探索EVAL-2EP130R-PR-SiC評估板：隔離柵極驅(qū)動(dòng)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(shù)、驗(yàn)證新設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器電源設(shè)計(jì)，是一款功能強(qiáng)大且值得研究的工具。

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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(huán)架構(gòu)的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器電源有一定了解的電氣工程師。EVAL-2EP130R-PR-SiC評估板的設(shè)計(jì)初衷是幫助工程師評估全橋變壓器驅(qū)動(dòng)IC系列——2EP1xxR，它包含了所有必要的組件，為工程師提供了一個(gè)完整的驗(yàn)證平臺。

交付內(nèi)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(gè)分離軌的峰值整流，每個(gè)軌都有正、負(fù)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(yīng)多種電源環(huán)境。
• 高輸出功率：最高可達(dá)5 W（取決于占空比），滿足不同負(fù)載需求。
• 雙隔離輸出電源軌：采用峰值整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出電壓比可通過占空比調(diào)節(jié)。
• 寬頻率工作范圍：從50 kHz到695 kHz，可使用內(nèi)部振蕩器或外部脈沖寬度調(diào)制（PWM）。
• 保護(hù)功能齊全：具備可調(diào)節(jié)的過流閾值、電源輸出短路保護(hù)、過溫保護(hù)等功能。
• 狀態(tài)指示：RDY狀態(tài)輸出指示正常運(yùn)行，方便工程師監(jiān)控。

產(chǎn)品變體

EiceDRIVER? Power 2EP1xxR系列包含多個(gè)產(chǎn)品變體，如2EP100R、2EP101R、2EP110R和2EP130R，它們在頻率、占空比、平均過流保護(hù)和旁路輸入等方面存在差異，但引腳兼容，可在特定設(shè)計(jì)中通過匹配配置設(shè)置使用。其中，2EP130R預(yù)裝在EVAL-2EP130R-PR-SiC上，可進(jìn)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(shù)必須符合絕對最大額定值，并在推薦工作范圍內(nèi)運(yùn)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(shù)的明確規(guī)定有助于工程師正確使用評估板，避免因參數(shù)超出范圍而損壞設(shè)備。

系統(tǒng)與功能描述

峰值整流拓?fù)湓?/h3>

2EP1xxR的全橋功率級和峰值整流拓?fù)渲荚谔峁﹥蓚€(gè)隔離輸出電壓，每個(gè)變壓器輸出繞組支持正、負(fù)輸出電壓，其比值由占空比定義。具體來說，2EP130R根據(jù)配置的開關(guān)頻率和占空比（DC）對施加的電源電壓$VVDD$進(jìn)行斬波，輸出$OUT1$和$OUT2$的電壓在$VDD$和$GND$之間切換，且$OUT2$的開關(guān)模式與$OUT1$相反，從而在輸出端產(chǎn)生兩倍于$VVDD$的振幅。

關(guān)鍵組件作用

• 串聯(lián)電容器C1：它會根據(jù)占空比產(chǎn)生一個(gè)偏移量，該偏移量是計(jì)算輸出電壓的重要組成部分。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，電容器電壓$V{C 1}$的計(jì)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(zhuǎn)換為不對稱峰值電壓。
• 變壓器：根據(jù)變壓器匝數(shù)比（TTR）將初級輸入電壓$PRI$轉(zhuǎn)換到次級側(cè)，次級變壓器電壓$V{SEC}$的計(jì)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(shí)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(gè)電流路徑。計(jì)算預(yù)期輸出電容器電壓時(shí)，應(yīng)考慮次級變壓器電壓的匹配極性。正、負(fù)輸出電壓的計(jì)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(dòng)與參數(shù)調(diào)整

啟動(dòng)步驟

默認(rèn)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(shù)比為1.4:1，OCset級別為5，開關(guān)頻率為65 kHz，占空比為14%，由內(nèi)部生成。啟動(dòng)步驟如下：

1. 將負(fù)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(yīng)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(zhǔn)備就緒；若未亮起，可能是電源連接不正確、仍處于啟動(dòng)模式（軟啟動(dòng)）或處于故障模式（過流或過溫）。

參數(shù)調(diào)整

2EP130R提供三個(gè)輸入引腳，可通過電阻$R1$、$R2$和$R3$分別配置開關(guān)頻率、占空比和平均過流保護(hù)。例如，電阻$R1$設(shè)置過流閾值，默認(rèn)值為$47500 Omega$，OCset級別為5；電阻$R2$設(shè)置頻率，默認(rèn)值為$698 Omega$，開關(guān)頻率為65 kHz；電阻$R3$設(shè)置占空比，默認(rèn)值為$698 Omega$，占空比為14%。工程師可根據(jù)需要從E96系列中選擇合適的電阻值進(jìn)行參數(shù)調(diào)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(diào)制（PWM）信號來確定頻率和占空比。啟動(dòng)時(shí)，IC會遵循內(nèi)部軟啟動(dòng)序列，在此期間頻率和單個(gè)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(dòng)，施加的開關(guān)頻率應(yīng)保持恒定，變壓器驅(qū)動(dòng)器會在啟動(dòng)序列的最后時(shí)刻與該頻率同步。若要在旁路模式下操作評估板，需對默認(rèn)組件進(jìn)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(shí)，要確保外部頻率在2EP130R的頻率和占空比范圍內(nèi)。

應(yīng)用案例：SiC MOSFET電源示例

以獲得適合SiC MOSFET的輸出電壓為目標(biāo)，我們可以根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算占空比和變壓器匝數(shù)比。假設(shè)輸入電源電壓$V{DD}=15 V$，標(biāo)稱目標(biāo)正輸出電壓$V{CCx}=18 V$，標(biāo)稱目標(biāo)負(fù)輸出電壓$V{EEx}=-2.5 V$，預(yù)期二極管正向電壓$V{F}=0.4 V$。

• 占空比計(jì)算：通過公式$DC=1-frac{V{CCx}+V{F}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$計(jì)算得出$DC=0.136$，由于2EP要求占空比為整數(shù)，因此選擇$DC{selected}=14%$。根據(jù)2EP1xxR數(shù)據(jù)表中的電阻選擇表，該占空比設(shè)置需要在$DC$引腳處使用$698 Omega$的電阻。
• 變壓器匝數(shù)比計(jì)算：使用公式$TTR=frac{2 cdot V{DD}}{2 cdot V{F}+V{CCx}-V{EEx}}$計(jì)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(shù)比相近。
• 驗(yàn)證選擇：計(jì)算得到的輸出電壓$V{CC}=18.03 V$，$V{EE}=-2.60 V$，與目標(biāo)值非常接近，正輸出電壓偏差僅為0.2%，負(fù)輸出電壓偏差為4%。需要注意的是，由于2EP1xxR是開環(huán)變壓器驅(qū)動(dòng)器，實(shí)際輸出電壓還會受到輸入電壓穩(wěn)定性和負(fù)載條件的影響。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原理圖與布局

原理圖采用默認(rèn)電阻值，用于設(shè)置平均過流級別為5和目標(biāo)開關(guān)頻率為65 kHz。在變壓器匝數(shù)比為1.4:1、占空比為14%的情況下，輸入電壓為15 V時(shí)，可產(chǎn)生約18 V的正輸出電壓和 -2.6 V的負(fù)輸出電壓。評估板的尺寸約為$91 ×37 mm^{2}$，采用兩層PCB，標(biāo)準(zhǔn)銅厚度為1 oz。頂層用于布線，底層主要由三個(gè)GND平面組成，也可采用單層設(shè)計(jì)。

物料清單與連接器細(xì)節(jié)

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(qū)動(dòng)器$U1$。連接器的詳細(xì)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(cè)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(tǒng)性能

效率

效率測量記錄了穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(jìn)行比較。測量結(jié)果表明，效率曲線會因輸入電壓、開關(guān)頻率、占空比和變壓器組件選擇等不同運(yùn)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(jìn)行。

開關(guān)波形與啟動(dòng)行為

啟動(dòng)時(shí)，2EP1xxR先以啟動(dòng)峰值電流模式運(yùn)行，達(dá)到目標(biāo)占空比且未觸發(fā)峰值電流限制后，會將開關(guān)頻率與配置頻率同步。達(dá)到目標(biāo)頻率后，釋放RDY引腳以指示啟動(dòng)成功。輸出電壓的啟動(dòng)行為表現(xiàn)為，$RDY$信號會短暫跟隨輸入電源電壓$VDD$，直到內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）電路激活并將$RDY$信號拉至GND電平，內(nèi)部啟動(dòng)階段結(jié)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(gè)輸出電平負(fù)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(shí)間內(nèi)對$VCCx$的輸出電容器進(jìn)行充電。本次測量展示了負(fù)載電流約為30 mA時(shí)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(yīng)用場景。

兼容柵極驅(qū)動(dòng)器評估板

列出了一系列兼容的柵極驅(qū)動(dòng)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(jié)

EVAL-2EP130R-PR-SiC評估板為工程師提供了一個(gè)全面的平臺，用于評估和設(shè)計(jì)碳化硅MOSFET的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器電源。通過深入了解其原理、功能、設(shè)計(jì)和性能，工程師可以更好地利用該評估板進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體需求進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和功能驗(yàn)證，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)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(qū)分享交流。