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

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 中，我們帶大家從輸入到輸出逐級了解了如何使用2EP1XXR系列來構建一款隔離電源，并詳細介紹了2EP130R在峰值整流應用下占空比調壓的工作原理，掌握了其核心串聯電容C esr 的作用以及V cesr 和隔離輸出電壓的關系。

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后，就可以發現在實際應用中，C esr 兩端的電壓并不重要，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（注：此處為簡化計算，用V df 統一代替前文出現的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工作，在實際應用中，我們應該選擇穩定的輸入電壓，這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，該電壓降首先影響內置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

在本例應用中，通常選用二極管的壓降在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)，就能發現正負隔離輸出電壓幅值的比率是一個僅和D有關的表達式，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生變化，但正負隔離電壓之間的比值僅和D有關，若是D未改變，正負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范圍內工作，在目標應用條件下，通過計算可得到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的高匝數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，輸出電壓與初級側到次級側匝比成反比，但是正負輸出電壓之間的比率關系，如前所述，若是D未發生變化，則仍保持正負電壓之比恒定。

2EP EiceDRIVER Power—

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，以上分析可清晰表明，V DD 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通過簡單的占空比參數變化來調節。2EP130R支持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間的調變化。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，這使得2EP EiceDRIVER? Power成為驅動任何功率開關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。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，還可應用于各種功率模塊。

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器件驅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工作，這是進一步降低BOM清單成本，實現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動應用配置示意圖

最后，我們從設計一款SIC MOSFET的隔離驅動電源出發，作為以上內容的復習與總結。

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目標應用參數

■ 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，一是此處設定的輸出電壓可認為是標稱值，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進一步精細調整。

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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應用參數的D計算公式(7)，代入目標參數計算：

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%，查表可得對應設定電阻為698ohm，注意這種占空比取整后的偏差會在實際輸出值與目標應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引腳設定電阻和Duty Cycle設定值的對應關系圖

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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、次級側的總輸出電壓比值可參考式(4)，變形后即(8)，代入目標參數計算：

在本例中，計算所得的匝比1.41和Würth Elektronik變壓器的標準樣品(NO:750319377)的匝比非常接近，該變壓器的匝比為1.4。在實際應用中，選擇一個已公開的標準樣品可以適當降低和縮短我們制作樣機的成本和周期。當然，在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后一步。

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驗證選擇計算

在完成所有所需參數計算后，可以重新代入參數將計算得出的輸出電壓與目標應用輸出電壓進行比較：

在本例中，計算所得的V cc :18.03V與目標應用V cc :18V的偏差僅為0.2%，計算的V ee :-2.60V與目標應用V ee :-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，我們提供幾個評估板，所有這些都使用2EP130R變壓器驅動器集成電路，提供兩路隔離正負輸出電源，以在其默認版本中實現最大靈活性，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一起構成了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；

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

簡而言之，2EP提供可變占空比，正負隔離輸出電壓比為9：1至1：1,用于單輸出繞組正負電源，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。