2EP1XXR系列全橋變壓器驅(qū)動器工作原理（二）——多種方式靈活調(diào)節(jié)峰值整流應(yīng)用下的輸出電壓

在 2EP1XXR系列全橋變壓器驅(qū)動器工作原理(一)—如何通過占空比調(diào)節(jié)峰值整流應(yīng)用下的輸出電壓 中，我們帶大家從輸入到輸出逐級了解了如何使用2EP1XXR系列來構(gòu)建一款隔離電源，并詳細(xì)介紹了2EP130R在峰值整流應(yīng)用下占空比調(diào)壓的工作原理，掌握了其核心串聯(lián)電容C esr 的作用以及V cesr 和隔離輸出電壓的關(guān)系。

如果有哪位細(xì)心的讀者也試著動動手推導(dǎo)公式，將串聯(lián)電容電壓公式與隔離輸出電壓合二為一后，就可以發(fā)現(xiàn)在實際應(yīng)用中，C esr 兩端的電壓并不重要，因為隔離輸出電壓本質(zhì)上是包含2EP的供電電壓Vdd，變壓器匝比TTR，占空比D和峰值整流二極管兩端壓降V df 的函數(shù)表達式（注：此處為簡化計算，用V df 統(tǒng)一代替前文出現(xiàn)的V d1f 和V d2f ），見下圖1。

這個公式在實踐中意味我們不止可以通過占空比D，還可靈活使用V dd 、變壓器匝比TTR等來調(diào)節(jié)峰值整流應(yīng)用下的輸出電壓。

圖1. 隔離輸出電壓表達式的演變

2EP130R的Vdd變化對隔離輸出電壓的影響

首先，我們來看下輸入電壓變化對隔離輸出電壓的影響。2EP支持在4.5V~20V的寬輸入電源范圍內(nèi)工作，在實際應(yīng)用中，我們應(yīng)該選擇穩(wěn)定的輸入電壓，這才能獲得目標(biāo)的隔離輸出電壓。

圖2是輸入電壓Vdd變化對隔離輸出電壓變化的影響示意圖，我們假設(shè)先前選擇的輸入電壓略有下降，該電壓降首先影響內(nèi)置全橋的輸出電壓幅值，進而影響到串聯(lián)電容器的偏移電壓幅度。由于占空比D、變壓器匝比TTR以及其余器件保持不變，這種初級幅值的變化將進一步傳遞至次級，并降低次級側(cè)電壓及其整流電壓。很明顯，輸入電壓的變化會影響到輸出電壓的幅值，但是正負(fù)隔離電壓之間的比例關(guān)系會有影響嗎？

圖2. 輸入電壓VDD變化對隔離輸出電壓變化的影響示意圖

在本例應(yīng)用中，通常選用二極管的壓降在0.4V~0.5V左右，在考慮正負(fù)隔離輸出電壓的比值關(guān)系時，若我們忽略副邊整流二極管的壓降V df ，也即把V cc 、V ee 的表達式簡化成(1)和(2)，就能發(fā)現(xiàn)正負(fù)隔離輸出電壓幅值的比率是一個僅和D有關(guān)的表達式，如下公式(3)所示。

公式(3)在實踐中意味著盡管2EP輸入電壓V dd 變化后會引起輸出隔離電壓的幅值發(fā)生變化，但正負(fù)隔離電壓之間的比值僅和D有關(guān)，若是D未改變，正負(fù)隔離電壓間的比值也不會變化。

2EP130R的TTR變化對隔離輸出電壓的影響

接下來看看變壓器傳輸比變化的影響，TTR與2EP一起用于提供隔離和電壓傳輸特性，2EP可以在靈活的TTR范圍內(nèi)工作，在目標(biāo)應(yīng)用條件下，通過計算可得到實現(xiàn)輸出電壓所需的匝比。下圖3是變壓器匝比TTR變化對輸出電壓影響的示意圖。

圖3. TTR變化對輸出電壓變化的影響示意圖

在本例中，我們假設(shè)實際用的變壓器的TTR比理論計算值更高，從圖中可以看到較初次級側(cè)的高匝數(shù)比將降低次級兩端電壓，最終降低了整流后的輸出電壓幅值。也即，輸出電壓與初級側(cè)到次級側(cè)匝比成反比，但是正負(fù)輸出電壓之間的比率關(guān)系，如前所述，若是D未發(fā)生變化，則仍保持正負(fù)電壓之比恒定。

2EP EiceDRIVER Power—

助力驅(qū)動隔離供電的設(shè)計簡化

在不同應(yīng)用中需要設(shè)定不同的目標(biāo)輸出電壓，以上分析可清晰表明，V DD 和TTR可調(diào)節(jié)正負(fù)隔離輸出電壓的幅值，而正負(fù)輸出電壓之間的比率可通過簡單的占空比參數(shù)變化來調(diào)節(jié)。2EP130R支持10%~50%的占空比調(diào)節(jié)，在峰值整流應(yīng)用中可實現(xiàn)隔離正負(fù)輸出電壓比在1：1~9：1間的調(diào)變化。因此，峰值整流隔離輸出電壓很靈活，可適用于各種各樣的功率開關(guān)，這使得2EP EiceDRIVER? Power成為驅(qū)動任何功率開關(guān)隔離電源的理想集成電路，無論是英飛凌的CoolGAN? MOS管，CoolMOS? MOSFET、TRENCHSTOP? IGBT、CoolSiC? MOSFET和任何其他功率開關(guān)。得益于其高達13W的高功率輸出能力，2EP系列不僅支持分立器件，還可應(yīng)用于各種功率模塊。

下圖4是一個以三相電機應(yīng)用為背景，在不同電流等級功率器件驅(qū)動供電的配置示意圖，涵蓋的IGBT電流等級從50A~到600A，對于在指定fsw下的每相開關(guān)的驅(qū)動功率需求，我們先以經(jīng)驗值設(shè)定在0.25~2.5W。2EP可以支持具有兩個或更多個輸出繞組，或者在同一個2EP上接多個變壓器，只要2EP在其輸出電流范圍內(nèi)工作，這是進一步降低BOM清單成本，實現(xiàn)低功率要求的好辦法。

圖4. 2EP支持不同電流等級功率器件驅(qū)動應(yīng)用配置示意圖

最后，我們從設(shè)計一款SIC MOSFET的隔離驅(qū)動電源出發(fā)，作為以上內(nèi)容的復(fù)習(xí)與總結(jié)。

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目標(biāo)應(yīng)用參數(shù)

■ 2EP130R的輸入供電電壓：V DD =15V

■ 副邊整流后的額定正向輸出電壓值：V cc =18V

■ 副邊整流后的額定負(fù)向輸出電壓值：V ee =-2.5V

■ 整流二極管的額定壓降值：V df =0.4V

注意以下兩點，一是此處設(shè)定的輸出電壓可認(rèn)為是標(biāo)稱值，輕載下的輸出電壓增加和重載下的輸出電壓下降暫忽略不計；二是若考慮到整流二極管的實際正向壓降對輸出電壓的影響，可能需要對計算參數(shù)進一步精細(xì)調(diào)整。

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計算和選擇合適的占空比

由上一篇文章可知，當(dāng)以V PRI2 為參考時，加載在變壓器初級的電壓為V OUT1 -V OUT2 ，相對幅值為2*V DD ，則加載在變壓器次級的電壓，也即副邊整流前的電壓相對幅值為2*V DD /TTR，和整流后的輸出電壓關(guān)系如公式(4)所示：

將(4)代入到上式(5)和(6)，我們便得到包含目標(biāo)應(yīng)用參數(shù)的D計算公式(7)，代入目標(biāo)參數(shù)計算：

計算所得Duty cycle為13.6%，2EP130R支持的占空比范圍是10%~50%，變化梯度是1%，因此在實際使用中需要對Duty cycle取整為D=14%，查表可得對應(yīng)設(shè)定電阻為698ohm，注意這種占空比取整后的偏差會在實際輸出值與目標(biāo)應(yīng)用電壓之間引入輕微偏差，偏差影響可看下文的驗證選擇計算。

圖5. 2EP1XXR的DC引腳設(shè)定電阻和Duty Cycle設(shè)定值的對應(yīng)關(guān)系圖

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計算和選擇合適的變壓器匝比TTR

為了計算變壓器匝比，需要將變壓器初級側(cè)的總電壓與次級側(cè)的總輸出電壓進行比較，以滿足應(yīng)用需求。由前文可知，2EP130R是一個全橋變壓器驅(qū)動器，與變壓器串聯(lián)的電容Cesr不會影響到變壓器的總變化幅值，變壓器初級側(cè)總電壓為2*V DD ，初、次級側(cè)的總輸出電壓比值可參考式(4)，變形后即(8)，代入目標(biāo)參數(shù)計算：

在本例中，計算所得的匝比1.41和Würth Elektronik變壓器的標(biāo)準(zhǔn)樣品(NO:750319377)的匝比非常接近，該變壓器的匝比為1.4。在實際應(yīng)用中，選擇一個已公開的標(biāo)準(zhǔn)樣品可以適當(dāng)降低和縮短我們制作樣機的成本和周期。當(dāng)然，在此處匝比的輕微偏差同樣會在實際輸出值與目標(biāo)應(yīng)用電壓之間引入輕微偏差，因此，建議將驗證選擇放在最后一步。

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驗證選擇計算

在完成所有所需參數(shù)計算后，可以重新代入?yún)?shù)將計算得出的輸出電壓與目標(biāo)應(yīng)用輸出電壓進行比較：

在本例中，計算所得的V cc :18.03V與目標(biāo)應(yīng)用V cc :18V的偏差僅為0.2%，計算的V ee :-2.60V與目標(biāo)應(yīng)用V ee :-2.5V的偏差為4%?？紤]到2EP130R是一個開環(huán)變壓器驅(qū)動器，實際輸出電壓還需考慮到輸入電壓的波動，變壓器精度和輸出負(fù)載條件等，本項案例可作為設(shè)計之初的簡易速算匹配，幫助工程師在選型計算時快速上手，簡化設(shè)計選擇過程。

結(jié)語

為了支持簡單設(shè)計，我們提供幾個評估板，所有這些都使用2EP130R變壓器驅(qū)動器集成電路，提供兩路隔離正負(fù)輸出電源，以在其默認(rèn)版本中實現(xiàn)最大靈活性，2EP系列的四種芯片（2EP100R,2EP101R,2EP110R,2EP130R）的引腳兼容，如有需要可加以更換。

一是靈活的峰值整流方式，客戶可以在其中的三個不同的TTR變壓器中選擇一個裝配，它與2EP130R一起構(gòu)成了各種柵極驅(qū)動器電源的解決方案；

二是SiC專用解決方案，隔離輸出電壓為18V/-2.5V；

三是使用已知輸出電壓比為2：1的倍壓整流的IGBT的驅(qū)動電源，提供15V/+7.5V的隔離輸出電壓。

簡而言之，2EP提供可變占空比，正負(fù)隔離輸出電壓比為9：1至1：1,用于單輸出繞組正負(fù)電源，開關(guān)頻率可選，適應(yīng)各種變壓器，可選過載保護，強大的輸出級，可提供高達13W的負(fù)載，易于使用、簡答的輸出電壓計算，器件成本低，這些全都集成在一個緊湊的器件中，使得2EP成為小巧靈活，且功能強大的解決方案。