探索EVAL-2EP130R-VD評估板：全橋變壓器驅動的新選擇

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的隔離柵極驅動器電源而設計，采用了全橋變壓器驅動IC，為工程師們帶來了更多的設計可能性。

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)架構隔離柵極驅動器電源的電氣工程師。其目的是為大家提供關于EVAL - 2EP130R - VD評估板的詳細信息，包括啟動、測量和參數(shù)調整等方面，幫助工程師將該評估板應用于各種開關的電源需求評估中。

1.2 交付內容與特點

交付內容包含一塊尺寸為$90×37 mm^{2}$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：

• 產品兼容性：EiceDRIVER? Power 2EP1xxR系列產品引腳兼容，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，因倍壓拓撲結構實現(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，可使用內部振蕩器或外部脈沖寬度調制（PWM），過流閾值可調，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的開關模式與OUT1相反，從而在輸出$V{OUT1,2}$上產生兩倍于$V{DD}$的幅度，即$V{PRI}= pm V_{DD}$。
• 變壓器相關參數(shù)：變壓器根據(jù)變比（TTR）將初級輸入電壓$V{PRI}$轉換為次級側電壓$V{SEC}$，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，并在計算預期輸出電容電壓時僅應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），開關頻率為100 kHz，占空比為50%，內部生成。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頻率、占空比和平均過流保護。具體電阻值與功能值的對應關系可參考用戶指南中的表格。例如，電阻$R1$設置OCSET引腳的過流閾值，默認值為$47500 Omega$，OCset級別為5；電阻$R2$設置FREQ/BYP引腳的頻率，默認值為$1540 Omega$，開關頻率為97 kHz；電阻$R3$設置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制（PWM）信號來確定頻率和占空比。啟動時，IC遵循內部軟啟動序列，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頻率應保持恒定，變壓器驅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，且該倍壓拓撲的占空比為50%。

3. 系統(tǒng)設計

3.1 原理圖

原理圖使用默認電阻值，設置平均過流級別為5，目標開關頻率為97 kHz，占空比為50%。輸入電壓為13.5 V時，將產生+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（變壓器驅動器2EP130R的輸入電源電壓）引腳。
• 連接器X2：用于輸入側信號和電源，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，該評估板的效率結果具有可比性。

4.2 啟動時的開關波形

OUT1開關波形顯示，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。RDY信號短暫跟隨輸入電源電壓VDD，直到內部欠壓鎖定（UVLO）電路激活并將RDY信號拉至GND電平。2EP1xxR在內部啟動階段結束后釋放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 兼容的柵極驅動器評估板

列出了多個兼容的柵極驅動器評估板，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隔離柵極驅動器電源設計方面具有很多優(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)分享你的經驗和見解。