算式为
式中： a为调整因子;e ，ec为误差及变化率的量化等级; uc为控制输出的量化等级。
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式（3）中的加权因子 a0，a1， a2， …， a6∈（0， 1） 通过仿真实验分析调整， 当加权因子取为a0= 0. 45，a1= 0. 50， a2= 0. 54， …，a6= 0. 75 时， 控制效果最好。带调整因子的fuzzy 控制程序如图6a 所示。
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6 结束语 sg3525 是一种功能齐全、通用性强的单片集成pwm 控制器， 基于sg3525 和单片机的变频电源控制器具有系统软、硬件结构简单、调试方便的特点。单片机通过d/a 1 和d/a2 与sg3525接口， 实现了变频电源的调频、调压功能和变频电源的起动控制。实验室测试表明， 变频电源输出波形好、能满足性能应用要求。
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