探索EVAL-2EP130R-VD評估板：全橋變壓器驅(qū)動的新選擇

在電子工程師的日常工作中，評估板是驗證和測試新器件性能的重要工具。今天，我們就來深入了解一下英飛凌（Infineon）的EVAL - 2EP130R - VD評估板，它專為IGBT和SiC MOSFET的隔離柵極驅(qū)動器電源而設(shè)計，采用了全橋變壓器驅(qū)動IC，為工程師們帶來了更多的設(shè)計可能性。

文件下載：Infineon Technologies EVAL-2EP130R-VD 評估板.pdf

1. 評估板概述

1.1 適用人群與目的

這份用戶指南主要面向熟悉開環(huán)架構(gòu)隔離柵極驅(qū)動器電源的電氣工程師。其目的是為大家提供關(guān)于EVAL - 2EP130R - VD評估板的詳細信息，包括啟動、測量和參數(shù)調(diào)整等方面，幫助工程師將該評估板應(yīng)用于各種開關(guān)的電源需求評估中。

1.2 交付內(nèi)容與特點

交付內(nèi)容包含一塊尺寸為$90×37 mm^{2}$的EVAL - 2EP130R - VD評估板。該評估板的簡化原理圖展示了針對2EP130R的倍壓整流電路，可實現(xiàn)兩個分離軌的正、負輸出電壓。其主要特點如下：

• 產(chǎn)品兼容性：EiceDRIVER? Power 2EP1xxR系列產(chǎn)品引腳兼容，不同型號在頻率、占空比、平均過流保護和旁路輸入等方面存在差異。其中，2EP130R預(yù)裝配在評估板上，可進行完整功能評估。
• 寬輸入輸出范圍：輸入電源范圍$VVDD$為5 V至20 V，輸出功率可達5 W，具有雙隔離輸出電源軌，因倍壓拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)2:1的不對稱輸出電壓。
• 靈活的工作模式：工作頻率范圍為50 kHz至695 kHz，可使用內(nèi)部振蕩器或外部脈沖寬度調(diào)制（PWM），過流閾值可調(diào)，具備功率輸出短路保護、過溫保護以及RDY狀態(tài)輸出指示正常運行。

1.3 板參數(shù)與技術(shù)數(shù)據(jù)

2. 系統(tǒng)與功能描述

2.1 2EP1xxR倍壓拓撲原理

該部分介紹了2EP1xxR全橋功率級與倍壓拓撲結(jié)合以提供兩個隔離輸出電壓的原理。每個變壓器輸出繞組支持正、負輸出電壓，正輸出電壓是負輸出電壓的兩倍。

• 全橋變壓器驅(qū)動2EP130R：采用倍壓拓撲進行輸出整流時，配置的占空比需為50%。2EP130R根據(jù)配置的開關(guān)頻率對施加的電源電壓$V{DD}$進行斬波，OUT1和OUT2的輸出在$VDD$和$GND$之間切換，且OUT2的開關(guān)模式與OUT1相反，從而在輸出$V{OUT1,2}$上產(chǎn)生兩倍于$V{DD}$的幅度，即$V{PRI}= pm V_{DD}$。
• 變壓器相關(guān)參數(shù)：變壓器根據(jù)變比（TTR）將初級輸入電壓$V{PRI}$轉(zhuǎn)換為次級側(cè)電壓$V{SEC}$，計算公式為$V{SEC}=frac{V{PRI}}{TTR}= pm frac{V_{DD}}{TTR}$。若輸出電壓不對稱加載或輸入占空比不準確為50%，變壓器可能會進入飽和狀態(tài)。評估板在OUT1和初級繞組之間包含一個串聯(lián)電容，可防止變壓器飽和。
• 倍壓電流整流：由于倍壓電路中的二極管，需分別考慮各個電流路徑，并在計算預(yù)期輸出電容電壓時僅應(yīng)用次級變壓器電壓的匹配電壓極性。正、負輸出電壓的計算公式如下： 假設(shè)所有正向電壓相等，即$V{F}=V{D1F}=V{D2F}=V{D3F}$，且正、負半波的幅度相等，即$V{SEC}=V{SEC(pos)} = -V{SEC(neg)} = frac{V{DD}}{TRR}$，則正輸出電壓$V{CC1}=2 cdot(frac{V{DD}}{TRR}-V{F})$，負輸出電壓$V{EE1}=-(frac{V{DD}}{TRR}-V{F})$。

2.2 啟動步驟

默認配置下，輸入電壓為13.5 V，雙輸出電壓為+15 V / -7.5 V，最大輸出電流為150 mA，變壓器變比（TTR）為1.8:1:1，OCset級別為5（在同等加載的輸出軌上輸出電流限制為350 mA），開關(guān)頻率為100 kHz，占空比為50%，內(nèi)部生成。啟動步驟如下：

1. 將負載連接到X10/X11和X20/X21連接器的隔離變壓器輸出端子，注意VCC1/GND1/VEE1和VCC2/GND2/VEE2的極性。
2. OUT1和OUT2的LED也可作為最小基本負載，若無外部負載，輸出電壓將高于計算值。
3. 在X1/X2連接器的相應(yīng)端子之間連接13.5 V正電源電壓，RDY LED指示2EP130R的就緒狀態(tài)。
4. 施加VDD電源電壓后，2EP130R進行軟啟動，隔離輸出端的電壓升高，RDY狀態(tài)LED亮起。若狀態(tài)LED未亮起，可能是變壓器驅(qū)動器供電不正確、仍在啟動（軟啟動）或處于故障模式（過流或過溫）。

2.3 基于電阻的操作參數(shù)調(diào)整

2EP130R提供三個輸入引腳，可通過選擇不同的電阻值來配置開關(guān)頻率、占空比和平均過流保護。具體電阻值與功能值的對應(yīng)關(guān)系可參考用戶指南中的表格。例如，電阻$R1$設(shè)置OCSET引腳的過流閾值，默認值為$47500 Omega$，OCset級別為5；電阻$R2$設(shè)置FREQ/BYP引腳的頻率，默認值為$1540 Omega$，開關(guān)頻率為97 kHz；電阻$R3$設(shè)置DC引腳的占空比，默認值為$63400 Omega$，占空比為50%。

2.4 旁路模式操作

2EP130R支持旁路模式操作，在此模式下，它會在運行期間跟隨FREQ/BYP引腳處的外部脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號來確定頻率和占空比。啟動時，IC遵循內(nèi)部軟啟動序列，因此在軟啟動期間頻率和單個脈沖長度會偏離外部施加的PWM信號。啟動期間施加的開關(guān)頻率應(yīng)保持恒定，變壓器驅(qū)動器在啟動序列的最后時刻與該頻率同步。要使評估板在旁路模式下運行，需進行以下修改：

• 將DC引腳的電阻$R3$改為$0 Omega$以啟用旁路模式。
• 移除FREQ/BYP引腳的電阻$R2$。
• 裝配$0 Omega$電阻$R8$，將X2.BYP引腳連接到FREQ/BYP引腳。

同時，需確保外部頻率在2EP130R的頻率范圍內(nèi)，且該倍壓拓撲的占空比為50%。

3. 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 原理圖

原理圖使用默認電阻值，設(shè)置平均過流級別為5，目標開關(guān)頻率為97 kHz，占空比為50%。輸入電壓為13.5 V時，將產(chǎn)生+15 V的正輸出電壓和 - 7.5 V的負輸出電壓。

3.2 布局

EVAL - 2EP130R - VD評估板的尺寸約為$91×37 mm^{2}$，采用兩層PCB，標準銅厚度為1 oz。頂層用于布線，底層主要由三個GND平面組成，也可采用單層設(shè)計。

3.3 物料清單

3.4 連接器細節(jié)

評估板上的連接器具有不同的功能，具體如下：

• 連接器X1：用于輸入電源（備用連接器），包含GND（初級輸入接地參考）和VDD（變壓器驅(qū)動器2EP130R的輸入電源電壓）引腳。
• 連接器X2：用于輸入側(cè)信號和電源，包含GND、VDD、BYP（旁路操作模式的外部PWM輸入引腳）和RDY（就緒狀態(tài)輸出引腳，開漏）等引腳。
• 連接器X10和X11：用于輸出電源軌1，包含VCC1（正電源電壓輸出軌1）、GND1（接地參考輸出軌1）和VEE1（負電源電壓輸出軌1）引腳。
• 連接器X20和X21：用于輸出電源軌2，包含VCC2（正電源電壓輸出軌2）、GND2（接地參考輸出軌2）和VEE2（負電源電壓輸出軌2）引腳。

4. 系統(tǒng)性能

4.1 效率

效率測量記錄了穩(wěn)態(tài)運行期間的輸出電壓和電流，并將其與2EP輸入電壓和電流進行比較。效率曲線會因不同的操作條件（如輸入電壓、開關(guān)頻率、占空比和變壓器組件選擇）而變化。測量使用評估板EVAL - 2EP130R - PR在15 V、80 kHz、12%占空比下，并使用Würth Elektronik的變壓器750319377進行，該評估板的效率結(jié)果具有可比性。

4.2 啟動時的開關(guān)波形

OUT1開關(guān)波形顯示，2EP1xxR在啟動時處于峰值電流模式，達到目標占空比且未觸發(fā)峰值電流限制時，將開關(guān)頻率同步到配置頻率。達到目標頻率后，2EP1xxR釋放RDY引腳以指示啟動成功。

4.3 輸出電壓的啟動行為

輸出電壓VCCX和VEEX與輸入電壓VDD的斜坡上升以及評估板生成的RDY信號相關(guān)。RDY信號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信號拉至GND電平。2EP1xxR在內(nèi)部啟動階段結(jié)束后釋放RDY信號。

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。正輸出電壓是負輸出電壓的兩倍，因此由于電容降額，正輸出電壓的有效電容減小。測量顯示，負載電流約為30 mA時的輸出紋波情況。

5. 附加信息

5.1 可訂購的零件編號

提供了不同型號評估板的訂購信息，包括EVAL - 2EP130R - PR（帶峰值整流和3個變壓器的2EP130R板）、EVAL - 2EP130R - PR - SiC（用于SiC MOSFET的帶峰值整流的2EP130R板）和EVAL - 2EP130R - VD（用于IGBT的帶倍壓的2EP130R板）。

5.2 兼容的柵極驅(qū)動器評估板

列出了多個兼容的柵極驅(qū)動器評估板，如EVAL - 1ED3121MX12H、EVAL - 1ED3122MX12H等，這些評估板具有不同的電壓、電流和隔離等級等參數(shù)，可滿足不同的應(yīng)用需求。

通過對EVAL - 2EP130R - VD評估板的詳細介紹，我們可以看到它在IGBT和SiC MOSFET隔離柵極驅(qū)動器電源設(shè)計方面具有很多優(yōu)勢。其寬輸入輸出范圍、靈活的工作模式和豐富的保護功能，為工程師們提供了一個可靠的測試平臺。在實際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體需求對評估板的參數(shù)進行調(diào)整，以實現(xiàn)最佳的性能表現(xiàn)。你在使用類似評估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。