探索EVAL-2EP130R-VD评估板：全桥变压器驱动的新选择

在电子工程师的日常工作中，评估板是验证和测试新器件性能的重要工具。今天，我们就来深入了解一下英飞凌（Infineon）的EVAL - 2EP130R - VD评估板，它专为IGBT和SiC MOSFET的隔离栅极驱动器电源而设计，采用了全桥变压器驱动IC，为工程师们带来了更多的设计可能性。

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

1. 评估板概述

1.1 适用人群与目的

这份用户指南主要面向熟悉开环架构隔离栅极驱动器电源的电气工程师。其目的是为大家提供关于EVAL - 2EP130R - VD评估板的详细信息，包括启动、测量和参数调整等方面，帮助工程师将该评估板应用于各种开关的电源需求评估中。

1.2 交付内容与特点

交付内容包含一块尺寸为$90×37 mm^{2}$的EVAL - 2EP130R - VD评估板。该评估板的简化原理图展示了针对2EP130R的倍压整流电路，可实现两个分离轨的正、负输出电压。其主要特点如下：

• 产品兼容性：EiceDRIVER™ Power 2EP1xxR系列产品引脚兼容，不同型号在频率、占空比、平均过流保护和旁路输入等方面存在差异。其中，2EP130R预装配在评估板上，可进行完整功能评估。
• 宽输入输出范围：输入电源范围$VVDD$为5 V至20 V，输出功率可达5 W，具有双隔离输出电源轨，因倍压拓扑结构实现2:1的不对称输出电压。
• 灵活的工作模式：工作频率范围为50 kHz至695 kHz，可使用内部振荡器或外部脉冲宽度调制（PWM），过流阈值可调，具备功率输出短路保护、过温保护以及RDY状态输出指示正常运行。

1.3 板参数与技术数据

评估板的参数需遵循绝对最大额定值，并在推荐的工作范围内运行。具体参数如下表所示：	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	Vvcc1, 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	VEE, VE2	-35	0	V	受电容和二极管电压额定值限制，参考GND1/GND2
输入到输出/输出轨之间	Viso	-800	800	V	功能隔离，未进行耐压测试
输出电流	Ivcc1, Vvc2, VE1, IVEE2	2	400	mA	取决于配置，受IC限制
RDY灌电流	IRDY	0	10	mA	参考GND
RDY电压	VRDY	0	6.5	V	参考GND

推荐工作范围参数如下：	参数	符号	最小值	最大值	单位	备注/条件
电源电压	VVDD	5	20	V	参考GND，取决于配置
正输出电压	Vcc, Vvccz	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	VVEE1, VEE2	-35	0	V	受电容和二极管电压额定值限制，参考GND1/GND2
旁路信号电压	VBYP	0	5.5	V	参考GND
旁路信号频率	fBYP	50	695	kHz	取决于变压器；仅使用50%占空比
输出电流	Ivcc, Vc2, VE, IVEE2	2	150	mA	取决于配置，受IC限制
RDY灌电流	IRDY	0	10	mA	参考GND

2. 系统与功能描述

2.1 2EP1xxR倍压拓扑原理

该部分介绍了2EP1xxR全桥功率级与倍压拓扑结合以提供两个隔离输出电压的原理。每个变压器输出绕组支持正、负输出电压，正输出电压是负输出电压的两倍。

• 全桥变压器驱动2EP130R：采用倍压拓扑进行输出整流时，配置的占空比需为50%。2EP130R根据配置的开关频率对施加的电源电压$V{DD}$进行斩波，OUT1和OUT2的输出在$VDD$和$GND$之间切换，且OUT2的开关模式与OUT1相反，从而在输出$V{OUT1,2}$上产生两倍于$V{DD}$的幅度，即$V{PRI}= pm V_{DD}$。
• 变压器相关参数：变压器根据变比（TTR）将初级输入电压$V{PRI}$转换为次级侧电压$V{SEC}$，计算公式为$V{SEC}=frac{V{PRI}}{TTR}= pm frac{V_{DD}}{TTR}$。若输出电压不对称加载或输入占空比不准确为50%，变压器可能会进入饱和状态。评估板在OUT1和初级绕组之间包含一个串联电容，可防止变压器饱和。
• 倍压电流整流：由于倍压电路中的二极管，需分别考虑各个电流路径，并在计算预期输出电容电压时仅应用次级变压器电压的匹配电压极性。正、负输出电压的计算公式如下： 假设所有正向电压相等，即$V{F}=V{D1F}=V{D2F}=V{D3F}$，且正、负半波的幅度相等，即$V{SEC}=V{SEC(pos)} = -V{SEC(neg)} = frac{V{DD}}{TRR}$，则正输出电压$V{CC1}=2 cdot(frac{V{DD}}{TRR}-V{F})$，负输出电压$V{EE1}=-(frac{V{DD}}{TRR}-V{F})$。

2.2 启动步骤

默认配置下，输入电压为13.5 V，双输出电压为+15 V / -7.5 V，最大输出电流为150 mA，变压器变比（TTR）为1.8:1:1，OCset级别为5（在同等加载的输出轨上输出电流限制为350 mA），开关频率为100 kHz，占空比为50%，内部生成。启动步骤如下：

1. 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VCC1/GND1/VEE1和VCC2/GND2/VEE2的极性。
2. OUT1和OUT2的LED也可作为最小基本负载，若无外部负载，输出电压将高于计算值。
3. 在X1/X2连接器的相应端子之间连接13.5 V正电源电压，RDY LED指示2EP130R的就绪状态。
4. 施加VDD电源电压后，2EP130R进行软启动，隔离输出端的电压升高，RDY状态LED亮起。若状态LED未亮起，可能是变压器驱动器供电不正确、仍在启动（软启动）或处于故障模式（过流或过温）。

2.3 基于电阻的操作参数调整

2EP130R提供三个输入引脚，可通过选择不同的电阻值来配置开关频率、占空比和平均过流保护。具体电阻值与功能值的对应关系可参考用户指南中的表格。例如，电阻$R1$设置OCSET引脚的过流阈值，默认值为$47500 Omega$，OCset级别为5；电阻$R2$设置FREQ/BYP引脚的频率，默认值为$1540 Omega$，开关频率为97 kHz；电阻$R3$设置DC引脚的占空比，默认值为$63400 Omega$，占空比为50%。

2.4 旁路模式操作

2EP130R支持旁路模式操作，在此模式下，它会在运行期间跟随FREQ/BYP引脚处的外部脉冲宽度调制（PWM）信号来确定频率和占空比。启动时，IC遵循内部软启动序列，因此在软启动期间频率和单个脉冲长度会偏离外部施加的PWM信号。启动期间施加的开关频率应保持恒定，变压器驱动器在启动序列的最后时刻与该频率同步。要使评估板在旁路模式下运行，需进行以下修改：

• 将DC引脚的电阻$R3$改为$0 Omega$以启用旁路模式。
• 移除FREQ/BYP引脚的电阻$R2$。
• 装配$0 Omega$电阻$R8$，将X2.BYP引脚连接到FREQ/BYP引脚。

同时，需确保外部频率在2EP130R的频率范围内，且该倍压拓扑的占空比为50%。

3. 系统设计

3.1 原理图

原理图使用默认电阻值，设置平均过流级别为5，目标开关频率为97 kHz，占空比为50%。输入电压为13.5 V时，将产生+15 V的正输出电压和 - 7.5 V的负输出电压。

3.2 布局

EVAL - 2EP130R - VD评估板的尺寸约为$91×37 mm^{2}$，采用两层PCB，标准铜厚度为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英飞凌主页的下载部分获取，下载需要登录凭证。评估板最重要部分的BOM如下：	序号	参考标识	描述	制造商	制造商零件编号	是否装配
1	R1	RES SMD 47.5 kΩ 125mW 1% 0805	Vishay	CRCW080547K5FK	是
1	R2	RES SMD 1.54 kΩ 125mW 1% 0805	Vishay	CRCW08051K54FK	是
1	R3	RES SMD 63.4 kΩ 125mW 1% 0805	Vishay	CRCW080563K4FK	是
1	TR1	变压器，1mH，变比1.71:1	Wurth Elektronik	750319374r00	是
1	U1	IGBT和SiC MOSFET栅极驱动器电源的全桥变压器驱动器	Infineon	2EP130R	是

3.4 连接器细节

评估板上的连接器具有不同的功能，具体如下：

• 连接器X1：用于输入电源（备用连接器），包含GND（初级输入接地参考）和VDD（变压器驱动器2EP130R的输入电源电压）引脚。
• 连接器X2：用于输入侧信号和电源，包含GND、VDD、BYP（旁路操作模式的外部PWM输入引脚）和RDY（就绪状态输出引脚，开漏）等引脚。
• 连接器X10和X11：用于输出电源轨1，包含VCC1（正电源电压输出轨1）、GND1（接地参考输出轨1）和VEE1（负电源电压输出轨1）引脚。
• 连接器X20和X21：用于输出电源轨2，包含VCC2（正电源电压输出轨2）、GND2（接地参考输出轨2）和VEE2（负电源电压输出轨2）引脚。

4. 系统性能

4.1 效率

效率测量记录了稳态运行期间的输出电压和电流，并将其与2EP输入电压和电流进行比较。效率曲线会因不同的操作条件（如输入电压、开关频率、占空比和变压器组件选择）而变化。测量使用评估板EVAL - 2EP130R - PR在15 V、80 kHz、12%占空比下，并使用Würth Elektronik的变压器750319377进行，该评估板的效率结果具有可比性。

4.2 启动时的开关波形

OUT1开关波形显示，2EP1xxR在启动时处于峰值电流模式，达到目标占空比且未触发峰值电流限制时，将开关频率同步到配置频率。达到目标频率后，2EP1xxR释放RDY引脚以指示启动成功。

4.3 输出电压的启动行为

输出电压VCCX和VEEX与输入电压VDD的斜坡上升以及评估板生成的RDY信号相关。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。2EP1xxR在内部启动阶段结束后释放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。正输出电压是负输出电压的两倍，因此由于电容降额，正输出电压的有效电容减小。测量显示，负载电流约为30 mA时的输出纹波情况。

5. 附加信息

5.1 可订购的零件编号

提供了不同型号评估板的订购信息，包括EVAL - 2EP130R - PR（带峰值整流和3个变压器的2EP130R板）、EVAL - 2EP130R - PR - SiC（用于SiC MOSFET的带峰值整流的2EP130R板）和EVAL - 2EP130R - VD（用于IGBT的带倍压的2EP130R板）。

5.2 兼容的栅极驱动器评估板

列出了多个兼容的栅极驱动器评估板，如EVAL - 1ED3121MX12H、EVAL - 1ED3122MX12H等，这些评估板具有不同的电压、电流和隔离等级等参数，可满足不同的应用需求。

通过对EVAL - 2EP130R - VD评估板的详细介绍，我们可以看到它在IGBT和SiC MOSFET隔离栅极驱动器电源设计方面具有很多优势。其宽输入输出范围、灵活的工作模式和丰富的保护功能，为工程师们提供了一个可靠的测试平台。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求对评估板的参数进行调整，以实现最佳的性能表现。你在使用类似评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。