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英飛凌推出適用于IGBT、SiC和GaN柵極驅(qū)動(dòng)器電源的EiceDRIVER? Power 2EP1xxR全橋變壓器驅(qū)動(dòng)器系列，為設(shè)計(jì)人員提供了隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源解決方案。該系列半導(dǎo)體器件可以幫助實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱輸出電壓，以經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)省空間的方式為隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器供電。因此，2EP1xxR尤其適用于需要隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用，包括太陽(yáng)能應(yīng)用、電動(dòng)汽車充電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、焊接、不間斷電源、驅(qū)動(dòng)應(yīng)用等。
如何使用2EPXXR系列來(lái)構(gòu)建一款隔離電源，它的工作原理又是什么？我們以2EP130R為例，分幾個(gè)部分講解。為了便于理解，我們將從固定50%的占空比工作模式講起，帶各位工程師們從輸入到隔離輸出逐級(jí)理解，希望通過(guò)以下講解之后，可以幫助工程師朋友們輕松設(shè)計(jì)一款低成本的隔離電源！
使用2EP130R全橋變壓器驅(qū)動(dòng)器的隔離電源主要包含以下幾個(gè)功能模塊：
圖1.采用 2EP130R電源簡(jiǎn)化示意圖
1、?PWM波生成?
首先，輸入直流電壓經(jīng)去耦電容連接至2EP的供電端VDD，直流電壓由全橋變換器轉(zhuǎn)換為特定頻率的方波輸出電壓。通過(guò)DC引腳設(shè)定2EP工作占空比為50%時(shí)，OUT1和OUT2的輸出在VDD和GND之間交替擺動(dòng)，在任意時(shí)刻OUT1和OUT2之間的相對(duì)電壓幅值則為2*VDD，若以O(shè)UT2為參考點(diǎn)時(shí)，OUT1的輸出電壓則為±VDD。
圖2. 功能模塊-PWM波生成
2、?串聯(lián)電容?
在橋式變換器中，為了避免直流偏磁，在變壓器初級(jí)串聯(lián)一個(gè)電容是一個(gè)簡(jiǎn)單有效的方法。對(duì)于占空比為50%的方波，電容器相當(dāng)于短路，沒(méi)有任何影響，變壓器初級(jí)上端VPRI1的電壓等于VOUT1，下端VPRI2的電壓等于VOUT2。類似的，當(dāng)以VPRI2為參考時(shí)，加載在變壓器初級(jí)的電壓為VOUT1-VOUT2，相對(duì)幅值仍是2*VDD。
圖3. 功能模塊-串聯(lián)電容
3、?變壓器?
加載在變壓器初級(jí)側(cè)的電壓除以匝比(TTR)即可得到次級(jí)電壓，當(dāng)確定整流方式后，將整流路徑上的壓降考慮在內(nèi)，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算即可得到適配不同輸出電壓所需的次級(jí)電壓和匝比信息。
圖4. 功能模塊-變壓器
4、?整流?
為了將變壓器次級(jí)上的交變電壓轉(zhuǎn)換為我們所需的直流電壓，需要用到整流電路。在本文中，以峰值整流為例，我們選擇VSEC2作為參考點(diǎn)，將次級(jí)繞組上端電壓VSEC1減去二極管壓降VDF，即可得到整流后的正電壓VCC；同理，下端電壓VSEC2減去VDF即可得到負(fù)電壓VEE。該脈動(dòng)電壓經(jīng)輸出電容濾波平滑后，即可得到以GND2為參考的兩種極性的直流電壓。
圖5. 功能模塊-整流濾波
因此，當(dāng)把2EP用于固定50%占空比，使用峰值整流時(shí)，根據(jù)如下公式計(jì)算即可得到我們想要的隔離輸出電壓：
在大功率半導(dǎo)體模塊的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，我們使用上述方法便可輕易得到一組具有對(duì)稱隔離輸出的電壓，如±15V，但是在大多數(shù)中小功率工業(yè)應(yīng)用中不需要-15V電源，使用不對(duì)稱的隔離電源電壓，如15/-7.5V,15/-5V,18/-5V等等就可以了。若是15/-7.5V這種正負(fù)電壓比值為2:1的關(guān)系，我們可以僅將上述例子中的副邊整流方式由峰值整流改成倍壓整流便可實(shí)現(xiàn)，如下圖所示：
圖6. 2EP130R使用峰值整流的簡(jiǎn)化圖
圖7. 2EP130R使用倍壓整流的簡(jiǎn)化圖
若是對(duì)15/-5V,18/-5V等正負(fù)隔離輸出電壓比值為3:1,3.6:1的應(yīng)用呢？這個(gè)時(shí)候2EP130R的靈活、強(qiáng)大之處便可充分體現(xiàn)。除了常見(jiàn)的變壓器匝比調(diào)壓，2EP130R還支持占空比調(diào)節(jié)，VDD調(diào)節(jié)這兩種調(diào)壓方式，如下圖8所示。
圖8. 2EP130R的電壓分配的三種調(diào)節(jié)方式
其中，占空比調(diào)節(jié)的精細(xì)程度可支持在1:1~9:1的寬比例范圍內(nèi)生成一組不對(duì)稱隔離電源電壓。2EP130R又是如何通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)支持如此寬范圍的副邊正負(fù)電壓比例呢？接下來(lái)，我們將從上述例子延申，深入探討全橋變換器的占空比變化后的副邊輸出變化原理。
2EP130R的占空比調(diào)壓工作原理
在進(jìn)行理論分析之前，我們先定義在以應(yīng)用2EP130R為例的全橋變壓器電路中的關(guān)鍵量的電壓極性方向，包括OUT1與OUT2間電壓方向，串聯(lián)電容Cesr電壓方向等，以下圖箭頭方向?yàn)檎?/p>
圖9. 2EP130R應(yīng)用中的一些關(guān)鍵量的極性方向定義示意圖
下圖10是一個(gè)占空比對(duì)直流偏置電壓和隔離輸出電壓影響的總的示意圖。從1)到2)，直流電壓經(jīng)內(nèi)置全橋后轉(zhuǎn)換成方波電壓，當(dāng)占空比不再為50%時(shí)，意味著OUT1-OUT2間的輸出方波電壓對(duì)磁芯的激勵(lì)也不再對(duì)稱，為了避免直流偏磁，在調(diào)節(jié)占空比的場(chǎng)合電容Cesr必不可少。從2)到3)，不對(duì)稱的方波電壓對(duì)Cesr的左右兩側(cè)的充放電時(shí)間也不再一致，穩(wěn)態(tài)時(shí)Cesr上也將出現(xiàn)一個(gè)直流偏置分量，其數(shù)值大小和不對(duì)稱方波的帶來(lái)的直流偏置量大小相等，但極性相反，起到了相互抵消的效果。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)Cesr后，對(duì)變壓器的激勵(lì)電壓將不再包含直流分量，最終實(shí)現(xiàn)了伏秒平衡。后面從3)到5)就是遵循已知的步驟，通過(guò)變壓器傳輸初級(jí)電壓，次級(jí)電壓整流，以及由輸出電容濾波，得到平滑的隔離輸出電壓。
由上可知，當(dāng)占空比不再為50%后，穩(wěn)態(tài)時(shí)Cesr在初級(jí)側(cè)也相當(dāng)于一個(gè)源，我們?cè)谟?jì)算隔離輸出電壓時(shí)需要考慮到Cesr帶來(lái)的額外電壓偏移，接下來(lái)將著重分析占空比和Vcesr以及隔離輸出電壓之間的關(guān)系。
圖10.占空比對(duì)直流偏置電壓和隔離輸出電壓影響變化示意圖
占空比D和Vcesr，以及隔離輸出電壓的關(guān)系
當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，我們對(duì)變壓器初級(jí)進(jìn)行伏秒原則分析，就能得到Cesr兩端的平均電壓和占空比之間的關(guān)系。
首先，我們以O(shè)UT1_high&OUT2_low開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的回路定義為初級(jí)電感充電，OUT2_high&OUT1_low開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的回路定義為初級(jí)電感放電，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得知：
圖11. 電感充電回路
圖12. 電感放電回路
充電時(shí)，Lpri兩端的電壓為：
放電時(shí)，Lpri兩端的電壓為：
根據(jù)伏秒原則，在穩(wěn)態(tài)時(shí)的一個(gè)周期內(nèi)，電感的正伏秒值和負(fù)伏秒值相等，即：
公式兩邊同除以周期T，則可變形為占空比D參與：
化簡(jiǎn)后可得Cesr兩端的平均電壓和占空比及輸入電壓之間的關(guān)系為：
由上述公式可知，當(dāng)占空比D為50%時(shí)，Cesr兩端的平均電壓是為0，而當(dāng)D為10%時(shí)，代入后得Cesr兩端平均電壓為Vdd*80%。由于2EP130R的占空比可調(diào)節(jié)范圍是10%~50%，根據(jù)圖9指示極性，Cesr在該極性下產(chǎn)生的直流偏置量為正值，也即把OUT1-OUT2間的方波電壓“往上抬”，抬升的幅值大小也即該直流偏置量的大小，由此，Cesr將對(duì)稱的峰值電壓VOUT1&VOUT2轉(zhuǎn)換為不對(duì)稱的峰值電壓，但加載在變壓器初級(jí)側(cè)的總的變化幅值仍為2*Vdd，變壓器初級(jí)側(cè)電壓公式如下：
最終，變壓器副邊電壓及正負(fù)隔離輸出電壓的表達(dá)式如下所示。
以上，就是2EP130R應(yīng)用中占空比對(duì)偏置電壓和隔離輸出電壓影響的探討。細(xì)心的同學(xué)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，正負(fù)隔離輸出電壓的公式中不止包括占空比變換帶來(lái)的Vcesr電壓，還有Vdd，TTR等，如果我們?cè)趹?yīng)用中再改變輸入電壓Vdd，或者變壓器匝比TTR呢，對(duì)隔離輸出電壓又會(huì)帶來(lái)哪些影響？在一個(gè)應(yīng)用中我們是否可以選擇用多種調(diào)控的組合來(lái)得到想要的隔離輸出電壓？這些問(wèn)題我們將放在下一篇文章：2EP1XXR系列全橋變壓器驅(qū)動(dòng)器工作原理(二)—多種方式靈活調(diào)節(jié)峰值整流應(yīng)用下的輸出電壓中討論。
2EP1xxR系列提供四種產(chǎn)品型號(hào)：
■?2EP100R和2EP101R專為IGBT和SiC MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器電源的低元件數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化；
■?2EP110R允許對(duì)占空比進(jìn)行微調(diào)，使輸出電壓比與SiC和GaN功率開(kāi)關(guān)的應(yīng)用要求相匹配；
■?2EP130R專為高度靈活的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，以滿足不同的應(yīng)用要求。
該器件不但提供5級(jí)過(guò)電流保護(hù)，還可通過(guò)41種開(kāi)關(guān)頻率選項(xiàng)或外部PWM同步功能實(shí)現(xiàn)變壓器匹配，并通過(guò)41種占空比選項(xiàng)調(diào)整輸出電壓。為了幫助工程師快速上手，我們提供三種評(píng)估板可供選擇《新品 | 頻率和占空比可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電源用全橋變壓器驅(qū)動(dòng)器評(píng)估板》。
