探索EVAL-2EP130R-PR评估板：IGBT与MOSFET隔离栅极驱动电源的理想之选

在电子工程领域，对于IGBT和MOSFET的隔离栅极驱动电源设计，合适的评估板至关重要。今天，我们就来深入了解一下Infineon的EiceDRIVER™ Power EVAL - 2EP130R - PR评估板，看看它能为我们带来哪些惊喜。

文件下载：Infineon Technologies EVAL-2EP130R-PR 评估板.pdf

一、评估板概述

1.1 适用对象与用途

这份用户指南主要面向熟悉开环架构隔离栅极驱动电源的电气工程师。EVAL - 2EP130R - PR评估板用于评估和测量2EP130R，可帮助工程师将其适配到各种开关的供电需求中，支持为两个栅极驱动IC（如高端和低端栅极驱动IC）提供隔离电源电压。不过要注意，该PCB和辅助电路并未针对最终客户设计进行优化。

1.2 交付内容

评估板的交付内容包括一块尺寸为90×37 mm²的EVAL - 2EP130R - PR评估板，以及三个用于在TR1位置进行定制组装的变压器：

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

1.3 主要特性

评估板为全桥变压器驱动IC的评估提供了便利，具有以下特性：

• 宽输入电源范围VVDD从5 V到20 V。
• 输出功率高达5 W（取决于占空比）。
• 采用峰值整流拓扑的双隔离输出电源轨，占空比可调输出电压比。
• 使用内部振荡器或外部脉冲宽度调制（PWM），宽频率工作范围从50 kHz到695 kHz。
• 可调节过流阈值。
• 电源输出短路保护。
• 过温保护。
• RDY状态输出指示正常运行。

1.4 产品变体

EiceDRIVER™ Power 2EP1xxR系列有多个产品变体，各有特点：	产品名称	频率	占空比	平均过流保护	旁路输入
2EP100R	66kHz或100 kHz	33%或50%	Level4	no
2EP101R	50kHz或66kHz	12%或17%	Level4	no
2EP110R	50 kHz或66 kHz	10%..50%	Level4	no
2EP130R	50kHz..695 kHz	10%..50%	Level 1 - 5	yes

所有产品变体引脚兼容，可在客户特定设计中使用匹配的配置设置。EVAL - 2EP130R - PR预组装了2EP130R，用于完整功能评估。

1.5 绝对最大额定值与推荐工作范围

评估板的参数必须遵守绝对最大额定值，并在推荐工作范围内运行。以下是部分关键参数：	参数	符号	最小值	最大值	单位	备注/条件
电源电压	VVDD	0	22	V	参考GND
正输出电压	Vvcci,Vvcc2	0	35	V	受电容和二极管电压额定值限制，参考GND1/GND2
负输出电压	VEEL 'VE2	-35	0	V	受电容和二极管电压额定值限制，参考GND1/GND2

二、系统与功能描述

2.1 2EP1xxR的峰值整流拓扑原理

2EP1xxR的全桥功率级和峰值整流拓扑用于提供两个隔离输出电压，每个变压器输出绕组支持正、负输出电压，正、负电压之比由占空比定义。

• 全桥变压器驱动2EP130R：2EP130R根据配置的开关频率和占空比（DC）对施加的电源电压VVDD进行斩波，OUT1和OUT2的开关模式相反，输出电压为$V{OUT 1,2}= pm V{V D D}$ ，占空比计算公式为$DC=frac{t{ON 1}}{t{PER}}$ 。
• 串联电容C1：串联电容C1产生一个由占空比得出的偏移，稳态运行期间电容电压$V{C 1}=V{VDD}left(1-frac{2 cdot DC}{100 %}right)$ ，它将对称的峰值转换为不对称的峰值电压$V{RPI}= pm V{VDD}+V_{C 1}$ 。
• 变压器及相关参数：变压器根据变压器匝数比（TTR）将初级输入电压转换到次级侧，$V{SEC}=frac{V{PRI}}{TTR}= pm frac{V{DD}}{TTR}+frac{V{C 1}}{TTR}$ ，$V_{C 1}$ 偏移电压可防止变压器饱和。
• 峰值电流整流：考虑到峰值整流电路中的二极管，计算输出电容电压时要考虑次级变压器电压的极性。正输出电压$V{CCx}=left(frac{V{DD}}{TRR}+frac{V{C 1}}{TRR}-V{F}right)$ ，负输出电压$V{EEx}=-left(frac{V{DD}}{TRR}-frac{V{C 1}}{TRR}-V{F}right)$ 。但要注意，正、负电压轨负载相等时，正、负半波电流可能不对称，导致输出电压与计算值不同。

2.2 启动步骤

2.2.1 先决条件

• 为预期输出电压选择变压器和匹配的占空比配置电阻。
• 在TR1位置组装所选变压器。
• 在R3位置组装所选占空比配置电阻。
• 验证R1的OCset电平配置，默认值为5。
• 验证R2的开关频率配置，默认值为65 kHz，由内部生成。

2.2.2 上电步骤

• 将负载连接到X10/X11和X20/X21连接器的隔离变压器输出端子，注意极性，OUT1和OUT2的LED可作为最小基本负载。
• 在X1/X2连接器的相应端子上，在VDD和GND之间连接正电源电压，根据输出电压计算选择电压。
• RDY LED指示2EP130R的就绪状态。施加电源电压后，2EP130R进行软启动，隔离输出电压升高，RDY状态LED亮起。若未亮起，可能是变压器驱动供电不正确、仍处于启动模式或故障模式（过流或过热）。

2.3 基于电阻的操作参数调整

2EP130R提供三个输入引脚来配置开关频率、占空比和平均过流保护：

• 电阻R1在OCSET引脚设置过流阈值，默认值$R1 = 47500 Omega$ ，OCset电平为5。
• 电阻R2在FREQ/BYP引脚设置频率，默认值$R2 = 698 Omega$ ，开关频率为65 kHz。
• 电阻R3在DC引脚设置占空比，默认未组装。

2.4 旁路模式操作

2EP130R支持旁路模式操作，在此模式下，它会跟随FREQ/BYP引脚的外部脉冲宽度调制（PWM）信号来确定频率和占空比。启动期间，IC遵循内部软启动序列，频率和单个脉冲长度会与外部PWM信号有偏差，启动期间施加的开关频率应保持恒定，变压器驱动在启动序列的最后时刻与该频率同步。要在旁路模式下操作评估板，需将DC引脚的电阻R3改为0 Ω，移除FREQ/BYP引脚的电阻R2，并在R8位置组装一个0 Ω电阻，将X2.BYP引脚连接到FREQ/BYP引脚。

2.5 SiC MOSFET电源示例

以获得适合SiC MOSFET的输出电压为例，我们来看看如何计算和选择参数。

• 计算和选择占空比：根据公式$DC=1-frac{V{CCx}+V{F}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$ 计算占空比，计算结果需取整以兼容2EP，此例中计算得到$DC = 0.136$ ，选择$DC{selected}=14%$ ，根据电阻选择表，该占空比设置需要在DC引脚使用698 Ω的电阻。
• 计算和选择变压器匝数比：根据公式$TTR=frac{2 cdot V{DD}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$ 计算变压器匝数比，此例中计算得到$TTR = 1.41$ ，选择$TTR_{selected}=1.4$ ，接近Würth Elektronik变压器（部件号750319377）的匝数比。
• 验证选择：计算得到的输出电压与目标电压进行比较，$V{CC}=frac{2 cdot V{DD} cdotleft(1 - DC{selected}right)}{TTR{selected}}-V{F}=18.03V$ ，$V{EE}=frac{2 cdot V{DD} cdotleft(-DC{selected}right)}{TTR{selected}}+V{F}=-2.60V$ ，与目标值偏差较小，但仍需验证选择的正确性。

三、系统设计

3.1 原理图

原理图使用默认电阻值进行平均过流设置电平5和目标开关频率65 kHz的设计，默认未组装占空比调整电阻和变压器。假设变压器匝数比为1.4:1，占空比为14%，输入电压为15 V时，正输出电压约为18 V，负输出电压为 - 2.6 V。

3.2 布局

EVAL - 2EP130R - PR评估板尺寸约为$91 ×37 mm^{2}$ ，两层PCB使用标准铜厚度1 oz，顶层用于布线，底层主要由三个GND平面组成，也可采用单层设计。

3.3 物料清单

完整的物料清单可在Infineon主页的下载部分获取，需要登录凭证。以下是部分重要部件：	S. No.	Ref Designator	描述	制造商	制造商P/N	组装情况
1	R1	RES SMD 47.5kO 125mW1%0805	Vishay	CRCW080547K5FK	Yes
1	R2	RES SMD 6980 125mW1%0805	Vishay	CRCW0805698RFK	Yes
1	R3	RES SMD 698 125mW1%0805	Vishay	CRCW0805698RFK	No
1	TR1	变压器, 1 mH, 匝数比 1.4:1	Wurth Elektronik	750319377 r00	No
1	U1	用于IGBT和SiC MOSFET栅极驱动电源的全桥变压器驱动器	Infineon	2EP130R	Yes

3.4 连接器详情

评估板上的连接器功能明确，如X1和X2用于输入电源和信号，X10/X11和X20/X21用于输出电源轨。	连接器	PIN	标签	功能
X1	X1.1	GND	初级输入接地参考
X1	X1.2	VDD	变压器驱动器2EP130R的输入电源电压
X2	X2.1	GND	初级输入接地参考
X2	X2.2	VDD	变压器驱动器2EP130R的输入电源电压
X2	X2.4	BYP	旁路操作模式的外部PWM输入引脚
X2	X2.6	RDY	就绪状态输出引脚，开漏

四、系统性能

4.1 效率

效率测量记录稳态运行期间的输出电压和电流，并与2EP输入电压和电流进行比较。效率曲线会因输入电压、开关频率、占空比和变压器组件选择等不同操作条件而变化。本次测量在15 V、80 kHz、12%占空比下，使用Würth Elektronik的变压器750319377进行。

4.2 启动时的开关波形

启动时，2EP1xxR先在启动峰值电流模式下运行，达到目标占空比且未触发峰值电流限制时，将开关频率与配置频率同步，达到目标频率后，释放RDY引脚表示启动成功。

4.3 输出电压的启动行为

RDY信号短暂跟随输入电源电压VDD，直到内部欠压锁定（UVLO）电路激活并将RDY信号拉至GND电平，内部启动阶段结束后，2EP1xxR释放RDY信号。

4.4 输出电压纹波

由于所选占空比的原因，VCCx的输出电压纹波幅度较高。在两个输出电平的负载恒定的情况下，2EP1xxR需要在比VEEx输出电容更短的时间内为VCCx输出电容充电。本次测量显示了约30 mA负载电流下的输出纹波。

五、附加信息

5.1 可订购部件编号

评估板	OPN	描述
EVAL - 2EP130R - PR	EVAL2EP130RPRTOBO1	带峰值整流和3个变压器的2EP130R板
EVAL - 2EP130R - PR - SiG	EVAL2EP130RPRSICTOBO1	用于SiC MOSFET的带峰值整流的2EP130R板
EVAL - 2EP130R - VD	EVAL2EP130RVDTOBO1	用于IGBT的带倍压器的2EP130R板

5.2 兼容的栅极驱动器评估板

评估板	OPN	描述
EVAL - 1ED3121MX12H	EVAL1ED3121MX12HTOBO1	1ED3121MX12H板 -2300 V,5.5A,5.7kV(rms) 带单独输出
EVAL - 1ED3122MX12H	EVAL1ED3122MX12HTOBO1	1ED3122MX12H板 -2300 V, 10 A, 5.7 kv(rms) 带有源米勒钳位
EVAL - 1ED3124MX12H	EVAL1ED3124MX12HTOB01	1ED3124MX12H板 -2300 V,14A, 5.7 kV(rms) 带单独输出

综上所述，EVAL - 2EP130R - PR评估板为IGBT和MOSFET的隔离栅极驱动电源设计提供了全面的解决方案。它具有丰富的功能和灵活的配置选项，能够满足不同的设计需求。不过在使用过程中，我们也需要注意其绝对最大额定值和推荐工作范围，以及一些安全预防措施。希望通过本文的介绍，能让大家对这款评估板有更深入的了解，在实际设计中发挥其最大的作用。你在使用类似评估板时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。