2EP1XXR系列全桥变压器驱动器工作原理（一）——如何通过占空比调节峰值整流应用下的输出电压 2025年04月03日 11:07 电子产品世界
英飞凌推出适用于IGBT、SiC和GaN栅极驱动器电源的EiceDRIVER™ Power 2EP1xxR全桥变压器驱动器系列，为设计人员提供了隔离式栅极驱动器电源解决方案。该系列半导体器件可以帮助实现非对称输出电压，以经济高效、节省空间的方式为隔离式栅极驱动器供电。因此，2EP1xxR尤其适用于需要隔离式栅极驱动器的工业和消费类应用，包括太阳能应用、电动汽车充电、储能系统、焊接、不间断电源、驱动应用等。
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如何使用2EPXXR系列来构建一款隔离电源，它的工作原理又是什么？我们以2EP130R为例，分几个部分讲解。为了便于理解，我们将从固定50%的占空比工作模式讲起，带各位工程师们从输入到隔离输出逐级理解，希望通过以下讲解之后，可以帮助工程师朋友们轻松设计一款低成本的隔离电源！
使用2EP130R全桥变压器驱动器的隔离电源主要包含以下几个功能模块：
图1.采用 2EP130R电源简化示意图1
PWM波生成
首先，输入直流电压经去耦电容连接至2EP的供电端VDD，直流电压由全桥变换器转换为特定频率的方波输出电压。通过DC引脚设定2EP工作占空比为50%时，OUT1和OUT2的输出在VDD和GND之间交替摆动，在任意时刻OUT1和OUT2之间的相对电压幅值则为2*VDD，若以OUT2为参考点时，OUT1的输出电压则为±VDD。
图2. 功能模块-PWM波生成2
串联电容
在桥式变换器中，为了避免直流偏磁，在变压器初级串联一个电容是一个简单有效的方法。对于占空比为50%的方波，电容器相当于短路，没有任何影响，变压器初级上端 V PRI1 的电压等于 V OUT1 ，下端 V PRI2 的电压等于 V OUT2 。类似的，当以 V PRI2 为参考时，加载在变压器初级的电压为 V OUT1 -V OUT2 ，相对幅值仍是2*VDD。
图3. 功能模块-串联电容3
变压器
加载在变压器初级侧的电压除以匝比(TTR)即可得到次级电压，当确定整流方式后，将整流路径上的压降考虑在内，通过简单计算即可得到适配不同输出电压所需的次级电压和匝比信息。
图4. 功能模块-变压器4
整流
为了将变压器次级上的交变电压转换为我们所需的直流电压，需要用到整流电路。在本文中，以峰值整流为例，我们选择 V SEC2 作为参考点，将次级绕组上端电压 V SEC1 减去二极管压降 V DF ，即可得到整流后的正电压VCC；同理，下端电压 V SEC2 减去 V DF 即可得到负电压VEE。该脉动电压经输出电容滤波平滑后，即可得到以GND2为参考的两种极性的直流电压。
图5. 功能模块-整流滤波因此，当把2EP用于固定50%占空比，使用峰值整流时，根据如下公式计算即可得到我们想要的隔离输出电压：
在大功率半导体模块的驱动应用中，我们使用上述方法便可轻易得到一组具有对称隔离输出的电压，如±15V，但是在大多数中小功率工业应用中不需要-15V电源，使用不对称的隔离电源电压，如15/-7.5V,15/-5V,18/-5V等等就可以了。若是15/-7.5V这种正负电压比值为2:1的关系，我们可以仅将上述例子中的副边整流方式由峰值整流改成倍压整流便可实现，如下图所示：
图6. 2EP130R使用峰值整流的简化图图7. 2EP130R使用倍压整流的简化图若是对15/-5V,18/-5V等正负隔离输出电压比值为3:1,3.6:1的应用呢？这个时候2EP130R的灵活、强大之处便可充分体现。除了常见的变压器匝比调压，2EP130R还支持占空比调节，VDD调节这两种调压方式，如下图8所示。
图8. 2EP130R的电压分配的三种调节方式其中，占空比调节的精细程度可支持在1:1~9:1的宽比例范围内生成一组不对称隔离电源电压。2EP130R又是如何通过调整占空比来支持如此宽范围的副边正负电压比例呢？接下来，我们将从上述例子延申，深入探讨全桥变换器的占空比变化后的副边输出变化原理。
2EP130R的占空比调压工作原理
在进行理论分析之前，我们先定义在以应用2EP130R为例的全桥变压器电路中的关键量的电压极性方向，包括OUT1与OUT2间电压方向，串联电容Cesr电压方向等，以下图箭头方向为正。
图9. 2EP130R应用中的一些关键量的极性方向定义示意图下图10是一个占空比对直流偏置电压和隔离输出电压影响的总的示意图。从1)到2)，直流电压经内置全桥后转换成方波电压，当占空比不再为50%时，意味着OUT1-OUT2间的输出方波电压对磁芯的激励也不再对称，为了避免直流偏磁，在调节占空比的场合电容Cesr必不可少。从2)到3)，不对称的方波电压对Cesr的左右两侧的充放电时间也不再一致，稳态时Cesr上也将出现一个直流偏置分量，其数值大小和不对称方波的带来的直流偏置量大小相等，但极性相反，起到了相互抵消的效果。也就是说，经过Cesr后，对变压器的激励电压将不再包含直流分量，最终实现了伏秒平衡。后面从3)到5)就是遵循已知的步骤，通过变压器传输初级电压，次级电压整流，以及由输出电容滤波，得到平滑的隔离输出电压。
由上可知，当占空比不再为50%后，稳态时Cesr在初级侧也相当于一个源，我们在计算隔离输出电压时需要考虑到Cesr带来的额外电压偏移，接下来将着重分析占空比和Vcesr以及隔离输出电压之间的关系。
图10.占空比对直流偏置电压和隔离输出电压影响变化示意图占空比D和 V cesr
以及隔离输出电压的关系
当电路处于稳态时，我们对变压器初级进行伏秒原则分析，就能得到Cesr两端的平均电压和占空比之间的关系。
首先，我们以OUT1_high OUT2_low开关导通时的回路定义为初级电感充电，OUT2_high OUT1_low开关导通时的回路定义为初级电感放电，根据基尔霍夫电压定律，可得知：
图11. 电感充电回路图12. 电感放电回路充电时，Lpri两端的电压为：
放电时，Lpri两端的电压为：
根据伏秒原则，在稳态时的一个周期内，电感的正伏秒值和负伏秒值相等，即：
公式两边同除以周期T，则可变形为占空比D参与：
化简后可得Cesr两端的平均电压和占空比及输入电压之间的关系为：
由上述公式可知，当占空比D为50%时，Cesr两端的平均电压是为0，而当D为10%时，代入后得Cesr两端平均电压为Vdd*80%。由于2EP130R的占空比可调节范围是10%~50%，根据图9指示极性，Cesr在该极性下产生的直流偏置量为正值，也即把OUT1-OUT2间的方波电压“往上抬”，抬升的幅值大小也即该直流偏置量的大小，由此，Cesr将对称的峰值电压 V OUT1 V OUT2 转换为不对称的峰值电压，但加载在变压器初级侧的总的变化幅值仍为2*Vdd，变压器初级侧电压公式如下：
最终，变压器副边电压及正负隔离输出电压的表达式如下所示。
以上，就是2EP130R应用中占空比对偏置电压和隔离输出电压影响的探讨。细心的同学已经发现了，正负隔离输出电压的公式中不止包括占空比变换带来的 V cesr 电压，还有 V dd ，TTR等，如果我们在应用中再改变输入电压 V dd ，或者变压器匝比TTR呢，对隔离输出电压又会带来哪些影响？在一个应用中我们是否可以选择用多种调控的组合来得到想要的隔离输出电压？这些问题我们将放在下一篇文章： 2EP1XXR系列全桥变压器驱动器工作原理(二)—多种方式灵活调节峰值整流应用下的输出电压 中讨论。
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