探索EVAL-2EP130R-PR評(píng)估板：IGBT與MOSFET隔離柵極驅(qū)動(dòng)電源的理想之選

在電子工程領(lǐng)域，對(duì)于IGBT和MOSFET的隔離柵極驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，合適的評(píng)估板至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入了解一下Infineon的EiceDRIVER? Power EVAL - 2EP130R - PR評(píng)估板，看看它能為我們帶來(lái)哪些驚喜。

文件下載：Infineon Technologies EVAL-2EP130R-PR 評(píng)估板.pdf

一、評(píng)估板概述

1.1 適用對(duì)象與用途

這份用戶指南主要面向熟悉開環(huán)架構(gòu)隔離柵極驅(qū)動(dòng)電源的電氣工程師。EVAL - 2EP130R - PR評(píng)估板用于評(píng)估和測(cè)量2EP130R，可幫助工程師將其適配到各種開關(guān)的供電需求中，支持為兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)IC（如高端和低端柵極驅(qū)動(dòng)IC）提供隔離電源電壓。不過(guò)要注意，該PCB和輔助電路并未針對(duì)最終客戶設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 交付內(nèi)容

評(píng)估板的交付內(nèi)容包括一塊尺寸為90×37 mm2的EVAL - 2EP130R - PR評(píng)估板，以及三個(gè)用于在TR1位置進(jìn)行定制組裝的變壓器：

• WE 750319375：TTR = 1.25:1，VDD = 15 V，DC = 33%，為IGBT提供+15 / -7.5 V。
• WE 750319376：TTR = 1.5:1，VDD = 15 V，DC = 22%，為SiC MOSFET提供+15 / -4 V。
• WE 750319377：TTR = 1.4:1，VDD = 15 V，DC = 14%，為SiC MOSFET提供+18 / -2.5 V。

1.3 主要特性

評(píng)估板為全橋變壓器驅(qū)動(dòng)IC的評(píng)估提供了便利，具有以下特性：

• 寬輸入電源范圍VVDD從5 V到20 V。
• 輸出功率高達(dá)5 W（取決于占空比）。
• 采用峰值整流拓?fù)涞碾p隔離輸出電源軌，占空比可調(diào)輸出電壓比。
• 使用內(nèi)部振蕩器或外部脈沖寬度調(diào)制（PWM），寬頻率工作范圍從50 kHz到695 kHz。
• 可調(diào)節(jié)過(guò)流閾值。
• 電源輸出短路保護(hù)。
• 過(guò)溫保護(hù)。
• RDY狀態(tài)輸出指示正常運(yùn)行。

1.4 產(chǎn)品變體

所有產(chǎn)品變體引腳兼容，可在客戶特定設(shè)計(jì)中使用匹配的配置設(shè)置。EVAL - 2EP130R - PR預(yù)組裝了2EP130R，用于完整功能評(píng)估。

1.5 絕對(duì)最大額定值與推薦工作范圍

二、系統(tǒng)與功能描述

2.1 2EP1xxR的峰值整流拓?fù)湓?/h3>

2EP1xxR的全橋功率級(jí)和峰值整流拓?fù)溆糜谔峁﹥蓚€(gè)隔離輸出電壓，每個(gè)變壓器輸出繞組支持正、負(fù)輸出電壓，正、負(fù)電壓之比由占空比定義。

• 全橋變壓器驅(qū)動(dòng)2EP130R：2EP130R根據(jù)配置的開關(guān)頻率和占空比（DC）對(duì)施加的電源電壓VVDD進(jìn)行斬波，OUT1和OUT2的開關(guān)模式相反，輸出電壓為$V{OUT 1,2}= pm V{V D D}$ ，占空比計(jì)算公式為$DC=frac{t{ON 1}}{t{PER}}$ 。
• 串聯(lián)電容C1：串聯(lián)電容C1產(chǎn)生一個(gè)由占空比得出的偏移，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間電容電壓$V{C 1}=V{VDD}left(1-frac{2 cdot DC}{100 %}right)$ ，它將對(duì)稱的峰值轉(zhuǎn)換為不對(duì)稱的峰值電壓$V{RPI}= pm V{VDD}+V_{C 1}$ 。
• 變壓器及相關(guān)參數(shù)：變壓器根據(jù)變壓器匝數(shù)比（TTR）將初級(jí)輸入電壓轉(zhuǎn)換到次級(jí)側(cè)，$V{SEC}=frac{V{PRI}}{TTR}= pm frac{V{DD}}{TTR}+frac{V{C 1}}{TTR}$ ，$V_{C 1}$ 偏移電壓可防止變壓器飽和。
• 峰值電流整流：考慮到峰值整流電路中的二極管，計(jì)算輸出電容電壓時(shí)要考慮次級(jí)變壓器電壓的極性。正輸出電壓$V{CCx}=left(frac{V{DD}}{TRR}+frac{V{C 1}}{TRR}-V{F}right)$ ，負(fù)輸出電壓$V{EEx}=-left(frac{V{DD}}{TRR}-frac{V{C 1}}{TRR}-V{F}right)$ 。但要注意，正、負(fù)電壓軌負(fù)載相等時(shí)，正、負(fù)半波電流可能不對(duì)稱，導(dǎo)致輸出電壓與計(jì)算值不同。

2.2 啟動(dòng)步驟

2.2.1 先決條件

• 為預(yù)期輸出電壓選擇變壓器和匹配的占空比配置電阻。
• 在TR1位置組裝所選變壓器。
• 在R3位置組裝所選占空比配置電阻。
• 驗(yàn)證R1的OCset電平配置，默認(rèn)值為5。
• 驗(yàn)證R2的開關(guān)頻率配置，默認(rèn)值為65 kHz，由內(nèi)部生成。

2.2.2 上電步驟

• 將負(fù)載連接到X10/X11和X20/X21連接器的隔離變壓器輸出端子，注意極性，OUT1和OUT2的LED可作為最小基本負(fù)載。
• 在X1/X2連接器的相應(yīng)端子上，在VDD和GND之間連接正電源電壓，根據(jù)輸出電壓計(jì)算選擇電壓。
• RDY LED指示2EP130R的就緒狀態(tài)。施加電源電壓后，2EP130R進(jìn)行軟啟動(dòng)，隔離輸出電壓升高，RDY狀態(tài)LED亮起。若未亮起，可能是變壓器驅(qū)動(dòng)供電不正確、仍處于啟動(dòng)模式或故障模式（過(guò)流或過(guò)熱）。

2.3 基于電阻的操作參數(shù)調(diào)整

2EP130R提供三個(gè)輸入引腳來(lái)配置開關(guān)頻率、占空比和平均過(guò)流保護(hù)：

• 電阻R1在OCSET引腳設(shè)置過(guò)流閾值，默認(rèn)值$R1 = 47500 Omega$ ，OCset電平為5。
• 電阻R2在FREQ/BYP引腳設(shè)置頻率，默認(rèn)值$R2 = 698 Omega$ ，開關(guān)頻率為65 kHz。
• 電阻R3在DC引腳設(shè)置占空比，默認(rèn)未組裝。

2.4 旁路模式操作

2EP130R支持旁路模式操作，在此模式下，它會(huì)跟隨FREQ/BYP引腳的外部脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)來(lái)確定頻率和占空比。啟動(dòng)期間，IC遵循內(nèi)部軟啟動(dòng)序列，頻率和單個(gè)脈沖長(zhǎng)度會(huì)與外部PWM信號(hào)有偏差，啟動(dòng)期間施加的開關(guān)頻率應(yīng)保持恒定，變壓器驅(qū)動(dòng)在啟動(dòng)序列的最后時(shí)刻與該頻率同步。要在旁路模式下操作評(píng)估板，需將DC引腳的電阻R3改為0 Ω，移除FREQ/BYP引腳的電阻R2，并在R8位置組裝一個(gè)0 Ω電阻，將X2.BYP引腳連接到FREQ/BYP引腳。

2.5 SiC MOSFET電源示例

以獲得適合SiC MOSFET的輸出電壓為例，我們來(lái)看看如何計(jì)算和選擇參數(shù)。

• 計(jì)算和選擇占空比：根據(jù)公式$DC=1-frac{V{CCx}+V{F}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$ 計(jì)算占空比，計(jì)算結(jié)果需取整以兼容2EP，此例中計(jì)算得到$DC = 0.136$ ，選擇$DC{selected}=14%$ ，根據(jù)電阻選擇表，該占空比設(shè)置需要在DC引腳使用698 Ω的電阻。
• 計(jì)算和選擇變壓器匝數(shù)比：根據(jù)公式$TTR=frac{2 cdot V{DD}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$ 計(jì)算變壓器匝數(shù)比，此例中計(jì)算得到$TTR = 1.41$ ，選擇$TTR_{selected}=1.4$ ，接近Würth Elektronik變壓器（部件號(hào)750319377）的匝數(shù)比。
• 驗(yàn)證選擇：計(jì)算得到的輸出電壓與目標(biāo)電壓進(jìn)行比較，$V{CC}=frac{2 cdot V{DD} cdotleft(1 - DC{selected}right)}{TTR{selected}}-V{F}=18.03V$ ，$V{EE}=frac{2 cdot V{DD} cdotleft(-DC{selected}right)}{TTR{selected}}+V{F}=-2.60V$ ，與目標(biāo)值偏差較小，但仍需驗(yàn)證選擇的正確性。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 原理圖

原理圖使用默認(rèn)電阻值進(jìn)行平均過(guò)流設(shè)置電平5和目標(biāo)開關(guān)頻率65 kHz的設(shè)計(jì)，默認(rèn)未組裝占空比調(diào)整電阻和變壓器。假設(shè)變壓器匝數(shù)比為1.4:1，占空比為14%，輸入電壓為15 V時(shí)，正輸出電壓約為18 V，負(fù)輸出電壓為 - 2.6 V。

3.2 布局

EVAL - 2EP130R - PR評(píng)估板尺寸約為$91 ×37 mm^{2}$ ，兩層PCB使用標(biāo)準(zhǔn)銅厚度1 oz，頂層用于布線，底層主要由三個(gè)GND平面組成，也可采用單層設(shè)計(jì)。

3.3 物料清單

3.4 連接器詳情

四、系統(tǒng)性能

4.1 效率

效率測(cè)量記錄穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間的輸出電壓和電流，并與2EP輸入電壓和電流進(jìn)行比較。效率曲線會(huì)因輸入電壓、開關(guān)頻率、占空比和變壓器組件選擇等不同操作條件而變化。本次測(cè)量在15 V、80 kHz、12%占空比下，使用Würth Elektronik的變壓器750319377進(jìn)行。

4.2 啟動(dòng)時(shí)的開關(guān)波形

啟動(dòng)時(shí)，2EP1xxR先在啟動(dòng)峰值電流模式下運(yùn)行，達(dá)到目標(biāo)占空比且未觸發(fā)峰值電流限制時(shí)，將開關(guān)頻率與配置頻率同步，達(dá)到目標(biāo)頻率后，釋放RDY引腳表示啟動(dòng)成功。

4.3 輸出電壓的啟動(dòng)行為

RDY信號(hào)短暫跟隨輸入電源電壓VDD，直到內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）電路激活并將RDY信號(hào)拉至GND電平，內(nèi)部啟動(dòng)階段結(jié)束后，2EP1xxR釋放RDY信號(hào)。

4.4 輸出電壓紋波

由于所選占空比的原因，VCCx的輸出電壓紋波幅度較高。在兩個(gè)輸出電平的負(fù)載恒定的情況下，2EP1xxR需要在比VEEx輸出電容更短的時(shí)間內(nèi)為VCCx輸出電容充電。本次測(cè)量顯示了約30 mA負(fù)載電流下的輸出紋波。

五、附加信息

5.1 可訂購(gòu)部件編號(hào)

5.2 兼容的柵極驅(qū)動(dòng)器評(píng)估板

綜上所述，EVAL - 2EP130R - PR評(píng)估板為IGBT和MOSFET的隔離柵極驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)提供了全面的解決方案。它具有豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)，能夠滿足不同的設(shè)計(jì)需求。不過(guò)在使用過(guò)程中，我們也需要注意其絕對(duì)最大額定值和推薦工作范圍，以及一些安全預(yù)防措施。希望通過(guò)本文的介紹，能讓大家對(duì)這款評(píng)估板有更深入的了解，在實(shí)際設(shè)計(jì)中發(fā)揮其最大的作用。你在使用類似評(píng)估板時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。