探索EVAL-2EP130R-PR評估板：IGBT與MOSFET隔離柵極驅動電源的理想之選

在電子工程領域，對于IGBT和MOSFET的隔離柵極驅動電源設計，合適的評估板至關重要。今天，我們就來深入了解一下Infineon的EiceDRIVER? Power EVAL - 2EP130R - PR評估板，看看它能為我們帶來哪些驚喜。

文件下載：Infineon Technologies EVAL-2EP130R-PR 評估板.pdf

一、評估板概述

1.1 適用對象與用途

這份用戶指南主要面向熟悉開環架構隔離柵極驅動電源的電氣工程師。EVAL - 2EP130R - PR評估板用于評估和測量2EP130R，可幫助工程師將其適配到各種開關的供電需求中，支持為兩個柵極驅動IC（如高端和低端柵極驅動IC）提供隔離電源電壓。不過要注意，該PCB和輔助電路并未針對最終客戶設計進行優化。

1.2 交付內容

評估板的交付內容包括一塊尺寸為90×37 mm2的EVAL - 2EP130R - PR評估板，以及三個用于在TR1位置進行定制組裝的變壓器：

• WE 750319375：TTR = 1.25:1，VDD = 15 V，DC = 33%，為IGBT提供+15 / -7.5 V。
• WE 750319376：TTR = 1.5:1，VDD = 15 V，DC = 22%，為SiC MOSFET提供+15 / -4 V。
• WE 750319377：TTR = 1.4:1，VDD = 15 V，DC = 14%，為SiC MOSFET提供+18 / -2.5 V。

1.3 主要特性

評估板為全橋變壓器驅動IC的評估提供了便利，具有以下特性：

• 寬輸入電源范圍VVDD從5 V到20 V。
• 輸出功率高達5 W（取決于占空比）。
• 采用峰值整流拓撲的雙隔離輸出電源軌，占空比可調輸出電壓比。
• 使用內部振蕩器或外部脈沖寬度調制（PWM），寬頻率工作范圍從50 kHz到695 kHz。
• 可調節過流閾值。
• 電源輸出短路保護。
• 過溫保護。
• RDY狀態輸出指示正常運行。

1.4 產品變體

所有產品變體引腳兼容，可在客戶特定設計中使用匹配的配置設置。EVAL - 2EP130R - PR預組裝了2EP130R，用于完整功能評估。

1.5 絕對最大額定值與推薦工作范圍

二、系統與功能描述

2.1 2EP1xxR的峰值整流拓撲原理

2EP1xxR的全橋功率級和峰值整流拓撲用于提供兩個隔離輸出電壓，每個變壓器輸出繞組支持正、負輸出電壓，正、負電壓之比由占空比定義。

• 全橋變壓器驅動2EP130R：2EP130R根據配置的開關頻率和占空比（DC）對施加的電源電壓VVDD進行斬波，OUT1和OUT2的開關模式相反，輸出電壓為$V{OUT 1,2}= pm V{V D D}$ ，占空比計算公式為$DC=frac{t{ON 1}}{t{PER}}$ 。
• 串聯電容C1：串聯電容C1產生一個由占空比得出的偏移，穩態運行期間電容電壓$V{C 1}=V{VDD}left(1-frac{2 cdot DC}{100 %}right)$ ，它將對稱的峰值轉換為不對稱的峰值電壓$V{RPI}= pm V{VDD}+V_{C 1}$ 。
• 變壓器及相關參數：變壓器根據變壓器匝數比（TTR）將初級輸入電壓轉換到次級側，$V{SEC}=frac{V{PRI}}{TTR}= pm frac{V{DD}}{TTR}+frac{V{C 1}}{TTR}$ ，$V_{C 1}$ 偏移電壓可防止變壓器飽和。
• 峰值電流整流：考慮到峰值整流電路中的二極管，計算輸出電容電壓時要考慮次級變壓器電壓的極性。正輸出電壓$V{CCx}=left(frac{V{DD}}{TRR}+frac{V{C 1}}{TRR}-V{F}right)$ ，負輸出電壓$V{EEx}=-left(frac{V{DD}}{TRR}-frac{V{C 1}}{TRR}-V{F}right)$ 。但要注意，正、負電壓軌負載相等時，正、負半波電流可能不對稱，導致輸出電壓與計算值不同。

2.2 啟動步驟

2.2.1 先決條件

• 為預期輸出電壓選擇變壓器和匹配的占空比配置電阻。
• 在TR1位置組裝所選變壓器。
• 在R3位置組裝所選占空比配置電阻。
• 驗證R1的OCset電平配置，默認值為5。
• 驗證R2的開關頻率配置，默認值為65 kHz，由內部生成。

2.2.2 上電步驟

• 將負載連接到X10/X11和X20/X21連接器的隔離變壓器輸出端子，注意極性，OUT1和OUT2的LED可作為最小基本負載。
• 在X1/X2連接器的相應端子上，在VDD和GND之間連接正電源電壓，根據輸出電壓計算選擇電壓。
• RDY LED指示2EP130R的就緒狀態。施加電源電壓后，2EP130R進行軟啟動，隔離輸出電壓升高，RDY狀態LED亮起。若未亮起，可能是變壓器驅動供電不正確、仍處于啟動模式或故障模式（過流或過熱）。

2.3 基于電阻的操作參數調整

2EP130R提供三個輸入引腳來配置開關頻率、占空比和平均過流保護：

• 電阻R1在OCSET引腳設置過流閾值，默認值$R1 = 47500 Omega$ ，OCset電平為5。
• 電阻R2在FREQ/BYP引腳設置頻率，默認值$R2 = 698 Omega$ ，開關頻率為65 kHz。
• 電阻R3在DC引腳設置占空比，默認未組裝。

2.4 旁路模式操作

2EP130R支持旁路模式操作，在此模式下，它會跟隨FREQ/BYP引腳的外部脈沖寬度調制（PWM）信號來確定頻率和占空比。啟動期間，IC遵循內部軟啟動序列，頻率和單個脈沖長度會與外部PWM信號有偏差，啟動期間施加的開關頻率應保持恒定，變壓器驅動在啟動序列的最后時刻與該頻率同步。要在旁路模式下操作評估板，需將DC引腳的電阻R3改為0 Ω，移除FREQ/BYP引腳的電阻R2，并在R8位置組裝一個0 Ω電阻，將X2.BYP引腳連接到FREQ/BYP引腳。

2.5 SiC MOSFET電源示例

以獲得適合SiC MOSFET的輸出電壓為例，我們來看看如何計算和選擇參數。

• 計算和選擇占空比：根據公式$DC=1-frac{V{CCx}+V{F}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$ 計算占空比，計算結果需取整以兼容2EP，此例中計算得到$DC = 0.136$ ，選擇$DC{selected}=14%$ ，根據電阻選擇表，該占空比設置需要在DC引腳使用698 Ω的電阻。
• 計算和選擇變壓器匝數比：根據公式$TTR=frac{2 cdot V{DD}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$ 計算變壓器匝數比，此例中計算得到$TTR = 1.41$ ，選擇$TTR_{selected}=1.4$ ，接近Würth Elektronik變壓器（部件號750319377）的匝數比。
• 驗證選擇：計算得到的輸出電壓與目標電壓進行比較，$V{CC}=frac{2 cdot V{DD} cdotleft(1 - DC{selected}right)}{TTR{selected}}-V{F}=18.03V$ ，$V{EE}=frac{2 cdot V{DD} cdotleft(-DC{selected}right)}{TTR{selected}}+V{F}=-2.60V$ ，與目標值偏差較小，但仍需驗證選擇的正確性。

三、系統設計

3.1 原理圖

原理圖使用默認電阻值進行平均過流設置電平5和目標開關頻率65 kHz的設計，默認未組裝占空比調整電阻和變壓器。假設變壓器匝數比為1.4:1，占空比為14%，輸入電壓為15 V時，正輸出電壓約為18 V，負輸出電壓為 - 2.6 V。

3.2 布局

EVAL - 2EP130R - PR評估板尺寸約為$91 ×37 mm^{2}$ ，兩層PCB使用標準銅厚度1 oz，頂層用于布線，底層主要由三個GND平面組成，也可采用單層設計。

3.3 物料清單

3.4 連接器詳情

四、系統性能

4.1 效率

效率測量記錄穩態運行期間的輸出電壓和電流，并與2EP輸入電壓和電流進行比較。效率曲線會因輸入電壓、開關頻率、占空比和變壓器組件選擇等不同操作條件而變化。本次測量在15 V、80 kHz、12%占空比下，使用Würth Elektronik的變壓器750319377進行。

4.2 啟動時的開關波形

啟動時，2EP1xxR先在啟動峰值電流模式下運行，達到目標占空比且未觸發峰值電流限制時，將開關頻率與配置頻率同步，達到目標頻率后，釋放RDY引腳表示啟動成功。

4.3 輸出電壓的啟動行為

RDY信號短暫跟隨輸入電源電壓VDD，直到內部欠壓鎖定（UVLO）電路激活并將RDY信號拉至GND電平，內部啟動階段結束后，2EP1xxR釋放RDY信號。

4.4 輸出電壓紋波

由于所選占空比的原因，VCCx的輸出電壓紋波幅度較高。在兩個輸出電平的負載恒定的情況下，2EP1xxR需要在比VEEx輸出電容更短的時間內為VCCx輸出電容充電。本次測量顯示了約30 mA負載電流下的輸出紋波。

五、附加信息

5.1 可訂購部件編號

5.2 兼容的柵極驅動器評估板

綜上所述，EVAL - 2EP130R - PR評估板為IGBT和MOSFET的隔離柵極驅動電源設計提供了全面的解決方案。它具有豐富的功能和靈活的配置選項，能夠滿足不同的設計需求。不過在使用過程中，我們也需要注意其絕對最大額定值和推薦工作范圍，以及一些安全預防措施。希望通過本文的介紹，能讓大家對這款評估板有更深入的了解，在實際設計中發揮其最大的作用。你在使用類似評估板時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。