2EP1XXR系列全橋變壓器驅(qū)動(dòng)器工作原理（二）——多種方式靈活調(diào)節(jié)峰值整流應(yīng)用下的輸出電壓

如果有哪位細(xì)心的讀者也試著動(dòng)動(dòng)手推導(dǎo)公式，將串聯(lián)電容電壓公式與隔離輸出電壓合二為一后，就可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中，Cesr兩端的電壓并不重要，因?yàn)楦綦x輸出電壓本質(zhì)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Vdf的函數(shù)表達(dá)式（注：此處為簡(jiǎn)化計(jì)算，用Vdf統(tǒng)一代替前文出現(xiàn)的Vd1f和Vd2f），見(jiàn)下圖1。

?這個(gè)公式在實(shí)踐中意味我們不止可以通過(guò)占空比D，還可靈活使用Vdd、變壓器匝比TTR等來(lái)調(diào)節(jié)峰值整流應(yīng)用下的輸出電壓。

圖1. 隔離輸出電壓表達(dá)式的演變

首先，我們來(lái)看下輸入電壓變化對(duì)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(nèi)工作，在實(shí)際應(yīng)用中，我們應(yīng)該選擇穩(wěn)定的輸入電壓，這才能獲得目標(biāo)的隔離輸出電壓。

圖2是輸入電壓Vdd變化對(duì)隔離輸出電壓變化的影響示意圖，我們假設(shè)先前選擇的輸入電壓略有下降，該電壓降首先影響內(nèi)置全橋的輸出電壓幅值，進(jìn)而影響到串聯(lián)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(jí)幅值的變化將進(jìn)一步傳遞至次級(jí)，并降低次級(jí)側(cè)電壓及其整流電壓。很明顯，輸入電壓的變化會(huì)影響到輸出電壓的幅值，但是正負(fù)隔離電壓之間的比例關(guān)系會(huì)有影響嗎？

圖2. 輸入電壓VDD變化對(duì)隔離輸出電壓變化的影響示意圖

在本例應(yīng)用中，通常選用二極管的壓降在0.4V~0.5V左右，在考慮正負(fù)隔離輸出電壓的比值關(guān)系時(shí)，若我們忽略副邊整流二極管的壓降Vdf，也即把Vcc、Vee的表達(dá)式簡(jiǎn)化成(1)和(2)，就能發(fā)現(xiàn)正負(fù)隔離輸出電壓幅值的比率是一個(gè)僅和D有關(guān)的表達(dá)式，如下公式(3)所示。

公式(3)在實(shí)踐中意味著盡管2EP輸入電壓Vdd變化后會(huì)引起輸出隔離電壓的幅值發(fā)生變化，但正負(fù)隔離電壓之間的比值僅和D有關(guān)，若是D未改變，正負(fù)隔離電壓間的比值也不會(huì)變化。

接下來(lái)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(nèi)工作，在目標(biāo)應(yīng)用條件下，通過(guò)計(jì)算可得到實(shí)現(xiàn)輸出電壓所需的匝比。下圖3是變壓器匝比TTR變化對(duì)輸出電壓影響的示意圖。

圖3. TTR變化對(duì)輸出電壓變化的影響示意圖

在本例中，我們假設(shè)實(shí)際用的變壓器的TTR比理論計(jì)算值更高，從圖中可以看到較初次級(jí)側(cè)的高匝數(shù)比將降低次級(jí)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(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)匝比成反比，但是正負(fù)輸出電壓之間的比率關(guān)系，如前所述，若是D未發(fā)生變化，則仍保持正負(fù)電壓之比恒定。

在不同應(yīng)用中需要設(shè)定不同的目標(biāo)輸出電壓，以上分析可清晰表明，VDD和TTR可調(diào)節(jié)正負(fù)隔離輸出電壓的幅值，而正負(fù)輸出電壓之間的比率可通過(guò)簡(jiǎn)單的占空比參數(shù)變化來(lái)調(diào)節(jié)。2EP130R支持10%~50%的占空比調(diào)節(jié)，在峰值整流應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)隔離正負(fù)輸出電壓比在1：1~9：1間的調(diào)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(kāi)關(guān)，這使得2EP EiceDRIVER? Power成為驅(qū)動(dòng)任何功率開(kāi)關(guān)隔離電源的理想集成電路，無(wú)論是英飛凌的CoolGAN? MOS管，CoolMOS? MOSFET、TRENCHSTOP? IGBT、CoolSiC? MOSFET和任何其他功率開(kāi)關(guān)。得益于其高達(dá)13W的高功率輸出能力，2EP系列不僅支持分立器件，還可應(yīng)用于各種功率模塊。

下圖4是一個(gè)以三相電機(jī)應(yīng)用為背景，在不同電流等級(jí)功率器件驅(qū)動(dòng)供電的配置示意圖，涵蓋的IGBT電流等級(jí)從50A~到600A，對(duì)于在指定fsw下的每相開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)功率需求，我們先以經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定在0.25~2.5W。2EP可以支持具有兩個(gè)或更多個(gè)輸出繞組，或者在同一個(gè)2EP上接多個(gè)變壓器，只要2EP在其輸出電流范圍內(nèi)工作，這是進(jìn)一步降低BOM清單成本，實(shí)現(xiàn)低功率要求的好辦法。

圖4. 2EP支持不同電流等級(jí)功率器件驅(qū)動(dòng)應(yīng)用配置示意圖

■?2EP130R的輸入供電電壓：VDD=15V

■?副邊整流后的額定正向輸出電壓值：Vcc=18V

■?副邊整流后的額定負(fù)向輸出電壓值：Vee=-2.5V

■?整流二極管的額定壓降值：Vdf=0.4V

注意以下兩點(diǎn)，一是此處設(shè)定的輸出電壓可認(rèn)為是標(biāo)稱(chēng)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(jì)；二是若考慮到整流二極管的實(shí)際正向壓降對(duì)輸出電壓的影響，可能需要對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)一步精細(xì)調(diào)整。

由上一篇文章可知，當(dāng)以VPRI2為參考時(shí)，加載在變壓器初級(jí)的電壓為VOUT1-VOUT2，相對(duì)幅值為2*VDD，則加載在變壓器次級(jí)的電壓，也即副邊整流前的電壓相對(duì)幅值為2*VDD/TTR，和整流后的輸出電壓關(guān)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(biāo)應(yīng)用參數(shù)的D計(jì)算公式(7)，代入目標(biāo)參數(shù)計(jì)算：

計(jì)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(shí)際使用中需要對(duì)Duty cycle取整為D=14%，查表可得對(duì)應(yīng)設(shè)定電阻為698ohm，注意這種占空比取整后的偏差會(huì)在實(shí)際輸出值與目標(biāo)應(yīng)用電壓之間引入輕微偏差，偏差影響可看下文的驗(yàn)證選擇計(jì)算。

圖5. 2EP1XXR的DC引腳設(shè)定電阻和Duty Cycle設(shè)定值的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

為了計(jì)算變壓器匝比，需要將變壓器初級(jí)側(cè)的總電壓與次級(jí)側(cè)的總輸出電壓進(jìn)行比較，以滿足應(yīng)用需求。由前文可知，2EP130R是一個(gè)全橋變壓器驅(qū)動(dòng)器，與變壓器串聯(lián)的電容Cesr不會(huì)影響到變壓器的總變化幅值，變壓器初級(jí)側(cè)總電壓為2*VDD，初、次級(jí)側(cè)的總輸出電壓比值可參考式(4)，變形后即(8)，代入目標(biāo)參數(shù)計(jì)算：

在本例中，計(jì)算所得的匝比1.41和Würth Elektronik變壓器的標(biāo)準(zhǔn)樣品(NO:750319377)的匝比非常接近，該變壓器的匝比為1.4。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇一個(gè)已公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)樣品可以適當(dāng)降低和縮短我們制作樣機(jī)的成本和周期。當(dāng)然，在此處匝比的輕微偏差同樣會(huì)在實(shí)際輸出值與目標(biāo)應(yīng)用電壓之間引入輕微偏差，因此，建議將驗(yàn)證選擇放在最后一步。

在完成所有所需參數(shù)計(jì)算后，可以重新代入?yún)?shù)將計(jì)算得出的輸出電壓與目標(biāo)應(yīng)用輸出電壓進(jìn)行比較：

在本例中，計(jì)算所得的Vcc:18.03V與目標(biāo)應(yīng)用Vcc:18V的偏差僅為0.2%，計(jì)算的Vee:-2.60V與目標(biāo)應(yīng)用Vee:-2.5V的偏差為4%。考慮到2EP130R是一個(gè)開(kāi)環(huán)變壓器驅(qū)動(dòng)器，實(shí)際輸出電壓還需考慮到輸入電壓的波動(dòng)，變壓器精度和輸出負(fù)載條件等，本項(xiàng)案例可作為設(shè)計(jì)之初的簡(jiǎn)易速算匹配，幫助工程師在選型計(jì)算時(shí)快速上手，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)選擇過(guò)程。

歡迎點(diǎn)擊卡片

關(guān)注電子電力工程師園地