在2EP1XXR系列全橋變壓器驅動器工作原理（一）—如何通過占空比調節峰值整流應用下的輸出電壓在本文中，我們帶大家逐步了解如何使用2EP1XXR系列來構建一款隔離電源，並詳細介紹了2EP130R在峰值整流應用下透過占空比調壓的工作原理，同時掌握了其核心串聯電容C的特性。esr的作用以及Vcesr與隔離輸出電壓的關係。
如果有哪位細心的讀者也試著動動手推導公式，將串聯電容電壓公式與隔離輸出電壓合二為一後，就可以發現在實際應用中，Cesr兩端的電壓並不重要，因為隔離輸出電壓本質上是包含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的函數表達式（註：此處為簡化計算，用Vdf統一代替前文出現的Vd1f和Vd2f），見下圖1。
這個公式在實際應用中意味著我們不僅可以透過占空比D，還可以靈活使用V。dd變壓器匝比 TTR 等來調節峰值整流應用下的輸出電壓。
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，我們來看看輸入電壓變化對隔離輸出電壓的影響。2EP支援在4.5V~20V的寬輸入電源範圍內運作，在實際應用中，我們應該選擇穩定的輸入電壓，這樣才能獲得目標的隔離輸出電壓。
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。我們假設先前選擇的輸入電壓略有下降，該電壓下降首先影響內建全橋的輸出電壓幅值，進而影響到串聯電容器的偏移電壓幅度。由於占空比D、變壓器匝比TTR以及其餘元件保持不變，這種初級幅值的變化將進一步傳遞至次級，並降低次級側電壓及其整流電壓。很明顯，輸入電壓的變化會影響到輸出電壓的幅值，但是正負隔離電壓之間的比例關係會有影響嗎？
圖2. 輸入電壓VDD變化對隔離輸出電壓變化的影響示意圖
在本例應用中，通常選用二極體的壓降在0.4V~0.5V左右，在考慮正負隔離輸出電壓的比值關係時，若我們忽略副邊整流二極體的壓降V。df，也就是把Vcc、Vee將表達式簡化成(1)和(2)，就能發現正負隔離輸出電壓幅值的比率是一個僅與D有關的表達式，如下公式(3)所示。
公式 (3) 在實踐中意味著儘管 2EP 輸入電壓 Vdd變化後會導致輸出隔離電壓的幅值發生變化，但正負隔離電壓之間的比值僅與D有關，若D未改變，正負隔離電壓間的比值也不會改變。
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一起用於提供隔離和電壓傳輸特性。2EP可以在靈活的TTR範圍內運作，在目標應用條件下，透過計算可得出實現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，我們假設實際使用的變壓器的TTR比理論計算值更高，從圖中可以看到較高的初次級側匝數比將降低次級兩端的電壓，最終降低整流後的輸出電壓幅值。也就是說，輸出電壓與初級側到次級側的匝數比成反比，但正負輸出電壓之間的比率關係，如前所述，若D未發生變化，則仍保持正負電壓之比恒定。
2EP EiceDRIVER 電源—
助力驅動隔離供電的設計簡化
在不同應用中需要設定不同的目標輸出電壓，以上分析可清楚表明，VDD和TTR可調節正負隔離輸出電壓的幅值，而正負輸出電壓之間的比率可透過簡單的占空比參數變化來調節。2EP130R支援10%~50%的占空比調節，在峰值整流應用中可實現隔離正負輸出電壓比在1：1~9：1之間的調整。因此，峰值整流隔離輸出電壓非常靈活，可適用於各種功率開關，這使得2EP EiceDRIVER™ Power成為驅動任何功率開關隔離電源的理想整合電路，無論是英飛凌的CoolGAN™ MOS管、CoolMOS™ MOSFET、TRENCHSTOP™ IGBT、CoolSiC™ MOSFET以及任何其他功率開關。得益於其高達13W的高功率輸出能力，2EP系列不僅支援分立元件，還可應用於各種功率模組。
下圖4是一個以三相電機應用為背景，在不同電流等級功率元件驅動供電的配置示意圖，涵蓋的IGBT電流等級從50A到600A。針對在指定fsw下每相開關的驅動功率需求，我們先以經驗值設定在0.25~2.5W。2EP可以支援具有兩個或更多輸出繞組，或者在同一個2EP上接多個變壓器，只要2EP在其輸出電流範圍內工作，這是一個進一步降低BOM清單成本、實現低功率需求的好方法。
圖4. 2EP支援不同電流等級功率元件驅動應用配置示意圖
最後，我們從設計一款SIC MOSFET的隔離驅動電源出發，作為以上內容的複習與總結。
1. 目標應用參數
■ 2EP130R 的輸入供電電壓：VDD=15V
■ 副邊整流後的額定正向輸出電壓值：Vcc=18V
■ 副邊整流後的額定負向輸出電壓值：Vee=-2.5V
■ 整流二極體的額定壓降值：Vdf=0.4V
注意以下兩點：第一，此處設定的輸出電壓可視為標稱值，輕載時的輸出電壓增加以及重載時的輸出電壓下降暫時忽略不計；第二，若考慮到整流二極體的實際正向壓降對輸出電壓的影響，可能需要對計算參數進一步精細調整。
2. 計算並選擇合適的占空比
由上一篇文章可知，當以VPRI2作為參考時，加載在變壓器初級的電壓為VOUT1句子：-VOUT2，相對幅值為2*VDD則加載在變壓器次級的電壓，也就是副邊整流前的電壓相對幅值為 2*VDD/TTR，與整流後的輸出電壓關係如公式(4)所示：
將 (4) 代入到上式 (5) 和 (6)，我們便得到包含目標應用參數的 D 計算公式 (7)，代入目標參數計算：
計算所得的占空比（Duty cycle）為13.6%，2EP130R支援的占空比範圍是10%~50%，變化梯度為1%，因此在實際使用中需要將占空比取整為D=14%。查表可得對應的設定電阻為698歐姆（ohm）。需要注意的是，這種占空比取整後的偏差會在實際輸出值與目標應用電壓之間引入輕微的偏差，偏差的影響可參考下文的驗證選擇計算。
圖5. 2EP1XXR的DC引腳設定電阻與Duty Cycle設定值的對應關係圖
3. 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的總電壓與次級側的總輸出電壓進行比較，以滿足應用需求。由前文可知，2EP130R是一個全橋變壓器驅動器，與變壓器串聯的電容Cesr不會影響到變壓器的總變化幅值，變壓器初級側總電壓為2*V。DD初級與次級側的總輸出電壓比值可參考公式(4)，變形後即為公式(8)，代入目標參數進行計算：
在本例中，計算所得的匝比1.41與Würth Elektronik變壓器的標準樣品（編號：750319377）的匝比非常接近，該變壓器的匝比為1.4。在實際應用中，選擇一個已公開的標準樣品可以適當降低並縮短我們製作樣機的成本和週期。當然，此處匝比的輕微偏差同樣會在實際輸出值與目標應用電壓之間引入輕微偏差，因此，建議將驗證選擇放在最後一步。
4. 驗證選擇計算
在完成所有所需參數計算後，可以重新代入參數，將計算得出的輸出電壓與目標應用的輸出電壓進行比較：
在本例中，計算所得的Vcc18.03V與目標應用Vcc18V的偏差僅為0.2%，計算的Vee:-2.60V 與目標應用 Vee句子: -2.5V的偏差為4%。考慮到2EP130R是一個開環變壓器驅動器，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載條件等，本項案例可作為設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，簡化設計選擇過程。
結語
為了支持簡單設計，我們提供了幾款評估板，這些評估板全部採用2EP130R變壓器驅動器集成電路，提供雙路隔離正負輸出電源，以在其預設版本中實現最大的靈活性。2EP系列的四款晶片（2EP100R、2EP101R、2EP110R、2EP130R）具有引腳相容性，如有需要可進行更換。
■ 一是靈活的峰值整流方式，客戶可以在三個不同的TTR變壓器中選擇一個進行組裝，與2EP130R搭配使用，構成各種柵極驅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；
■ 第三是使用已知輸出電壓比為2：1的倍壓整流的IGBT驅動電源，提供15V/+7.5V的隔離輸出電壓。
簡而言之，2EP 提供可變佔空比，正負隔離輸出電壓比為 9:1 至 1:1，用於單輸出繞組的正負電源，開關頻率可選，適應各種變壓器，可選過載保護，強大的輸出級可提供高達 13W 的負載，易於使用、簡單的輸出電壓計算，元件成本低，這些全都集成在一個緊湊的元件中，使得 2EP 成為小巧靈活且功能強大的解決方案。
參考閱讀
新品 | 2EP1xxR - 頻率和占空比可調的驅動電源用20V全橋變壓器驅動器
新品 | 頻率和占空比可調的驅動電源用全橋變壓器驅動器評估板
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