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电子电力技术的控制电路学习分享1

news 2025/10/31 12:11:18

【电力电子控制电路深度解析】从PWM到SG3525：掌握电源控制的核心技术

💡 作为一名电子工程师，你是否曾困惑：

PWM控制电路如何实现精准的电压调节？

集成控制器内部到底有哪些关键模块？

本文将为你彻底揭开电力电子控制电路的神秘面纱：
✅ PWM控制原理：单沿调制 vs 双沿调制深度对比
✅ 系统架构解析：从振荡器到驱动级的完整信号流
✅ SG3525实战详解：引脚功能、参数计算、应用技巧
✅ 闭环控制精髓：误差放大器的关键作用与设计要点

第9章控制电路

为了保证电力电子变换器的电压或电流稳定，并具有良好的动态响应性能，需要通过控制电路来控制开关器件的开通和关断。

9.1 电力电子变换器系统构成

一般而言，电力电子变换器主要包括主功率电路、控制电路、驱动电路和保护电路等部分。主功率电路是功率处理的部分，包括开关器件、电感、电容等，如果需要电气隔离，还包括变压器、输出整流电路等。控制电路为控制信号的处理部分，用以实现电压或电流的调节功能。本章将以输出电压控制为例展开讨论。控制电路必须考虑到如下一些基本要求及功能：变换器作为一个闭环调节系统，与一般调节系统一样，要求控制电路应具有足够的环路增益，能在允许的输入电压、负载及温度变化范围内，输出电压稳定度达到规定的精度要求，即静态精度指标。同时，还必须满足动态响应性能要求，因此需加适当的校正网络或采用多反馈技术，用以满足获得稳定的输出电压及调节范围的要求。驱动电路起到功率放大作用，将控制电路输出的脉冲放大到足以驱动开关管。保护电路在变换器发生过流、过压和过温等故障时关闭开关管，对电路起到保护作用。

由前面章节分析可知，当输入电压或输出负载变化时，可通过调节开关管的占空比 $D$ 来保证电力电子变换器的输出电压稳定。占空比是开关管的导通时间与开关周期之比，因此调节占空比的方式有两种：一种是固定开关周期（也即固定开关频率），通过调整一个开关周期内开关管的导通时间（脉冲宽度）来调节占空比，称之为脉冲宽度调制（PWM），简称脉宽调制；另一种是固定开关管导通时间或者关断时间，通过改变开关周期（也即开关频率）来调节占空比，称为脉冲频率调制（PFM），简称脉频调制。

根据实现方式不同，脉宽调制可分为单沿调制和双沿调制两种方式。图9.1给出这两种脉宽调制方式的产生电路与工作波形，它们都采用比较器电路实现脉宽调制。

单沿调制通常采用锯齿波作为载波信号 $u_{carrier}$ ，与调制波信号 $u_{mod}$ 进行比较。当调制波信号高于锯齿波信号时，比较器输出 $u_{PWM}$ 为高电平；反之，当调制波信号 $u_{mod}$ 低于锯齿波信号 $u_{carrier}$ 时，比较器输出 $u_{PWM}$ 为低电平。在锯齿波载波信号固定的条件下，调制波信号电压越高，PWM高电平时间越长；反之，调制波信号越低，PWM高电平时间越短。因此，通过改变调制波信号电压大小即可实现输出占空比调节。

双沿调制时的载波信号 $u_{carrier}$ 采用双边锯齿波（也即等腰三角波）形式，当调制波信号高于双边锯齿波信号时，比较器输出高电平，否则输出低电平。与单沿调制相比，采用双沿调制控制可以在一个开关周期内同时调节 PWM 信号的导通和关断时刻，调制控制方式更为灵活。

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脉冲频率调制有如下三种实现方式：①恒定导通时间、变化关断时间，即恒定导通时间调制（Constant On-Time，COT）；②恒定关断时间、变化导通时间，即恒定关断时间调制（Constant Off-Time，CFT）；③导通时间和关断时间均变化，如滞环调制。

相比较而言，脉宽调制具有结构简单、易于实现等优点，而且其开关频率恒定、变换器中的电感、变压器和电容可以优化设计，已得到广泛应用，本章将主要讨论脉宽调制控制电路。图9.2给出了采用脉宽调制的电力电子变换器系统结构框图，图中上部为主功率电路、驱动电路与保护电路，图中下部虚线框内即为控制电路的基本组成单元，主要包括振荡器、脉宽调制器、分相控制电路和误差放大器。振荡器用来产生恒定频率的时钟脉冲信号和锯齿波信号，其频率决定了开关器件的工作频率。脉宽调制电路主要由电压比较器组成，将振荡器所产生的锯齿波信号与放大后的电压误差信号进行比较，并输出PWM控制信号，进而实现变换器输出电压控制。分相控制电路由门电路及触发器组成，将PWM信号分成两组交替出现的PWM信号，以满足推挽及桥式功率变换器的需要。误差放大器采用运算放大器加以适当的校正网络。

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9.2 集成 PWM 控制器基本组成与工作原理

控制电路中各单元电路过去多采用分立元件来实现。随着微电子技术的发展，出现了各种集成脉宽调制控制器，它们包含了控制电路的全部功能，只需外加少量元件就能满足控制要求，大大减少了元器件数量，有效提高了可靠性。下面将以集成 PWM 控制器为例，讨论 PWM 控制器的基本组成、工作原理及应用。

9.2.1 PWM 控制器的基本组成与功能

常用的集成 PWM 控制器有 SG3525、TL494 和 UC3825、UC3845、UC3875 等。由于 PWM 控制器的型号很多，功能也不尽相同，在实际使用中应参考各厂家的产品说明，以便选择适合实际电路的集成 PWM 控制器。图 9.3 给出了常规集成 PWM 控制器组成电路结构，下面分别介绍各组成电路的工作原理及功能。

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1. PWM 产生电路
PWM 信号产生电路主要包括振荡器和比较器。振荡器用以产生一个周期为 $T$ 的锯齿波信号 $u_{ramp}$ ，该锯齿波接至比较器 COMP 的同相输入端，调制波信号 $u_{mod}$ 接至比较器 COMP 的反相输入端，比较器输出即为 PWM 输出信号 $u_{PWM}$ 。当锯齿波电压大于调制波电压时，比较器输出高电平；当锯齿波电压小于调制波电压时，比较器输出低电平。改变调制波的电压大小，即可改变 PWM 信号的占空比大小。

需要注意的是，图 9.3 所示比较器的输入极性连接关系与图 9.1 有所不同，这主要是因为 PWM 控制器的分相控制与死区形成电路中还存在"或非"逻辑门，尽管 PWM 比较器的输入极性相反，但经过"或非"逻辑求反后，最终产生驱动信号与图 9.1 仍具有相同控制逻辑，即当调制波信号高于锯齿波信号时，输出驱动信号为高电平。

2. PWM 锁存电路
对于脉宽调制电路，比较器输出 PWM 脉冲（ $u_{PWM}$ ）的频率即为锯齿波频率。换而言之，在一个周期内，控制信号只能产生一次开关动作。但是，在实际电路工作过程中，开关器件在开关过程中会产生噪声信号，可能导致调制波信号产生尖峰或振荡，此信号与锯齿波信号比较时就会出现多个交点，造成锯齿波一个周期中比较器输出多个方波，破坏了正常的脉宽调制作用。

为了避免这一现象，在比较器输出 PWM 脉冲之后增加了一个 RS 锁存器。振荡器输出一个对应于锯齿波下降沿的时钟脉冲（ $u_{clock}$ ），该时钟脉冲与锁存器的复位端相连接；比较器输出的 PWM 脉冲（ $u_{PWM}$ ）与锁存器的置位端相连接。根据 RS 锁存器工作原理，在每个时钟脉冲的上跳沿（即锯齿波的下降沿），锁存器输出置"0"，在第一个 PWM 脉冲的上跳沿，锁存器输出置"1"。由于锁存器只有在复位端信号置"1"后，其置位端的第一个置"1"脉冲才起作用，以后的置位端状态变化不再影响锁存器的输出，故在一个锯齿波周期内，即使比较器输出信号有多个脉冲，锁存器仅输出一个方波脉冲信号。

3. 分相控制与死区形成电路

对于单管变换器，经过比较器和锁存器后的输出 PWM 信号就可作为控制开关管的通断信号，但是对于推挽或桥式等变换器，还应将 PWM 信号分为两组信号，两组控制信号交错驱动功率电路中两组功率器件。

在图 9.3 所示的 PWM 控制电路中，分相电路由触发器及两个"或非"门组成。锯齿波下降沿所对应的时钟信号 $u_{clock}$ 作为触发器的触发信号，每次锯齿波下降对应于触发器翻转一次，将触发器的两组互补输出信号（“Q"与” $Q‾\overline{Q}$ “）分别与锁存器输出脉冲信号相"或非”，即可得到两组 PWM 控制信号（“A"与"B”），实现分相控制要求。图 9.4 给出分相控制与死区形成电路的工作波形。由于分相控制电路中增加了"或非"逻辑门，最终输出 PWM 控制信号与 PWM 比较器输出信号逻辑相反，为实现与图 9.1 所示的相同 PWM 控制逻辑，故图 9.3 中 PWM 比较器的输入信号连接关系与图 9.1 恰好相反。
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由于开关管的开关延迟影响，推挽电路的上下两管或桥式电路同一桥臂的两管会产生同时导通，而造成电源瞬时短路、损坏功率管。为此，需要更短的时间以限制控制脉冲的宽度，即在此区间内，两组驱动信号均为低电平。

为实现死区控制要求，可以将锯齿波下降沿所对应的时钟信号 $u_{clock}$ 同时引入到"或非"逻辑电路输入，这使得所有输出脉冲信号的导通时间产生一个特定时间滞后，对应形成的死区时间即为锯齿波下降沿时长，图 9.4 同时给出了死区形成电路的工作波形。不同功率电路及器件对死区时间有不同要求，这可以通过调节锯齿波下降沿时间来调整死区时间。

4. 误差放大电路

根据是否具有反馈控制结构，电力电子变换器可以分成开环控制和闭环控制两种控制类型。对于开环控制而言，当调制信号电压被设置成一个特定数值并维持不变时，电力电子变换器可以实现在特定工作条件下稳定电压输出要求。但是，当变换器的工作条件（如输入电压或输出负载）发生变化时，由于占空比维持不变，变换器输出电压也将发生变化，无法实现稳定电压输出要求。为了实现电力电子变换器输出电压和电流的动态调节，需要加入反馈控制系统，即采用闭环控制结构。通过将系统输出量的测量值与所期望的给定值相比较，由此产生一个误差信号，利用此误差信号进行调节控制，使输出值尽量接近于期望值。

为实现闭环控制要求，需要在 PWM 调制电路中增加误差放大器，在图 9.3 所示的 PWM 控制电路中，系统输出反馈量 $u_f$ 接至误差放大器（OP）的反相输入端，一个固定的参考电压 $u_{ref}$ 接至误差放大器的同相输入端，同时误差放大器的负反馈与输出之间接有反馈网络，误差放大器的输出电压作为 PWM 调制器的调制信号 $u_{mod}$ ，与比较器的反相输入端相连。

以输出电压闭环控制为例，变换器的输出电压采样信号作为误差放大器的反馈输入，当负载减少引起输出电压上升时，反馈电压 $u_f$ 的上升会引起调制电压 $u_{mod}$ 下降，经过 PWM 调制后的控制信号占空比将减小，使输出电压下降；同时，当变换器负载增加引起输出电压下降时，反馈电压的下降会导致调制电压 $u_{mod}$ 上升，经过 PWM 调制后的控制信号占空比将增加，使输出电压上升。通过闭环反馈调节，反馈电压达到给定基准电压，即实现变换器的恒定输出电压控制。图 9.5 给出了加入闭环控制电路工作波形。

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9.2.2 SG1525/2525/3525 系列集成 PWM 控制器

SG1525/2525/3525 是一种性能优良、功能齐全及通用性强的集成 PWM 控制器，它是意法半导体（ST Microelectronics）公司生产的电压模式控制的集成 PWM 控制器，我国的集成电路制造厂家已生产出该系列的国产 PWM 控制器。

SG1525/2525/3525 是开关电源脉宽调制型控制器，可应用于直流变换器、开关稳压器、电压倍增器、极性转换器等。SG1525/2525/3525 包含有完整的脉冲宽度调制控制电路，可以实现振荡器外同步，死区调节，PWM 锁存器与输出级的最佳设计，适用于驱动 NPN 型开关管或 N 沟道 MOSFET，能够实现单端或推挽两种驱动模式。SG1525/2525/3525 系列不同产品内部结构和功能完全一样，差别仅在允许的工作温度范围。该系列集成电路的四位数字编号的各位表示了温度范围，"1"为宽温度范围，适用于航空航天和军事装备，工作环境温度范围是-55_{125℃；"2"为中等温度范围，适用于环境温度范围较宽的工业设备、汽车电子设备等，工作环境温度范围是-25}85℃；"3"为窄温度范围，适用于一般工业设备和家电，工作环境温度是0~70℃。
产品内部结构和功能完全一样，差别仅在允许的工作温度范围。该系列集成电路的四位数字编号的各位表示了温度范围，"1"为宽温度范围，适用于航空航天和军事装备，工作环境温度范围是-55_{125℃；"2"为中等温度范围，适用于环境温度范围较宽的工业设备、汽车电子设备等，工作环境温度范围是-25}85℃；"3"为窄温度范围，适用于一般工业设备和家电，工作环境温度是0~70℃。

下面以SG3525为例介绍该系列集成电路内部结构与工作原理，SG3525的内部结构如图9.6所示，电路由如下几部分组成：基准电压、振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、分相器、欠压锁定、输出级、软启动及关断电路。分别叙述如下：

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1. 基准电压源
基准电压源是一个典型的三端稳压器，精度可达 $5.1V \pm 1\%$ ，采用了温度补偿。作为内部电路的供电电源，可以通过16脚对外提供电压基准（输出电流为50mA），作为电路中电压和电流的给定基准。基准电压源设有过流保护电路。

2. 振荡器
振荡器的振荡频率由外接的电阻 $R_T$ 和电容 $C_T$ 决定（见图9.7），而外接电容同时还决定了死区时间的长短（见图9.8），开关频率同电阻 $R_T$ 和电容 $C_T$ 的关系如下所示：

$fs=1t1+t2≈1CT(0.7RT+3RD)(9.1)f_s = \frac{1}{t_1 + t_2} \approx \frac{1}{C_T(0.7R_T + 3R_D)} \tag{9.1}$

式中， $f_s$ 为时钟频率； $t_1$ 和 $t_2$ 分别为锯齿波的上升和下降时间； $R_T$ 为6脚外接电阻； $C_T$ 为5脚外接电容； $R_D$ 为5脚，7脚之间跨接的电阻。

振荡器在4脚输出一对应锯齿波下降边的时钟信号，时钟信号宽等于 $t_2$ ，故调节 $R_D$ 就调节了时钟信号宽度。该控制器就是通过调节 $R_D$ 来调节死区大小的， $R_D$ 越大，死区越宽。
振荡器还没有外同步输入端（3脚），在3脚加直流或高于振荡器频率的脉冲信号，可实现对振荡器的外同步。

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3. 误差放大器
误差放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB左右。根据芯片控制逻辑要求，反馈电压 $U_f$ 接至反相输入端（1脚），基准电压接至同相输入端（2脚）。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器输出9脚和1脚间外加适当的反馈网络。

4. PWM比较器及锁存器
误差放大器的输出信号与PWM比较器的反相端、振荡器输出的锯齿波加至PWM比较器的同相端，比较器产生一组与驱动输出反逻辑的PWM脉冲信号（参见图9.4工作波形），该脉冲信号经锁存器，以保证在锯齿波的一个周期内只输出一个PWM脉冲信号。

PWM比较器的输入端还设有软启动及关闭PWM信号的功能。在软启动控制端（8脚）至地外接一个电容（一般为几微法），该电容在启动过程中由内部5V基准参考电压以50μA恒流充电，软启动控制端同时与PWM比较器反相端相连，利用电容电压缓慢充电特性限制占空比从零逐渐增加，从而实现软启动功能。过压、过流及其他故障时的封锁信号可加至10脚，当出现过压、过流及其他故障时，受外部封锁信号触发，立即封锁输出脉冲信号，给外部保护电路提供了一个可控的封锁信号。当外部封锁信号撤销后，SG3525要再经过一次软启动过程，才重新开始工作。

5. 分相器
分相器由一个T触发器组成。其触发信号为振荡器输出的时钟信号，对应每个锯齿波下降沿触发器被触发翻转一次。分相器输出频率为振荡频率一半的方波信号，送至输出级的两组门电路输入端，以实现PWM脉冲的分相。

6. 欠压锁定
电路工作时，如果控制器的电源电压 $U_{cc}$ 降到正常工作的最低电压（8V）以下，电路各部分工作就会异常，输出级输出异常的PWM控制信号，将损坏电路的功率管，故此时应能自动切断控制信号。

电路初上电时，当电源电压低于启动电压（典型值约为8V）时，欠压保护电路封锁PWM信号的输出，输出端A和B为低电平。只有当电源电压大于启动电压后，经过一次软启动过程，SG3525的内部电路才开始工作，输出端才有PWM信号输出。在工作过程中，如果电源电压跌落至保护阈值（典型值为7V）以下时，欠压锁定输出一高电平信号加至输出级"或非"门输入端，以封锁 PWM 脉冲信号。只有当电源电压再次高于启动电压后，再经过一次软启动过程，SG3525 的内部电路才重新开始工作，恢复 PWM 信号输出。

7. 输出级
输出级采用了图腾柱结构，这是该系列控制器的最大优点之一。SG3525 有两组相同结构的输出级。SG3525 的输出级采用"或非"门，"或非"门有四个输入端，分别加入 PWM 脉冲信号、分相器输出的 Q 信号（或 $Q‾\overline{Q}$ 信号），锯齿波下降沿对应的时钟信号，以及欠压锁定信号，设其输出信号为 P 和 P’，则按"或非"逻辑， $\overline{A1 + A2 + A3 + A4}$ 和 $\overline{A1 + A2 + A3 + A4}$ ，P 和 P’两信号分别驱动输出级的上下两个晶体管。两晶体管组成图腾柱结构，使输出既能提供正向驱动电流，又可产生反向驱动电流。图腾柱电路的输出峰值电流可达 500mA，可以直接驱动主电路的开关器件；同时，图腾柱的输出结构对开关器件的关断有利，如当 P’为高电平（P 为低电平）时，上晶体管截止，而下晶体管导通，为主电路的开关器件关闭时提供了低阻抗的反向抽流回路，加速开关管关断。