2EP1XXR系列全橋變壓器驅動(dòng)器工作原理（一）——如何通過(guò)占空比調節峰值整流應用下的輸出電壓

英飛凌推出適用于IGBT、SiC和GaN柵極驅動(dòng)器電源的EiceDRIVER? Power 2EP1xxR全橋變壓器驅動(dòng)器系列，為設計人員提供了隔離式柵極驅動(dòng)器電源解決方案。該系列半導體器件可以幫助實(shí)現非對稱(chēng)輸出電壓，以經(jīng)濟高效、節省空間的方式為隔離式柵極驅動(dòng)器供電。因此，2EP1xxR尤其適用于需要隔離式柵極驅動(dòng)器的工業(yè)和消費類(lèi)應用，包括太陽(yáng)能應用、電動(dòng)汽車(chē)充電、儲能系統、焊接、不間斷電源、驅動(dòng)應用等。

如何使用2EPXXR系列來(lái)構建一款隔離電源，它的工作原理又是什么？我們以2EP130R為例，分幾個(gè)部分講解。為了便于理解，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(guò)以下講解之后，可以幫助工程師朋友們輕松設計一款低成本的隔離電源！

使用2EP130R全橋變壓器驅動(dòng)器的隔離電源主要包含以下幾個(gè)功能模塊：

圖1.采用 2EP130R電源簡(jiǎn)化示意圖

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PWM波生成

首先，輸入直流電壓經(jīng)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。通過(guò)DC引腳設定2EP工作占空比為50%時(shí)，OUT1和OUT2的輸出在VDD和GND之間交替擺動(dòng)，在任意時(shí)刻O(píng)UT1和OUT2之間的相對電壓幅值則為2*VDD，若以OUT2為參考點(diǎn)時(shí)，OUT1的輸出電壓則為±VDD。

圖2. 功能模塊-PWM波生成

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串聯(lián)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(lián)一個(gè)電容是一個(gè)簡(jiǎn)單有效的方法。對于占空比為50%的方波，電容器相當于短路，沒(méi)有任何影響，變壓器初級上端 V PRI1 的電壓等于 V _OUT1 ，下端 V _PRI2 的電壓等于 V _OUT2 。類(lèi)似的，當以 V _PRI2 為參考時(shí)，加載在變壓器初級的電壓為 V _OUT1 -V _OUT2 ，相對幅值仍是2*VDD。

圖3. 功能模塊-串聯(lián)電容

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變壓器

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，當確定整流方式后，將整流路徑上的壓降考慮在內，通過(guò)簡(jiǎn)單計算即可得到適配不同輸出電壓所需的次級電壓和匝比信息。

圖4. 功能模塊-變壓器

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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，需要用到整流電路。在本文中，以峰值整流為例，我們選擇 V _SEC2 作為參考點(diǎn)，將次級繞組上端電壓 V _SEC1 減去二極管壓降 V _DF ，即可得到整流后的正電壓VCC；同理，下端電壓 V _SEC2 減去 V _DF 即可得到負電壓VEE。該脈動(dòng)電壓經(jīng)輸出電容濾波平滑后，即可得到以GND2為參考的兩種極性的直流電壓。

圖5. 功能模塊-整流濾波

因此，當把2EP用于固定50%占空比，使用峰值整流時(shí)，根據如下公式計算即可得到我們想要的隔離輸出電壓：

在大功率半導體模塊的驅動(dòng)應用中，我們使用上述方法便可輕易得到一組具有對稱(chēng)隔離輸出的電壓，如±15V，但是在大多數中小功率工業(yè)應用中不需要-15V電源，使用不對稱(chēng)的隔離電源電壓，如15/-7.5V,15/-5V,18/-5V等等就可以了。若是15/-7.5V這種正負電壓比值為2:1的關(guān)系，我們可以?xún)H將上述例子中的副邊整流方式由峰值整流改成倍壓整流便可實(shí)現，如下圖所示：

圖6. 2EP130R使用峰值整流的簡(jiǎn)化圖

圖7. 2EP130R使用倍壓整流的簡(jiǎn)化圖

若是對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？這個(gè)時(shí)候2EP130R的靈活、強大之處便可充分體現。除了常見(jiàn)的變壓器匝比調壓，2EP130R還支持占空比調節，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持在1:1~9:1的寬比例范圍內生成一組不對稱(chēng)隔離電源電壓。2EP130R又是如何通過(guò)調整占空比來(lái)支持如此寬范圍的副邊正負電壓比例呢？接下來(lái)，我們將從上述例子延申，深入探討全橋變換器的占空比變化后的副邊輸出變化原理。

2EP130R的占空比調壓工作原理

在進(jìn)行理論分析之前，我們先定義在以應用2EP130R為例的全橋變壓器電路中的關(guān)鍵量的電壓極性方向，包括OUT1與OUT2間電壓方向，串聯(lián)電容Cesr電壓方向等，以下圖箭頭方向為正。

圖9. 2EP130R應用中的一些關(guān)鍵量的極性方向定義示意圖

下圖10是一個(gè)占空比對直流偏置電壓和隔離輸出電壓影響的總的示意圖。從1)到2)，直流電壓經(jīng)內置全橋后轉換成方波電壓，當占空比不再為50%時(shí)，意味著(zhù)OUT1-OUT2間的輸出方波電壓對磁芯的激勵也不再對稱(chēng)，為了避免直流偏磁，在調節占空比的場(chǎng)合電容Cesr必不可少。從2)到3)，不對稱(chēng)的方波電壓對Cesr的左右兩側的充放電時(shí)間也不再一致，穩態(tài)時(shí)Cesr上也將出現一個(gè)直流偏置分量，其數值大小和不對稱(chēng)方波的帶來(lái)的直流偏置量大小相等，但極性相反，起到了相互抵消的效果。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)Cesr后，對變壓器的激勵電壓將不再包含直流分量，最終實(shí)現了伏秒平衡。后面從3)到5)就是遵循已知的步驟，通過(guò)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。

由上可知，當占空比不再為50%后，穩態(tài)時(shí)Cesr在初級側也相當于一個(gè)源，我們在計算隔離輸出電壓時(shí)需要考慮到Cesr帶來(lái)的額外電壓偏移，接下來(lái)將著(zhù)重分析占空比和Vcesr以及隔離輸出電壓之間的關(guān)系。

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 V cesr

以及隔離輸出電壓的關(guān)系

當電路處于穩態(tài)時(shí)，我們對變壓器初級進(jìn)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(guān)系。

首先，我們以OUT1_high&OUT2_low開(kāi)關(guān)導通時(shí)的回路定義為初級電感充電，OUT2_high&OUT1_low開(kāi)關(guān)導通時(shí)的回路定義為初級電感放電，根據基爾霍夫電壓定律，可得知：

圖11. 電感充電回路

圖12. 電感放電回路

充電時(shí)，Lpri兩端的電壓為：

放電時(shí)，Lpri兩端的電壓為：

根據伏秒原則，在穩態(tài)時(shí)的一個(gè)周期內，電感的正伏秒值和負伏秒值相等，即：

公式兩邊同除以周期T，則可變形為占空比D參與：

化簡(jiǎn)后可得Cesr兩端的平均電壓和占空比及輸入電壓之間的關(guān)系為：

由上述公式可知，當占空比D為50%時(shí)，Cesr兩端的平均電壓是為0，而當D為10%時(shí)，代入后得Cesr兩端平均電壓為Vdd*80%。由于2EP130R的占空比可調節范圍是10%~50%，根據圖9指示極性，Cesr在該極性下產(chǎn)生的直流偏置量為正值，也即把OUT1-OUT2間的方波電壓“往上抬”，抬升的幅值大小也即該直流偏置量的大小，由此，Cesr將對稱(chēng)的峰值電壓 V _OUT1 & V _OUT2 轉換為不對稱(chēng)的峰值電壓，但加載在變壓器初級側的總的變化幅值仍為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(xué)已經(jīng)發(fā)現了，正負隔離輸出電壓的公式中不止包括占空比變換帶來(lái)的 V _cesr 電壓，還有 V _dd ，TTR等，如果我們在應用中再改變輸入電壓 V _dd ，或者變壓器匝比TTR呢，對隔離輸出電壓又會(huì )帶來(lái)哪些影響？在一個(gè)應用中我們是否可以選擇用多種調控的組合來(lái)得到想要的隔離輸出電壓？這些問(wèn)題我們將放在下一篇文章： 2EP1XXR系列全橋變壓器驅動(dòng)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。