英飛凌推出適用於IGBT、SiC和GaN閘極驅動器電源的EiceDRIVER™ Power 2EP1xxR全橋變壓器驅動器系列，為設計人員提供了隔離式閘極驅動器電源解決方案。該系列半導體元件可以幫助實現非對稱輸出電壓，以經濟高效且節省空間的方式為隔離式閘極驅動器供電。因此，2EP1xxR特別適用於需要隔離式閘極驅動器的工業和消費類應用，包括太陽能應用、電動車充電、儲能系統、焊接、不間斷電源、驅動應用等。
如何使用2EPXXR系列來構建一款隔離電源，它的工作原理又是什麼？我們以2EP130R為例，分幾個部分講解。為了便於理解，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理解，希望通過以下講解之後，可以幫助工程師朋友們輕鬆設計一款低成本的隔離電源！
使用2EP130R全橋變壓器驅動器的隔離電源主要包含以下幾個功能模組：
圖1.採用 2EP130R電源簡化示意圖
1. PWM波產生
首先，輸入直流電壓經過去耦電容連接至2EP的供電端VDD，直流電壓由全橋變換器轉換為特定頻率的方波輸出電壓。當透過DC引腳設定2EP的工作占空比為50%時，OUT1和OUT2的輸出會在VDD和GND之間交替擺動。在任意時刻，OUT1和OUT2之間的相對電壓幅值為2*VDD，若以OUT2為參考點，則OUT1的輸出電壓為±VDD。
圖2. 功能模組-PWM波生成
2. 串聯電容
在橋式變換器中，為了避免直流偏磁，在變壓器初級串聯一個電容是一個簡單有效的方法。對於占空比為50%的方波，電容器相當於短路，沒有任何影響，變壓器初級上端。VPRI1的電壓等於VOUT1，下端VPRI2的電壓等於VOUT2類似的，當以VPRI2作為參考時，加載在變壓器初級的電壓為VOUT1-VOUT2，相對幅值仍是2*VDD。
圖3. 功能模組-串聯電容
3. 變壓器
將加載在變壓器初級側的電壓除以匝比 (TTR) 即可得到次級電壓，當確定整流方式後，將整流路徑上的壓降考慮在內，通過簡單計算即可得出適配不同輸出電壓所需的次級電壓和匝比資訊。
圖4. 功能模組-變壓器
4. 整流
為了將變壓器次級上的交變電壓轉換為我們所需的直流電壓，需要使用整流電路。在本文中，以峰值整流為例，我們選擇V第二區作為參考點，將次級繞組上端電壓VSEC1減去二極體壓降VDF，即可得到整流後的正電壓VCC；同理，下端電壓VSEC2減去VDF即可得到負電壓VEE。該脈動電壓經由輸出電容濾波平滑後，即可得到以GND2為參考的兩種極性的直流電壓。
圖5. 功能模組-整流濾波
因此，當使用2EP來固定50%占空比，並使用峰值整流時，根據以下公式計算即可得到我們想要的隔離輸出電壓：
在大功率半導體模組的驅動應用中，我們使用上述方法便可輕易得到一組具有對稱隔離輸出的電壓，例如±15V。然而，在大多數中小功率的工業應用中並不需要-15V電源，使用不對稱的隔離電源電壓，例如15/-7.5V、15/-5V、18/-5V等等就足夠了。若是15/-7.5V這種正負電壓比值為2:1的關係，我們可以僅將上述例子中的次級整流方式由峰值整流改成倍壓整流便可實現，如下圖所示：
圖6. 2EP130R使用峰值整流的簡化圖
圖7. 2EP130R使用倍壓整流的簡化圖
若是針對15/-5V、18/-5V等正負隔離輸出電壓比值為3:1、3.6:1的應用呢？這時候2EP130R的靈活、強大之處便可充分展現。除了常見的變壓器匝比調壓，2EP130R還支援占空比調節、VDD調節這兩種調壓方式，如下圖8所示。
圖8. 2EP130R的電壓分配的三種調節方式
其中，占空比調節的精細程度可支援在1:1~9:1的寬比例範圍內生成一組不對稱隔離電源電壓。2EP130R又是如何透過調整占空比來支援如此寬範圍的副邊正負電壓比例呢？接下來，我們將從上述例子延伸，深入探討全橋變換器的占空比變化後的副邊輸出變化原理。
2EP130R的占空比調壓工作原理
在進行理論分析之前，我們先定義以應用2EP130R為例的全橋變壓器電路中的關鍵量的電壓極性方向，包括OUT1與OUT2之間的電壓方向、串聯電容Cesr的電壓方向等，以下圖箭頭方向為正。
圖9. 2EP130R應用中的一些關鍵量的極性方向定義示意圖
下圖10是一個占空比對直流偏置電壓和隔離輸出電壓影響的總體示意圖。從1)到2)，直流電壓經內置全橋後轉換成方波電壓，當占空比不再為50%時，意味著OUT1-OUT2之間的輸出方波電壓對磁芯的激勵也不再對稱。為了避免直流偏磁，在調節占空比的情況下，電容Cesr是必不可少的。從2)到3)，不對稱的方波電壓使Cesr的左右兩側充放電時間不再一致，穩態時Cesr上也會出現一個直流偏置分量，其數值大小與不對稱方波帶來的直流偏置量相等，但極性相反，起到了相互抵消的效果。也就是說，經過Cesr後，對變壓器的激勵電壓將不再包含直流分量，最終實現了伏秒平衡。後面從3)到5)則是遵循已知的步驟，通過變壓器傳輸初級電壓、次級電壓整流，以及由輸出電容濾波，得到平滑的隔離輸出電壓。
由上述可知，當占空比不再是50%時，穩態時Cesr在初級側也相當於一個源。我們在計算隔離輸出電壓時需要考慮Cesr所帶來的額外電壓偏移。接下來將著重分析占空比、Vcesr以及隔離輸出電壓之間的關係。
圖10. 占空比對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係
當電路處於穩態時，我們對變壓器初級進行伏秒原則分析，就能得到Cesr兩端的平均電壓和占空比之間的關係。
首先，我們將OUT1_high&OUT2_low開關導通時的迴路定義為初級電感充電，OUT2_high&OUT1_low開關導通時的迴路定義為初級電感放電。根據基爾霍夫電壓定律，可以得知：
充電時，Lpri兩端的電壓為：
放電時，Lpri兩端的電壓為：
根據伏秒原則，在穩態時的一個週期內，電感的正伏秒值和負伏秒值相等，也就是：
公式兩邊同除以週期T，則可變形為占空比D參與：
化簡後可得Cesr兩端的平均電壓和占空比及輸入電壓之間的關係為：
由上述公式可知，當占空比D為50%時，Cesr兩端的平均電壓為0，而當D為10%時，代入後得Cesr兩端的平均電壓為Vdd的80%。由於2EP130R的占空比可調節範圍是10%~50%，根據圖9所示的極性，Cesr在該極性下產生的直流偏置量為正值，也就是將OUT1-OUT2之間的方波電壓“往上抬”，抬升的幅度大小即為該直流偏置量的大小。因此，Cesr將對稱的峰值電壓...VOUT1&VOUT2轉換為不對稱的峰值電壓，但加載在變壓器初級側的總變化幅度仍為2*Vdd，變壓器初級側電壓公式如下：
最終，變壓器副邊電壓及正負隔離輸出電壓的表達式如下所示。
以上，就是2EP130R應用中占空比對偏置電壓和隔離輸出電壓影響的探討。細心的同學已經發現了，正負隔離輸出電壓的公式中不僅包括占空比變換帶來的影響。Vcesr電壓，還有Vdd，TTR等，如果我們在應用中再改變輸入電壓Vdd，或者變壓器匝比TTR呢，對隔離輸出電壓又會帶來哪些影響？在一個應用中我們是否可以選擇用多種調控的組合來得到想要的隔離輸出電壓？這些問題我們將放在下一篇文章：2EP1XXR系列全橋變壓器驅動器工作原理（二）—多種方式靈活調節峰值整流應用下的輸出電壓中討論。
2EP1xxR系列提供四種產品型號：
■ 2EP100R和2EP101R專為IGBT和SiC MOSFET閘極驅動器電源的低元件數設計進行了優化。
■ 2EP110R允許對占空比進行微調，以使輸出電壓比符合SiC和GaN功率開關的應用需求；
■ 2EP130R專為高度靈活的設計進行了優化，以滿足不同的應用需求。
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