探索EVAL-2EP130R-PR-SiC評估板：隔離柵極驅動器電源的理想之選

在電子工程師的日常工作中，評估板就像是我們探索新技術、驗證新設計的得力助手。今天，我們就來深入了解一下英飛凌的EVAL-2EP130R-PR-SiC評估板，它專為碳化硅（SiC）MOSFET的隔離柵極驅動器電源設計，是一款功能強大且值得研究的工具。

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

評估板概述

適用人群與用途

這份用戶指南主要面向那些對開環架構的隔離柵極驅動器電源有一定了解的電氣工程師。EVAL-2EP130R-PR-SiC評估板的設計初衷是幫助工程師評估全橋變壓器驅動IC系列——2EP1xxR，它包含了所有必要的組件，為工程師提供了一個完整的驗證平臺。

交付內容與特性

交付的評估板尺寸為$90 ×37 mm^{2}$，其簡化原理圖展示了針對兩個分離軌的峰值整流，每個軌都有正、負輸出電壓。評估板的主要特性包括：

• 寬輸入電源范圍：$VVDD$從5 V到20 V，能適應多種電源環境。
• 高輸出功率：最高可達5 W（取決于占空比），滿足不同負載需求。
• 雙隔離輸出電源軌：采用峰值整流拓撲結構，輸出電壓比可通過占空比調節。
• 寬頻率工作范圍：從50 kHz到695 kHz，可使用內部振蕩器或外部脈沖寬度調制（PWM）。
• 保護功能齊全：具備可調節的過流閾值、電源輸出短路保護、過溫保護等功能。
• 狀態指示：RDY狀態輸出指示正常運行，方便工程師監控。

產品變體

EiceDRIVER? Power 2EP1xxR系列包含多個產品變體，如2EP100R、2EP101R、2EP110R和2EP130R，它們在頻率、占空比、平均過流保護和旁路輸入等方面存在差異，但引腳兼容，可在特定設計中通過匹配配置設置使用。其中，2EP130R預裝在EVAL-2EP130R-PR-SiC上，可進行完整功能評估。

絕對最大額定值與推薦工作范圍

評估板的參數必須符合絕對最大額定值，并在推薦工作范圍內運行。例如，電源電壓$VVDD$的絕對最大額定值為0 - 22 V，推薦工作范圍為5 - 20 V。這些參數的明確規定有助于工程師正確使用評估板，避免因參數超出范圍而損壞設備。

系統與功能描述

峰值整流拓撲原理

2EP1xxR的全橋功率級和峰值整流拓撲旨在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，其比值由占空比定義。具體來說，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，輸出$OUT1$和$OUT2$的電壓在$VDD$和$GND$之間切換，且$OUT2$的開關模式與$OUT1$相反，從而在輸出端產生兩倍于$VVDD$的振幅。

關鍵組件作用

• 串聯電容器C1：它會根據占空比產生一個偏移量，該偏移量是計算輸出電壓的重要組成部分。在穩態運行期間，電容器電壓$V{C 1}$的計算公式為$V{C 1}=V{VDD}left(1-frac{2 cdot DC}{100 %}right)$。由于2EP130R只允許占空比在10% - 50%之間，因此$V{C 1}$為正值，它能去除斬波電源電壓中的直流分量，將對稱峰值轉換為不對稱峰值電壓。
• 變壓器：根據變壓器匝數比（TTR）將初級輸入電壓$PRI$轉換到次級側，次級變壓器電壓$V{SEC}$的計算公式為$V{SEC}=frac{V{PRI}}{TTR}= pm frac{V{DD}}{TTR}+frac{V{C 1}}{TTR}$。$V{C 1}$的偏移電壓確保了初級繞組在接地電位上下的電壓 - 時間乘積相等，從而防止變壓器飽和。
• 峰值電流整流：在峰值整流電路中，由于二極管的存在，需要分別考慮各個電流路徑。計算預期輸出電容器電壓時，應考慮次級變壓器電壓的匹配極性。正、負輸出電壓的計算公式分別為$V{CCx}=left(frac{V{DD}}{TRR}+frac{V{C 1}}{TRR}-V{F}right)$和$V{EEx}=-left(frac{V{DD}}{TRR}-frac{V{C 1}}{TRR}-V{F}right)$，其中$V_{F}$為二極管正向電壓。

啟動與參數調整

啟動步驟

默認配置下，評估板的輸入電壓為15 V，雙輸出電壓為 +18 V / -2.6 V，最大輸出電流為120 mA，變壓器匝數比為1.4:1，OCset級別為5，開關頻率為65 kHz，占空比為14%，由內部生成。啟動步驟如下：

1. 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。
2. 在X1/X2連接器的相應端子之間連接15 V正電源電壓。
3. 觀察RDY LED指示燈，若指示燈亮起，表示2EP130R已準備就緒；若未亮起，可能是電源連接不正確、仍處于啟動模式（軟啟動）或處于故障模式（過流或過溫）。

參數調整

2EP130R提供三個輸入引腳，可通過電阻$R1$、$R2$和$R3$分別配置開關頻率、占空比和平均過流保護。例如，電阻$R1$設置過流閾值，默認值為$47500 Omega$，OCset級別為5；電阻$R2$設置頻率，默認值為$698 Omega$，開關頻率為65 kHz；電阻$R3$設置占空比，默認值為$698 Omega$，占空比為14%。工程師可根據需要從E96系列中選擇合適的電阻值進行參數調整。

旁路模式操作

2EP130R支持旁路模式操作，在該模式下，它會跟隨FREQ/BYP引腳處的外部脈沖寬度調制（PWM）信號來確定頻率和占空比。啟動時，IC會遵循內部軟啟動序列，在此期間頻率和單個脈沖長度會與外部施加的PWM信號有所偏差。為確保正常啟動，施加的開關頻率應保持恒定，變壓器驅動器會在啟動序列的最后時刻與該頻率同步。若要在旁路模式下操作評估板，需對默認組件進行修改，如將DC引腳處的電阻$R3$改為$0 Omega$，移除FREQ/BYP引腳處的電阻$R2$，并在R8處組裝$0 Omega$電阻以連接X2.BYP引腳和FREQ/BYP引腳。同時，要確保外部頻率在2EP130R的頻率和占空比范圍內。

應用案例：SiC MOSFET電源示例

以獲得適合SiC MOSFET的輸出電壓為目標，我們可以根據相關公式計算占空比和變壓器匝數比。假設輸入電源電壓$V{DD}=15 V$，標稱目標正輸出電壓$V{CCx}=18 V$，標稱目標負輸出電壓$V{EEx}=-2.5 V$，預期二極管正向電壓$V{F}=0.4 V$。

• 占空比計算：通過公式$DC=1-frac{V{CCx}+V{F}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$計算得出$DC=0.136$，由于2EP要求占空比為整數，因此選擇$DC{selected}=14%$。根據2EP1xxR數據表中的電阻選擇表，該占空比設置需要在$DC$引腳處使用$698 Omega$的電阻。
• 變壓器匝數比計算：使用公式$TTR=frac{2 cdot V{DD}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$計算得出$TTR=1.41$，選擇$TTR_{selected}=1.4$，這與Würth Elektronik變壓器（部件號750319377）的匝數比相近。
• 驗證選擇：計算得到的輸出電壓$V{CC}=18.03 V$，$V{EE}=-2.60 V$，與目標值非常接近，正輸出電壓偏差僅為0.2%，負輸出電壓偏差為4%。需要注意的是，由于2EP1xxR是開環變壓器驅動器，實際輸出電壓還會受到輸入電壓穩定性和負載條件的影響。

系統設計

原理圖與布局

原理圖采用默認電阻值，用于設置平均過流級別為5和目標開關頻率為65 kHz。在變壓器匝數比為1.4:1、占空比為14%的情況下，輸入電壓為15 V時，可產生約18 V的正輸出電壓和 -2.6 V的負輸出電壓。評估板的尺寸約為$91 ×37 mm^{2}$，采用兩層PCB，標準銅厚度為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。

物料清單與連接器細節

完整的物料清單可在英飛凌主頁的下載部分獲取，需要登錄憑證。評估板的主要部件包括電阻$R1$、$R2$、$R3$，變壓器$TR1$和全橋變壓器驅動器$U1$。連接器的詳細信息如下：

• X1：輸入電源（備用連接器），包含GND和VDD引腳。
• X2：輸入側信號和電源，包含GND、VDD、BYP、RDY等引腳。
• X10和X11：輸出電源軌1，包含VCC1、GND1、VEE1引腳。
• X20和X21：輸出電源軌2，包含VCC2、GND2、VEE2引腳。

系統性能

效率

效率測量記錄了穩態運行期間的輸出電壓和電流，并將其與2EP的輸入電壓和電流進行比較。測量結果表明，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運行條件而變化。本次測量在15 V、80 kHz、12%占空比的條件下，使用Würth Elektronik的變壓器750319377進行。

開關波形與啟動行為

啟動時，2EP1xxR先以啟動峰值電流模式運行，達到目標占空比且未觸發峰值電流限制后，會將開關頻率與配置頻率同步。達到目標頻率后，釋放RDY引腳以指示啟動成功。輸出電壓的啟動行為表現為，$RDY$信號會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。

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。在兩個輸出電平負載恒定的情況下，與$VEEx$的輸出電容器相比，2EP1xxR需要在更短的時間內對$VCCx$的輸出電容器進行充電。本次測量展示了負載電流約為30 mA時的輸出紋波情況。

附加信息

可訂購部件號

提供了不同類型評估板的可訂購部件號，如EVAL-2EP130R-PR、EVAL-2EP130R-PR-SiG和EVAL-2EP130R-VD，分別適用于不同的應用場景。

兼容柵極驅動器評估板

列出了一系列兼容的柵極驅動器評估板，包括EVAL-1ED3121MX12H、EVAL-1ED3122MX12H等，為工程師提供了更多的選擇和搭配方案。

總結

EVAL-2EP130R-PR-SiC評估板為工程師提供了一個全面的平臺，用于評估和設計碳化硅MOSFET的隔離柵極驅動器電源。通過深入了解其原理、功能、設計和性能，工程師可以更好地利用該評估板進行產品開發和優化。在實際應用中，我們還需要根據具體需求進行參數調整和功能驗證，以確保系統的穩定性和可靠性。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。