英飛凌推出適用于IGBT、SiC和GaN柵極驅動器電源的EiceDRIVER Power 2EP1xxR全橋變壓器驅動器系列，為設計人員提供了隔離式柵極驅動器電源解決方案。該系列半導體器件可以幫助實現非對稱輸出電壓，以經濟高效、節省空間的方式為隔離式柵極驅動器供電。因此，2EP1xxR尤其適用于需要隔離式柵極驅動器的工業和消費類應用，包括太陽能應用、電動汽車充電、儲能系統、焊接、不間斷電源、驅動應用等。

如何使用2EPXXR系列來構建一款隔離電源，它的工作原理又是什么？我們以2EP130R為例，分幾個部分講解。為了便于理解，我們將從固定50%的占空比工作模式講起，帶各位工程師們從輸入到隔離輸出逐級理解，希望通過以下講解之后，可以幫助工程師朋友們輕松設計一款低成本的隔離電源！

使用2EP130R全橋變壓器驅動器的隔離電源主要包含以下幾個功能模塊：

圖1.采用 2EP130R電源簡化示意圖

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PWM波生成

首先，輸入直流電壓經去耦電容連接至2EP的供電端VDD，直流電壓由全橋變換器轉換為特定頻率的方波輸出電壓。通過DC引腳設定2EP工作占空比為50%時，OUT1和OUT2的輸出在VDD和GND之間交替擺動，在任意時刻OUT1和OUT2之間的相對電壓幅值則為2*VDD，若以OUT2為參考點時，OUT1的輸出電壓則為±VDD。

圖2. 功能模塊-PWM波生成

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串聯電容

在橋式變換器中，為了避免直流偏磁，在變壓器初級串聯一個電容是一個簡單有效的方法。對于占空比為50%的方波，電容器相當于短路，沒有任何影響，變壓器初級上端VPRI1的電壓等于VOUT1，下端VPRI2的電壓等于VOUT2。類似的，當以VPRI2為參考時，加載在變壓器初級的電壓為VOUT1-VOUT2，相對幅值仍是2*VDD。

圖3. 功能模塊-串聯電容

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變壓器

加載在變壓器初級側的電壓除以匝比(TTR)即可得到次級電壓，當確定整流方式后，將整流路徑上的壓降考慮在內，通過簡單計算即可得到適配不同輸出電壓所需的次級電壓和匝比信息。

圖4. 功能模塊-變壓器

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整流

為了將變壓器次級上的交變電壓轉換為我們所需的直流電壓，需要用到整流電路。在本文中，以峰值整流為例，我們選擇VSEC2作為參考點，將次級繞組上端電壓VSEC1減去二極管壓降VDF，即可得到整流后的正電壓VCC；同理，下端電壓VSEC2減去VDF即可得到負電壓VEE。該脈動電壓經輸出電容濾波平滑后，即可得到以GND2為參考的兩種極性的直流電壓。

圖5. 功能模塊-整流濾波

因此，當把2EP用于固定50%占空比，使用峰值整流時，根據如下公式計算即可得到我們想要的隔離輸出電壓：

在大功率半導體模塊的驅動應用中，我們使用上述方法便可輕易得到一組具有對稱隔離輸出的電壓，如±15V，但是在大多數中小功率工業應用中不需要-15V電源，使用不對稱的隔離電源電壓，如15/-7.5V,15/-5V,18/-5V等等就可以了。若是15/-7.5V這種正負電壓比值為2:1的關系，我們可以僅將上述例子中的副邊整流方式由峰值整流改成倍壓整流便可實現，如下圖所示：

圖6. 2EP130R使用峰值整流的簡化圖

圖7. 2EP130R使用倍壓整流的簡化圖

若是對15/-5V,18/-5V等正負隔離輸出電壓比值為3:1,3.6:1的應用呢？這個時候2EP130R的靈活、強大之處便可充分體現。除了常見的變壓器匝比調壓，2EP130R還支持占空比調節，VDD調節這兩種調壓方式，如下圖8所示。

圖8. 2EP130R的電壓分配的三種調節方式

其中，占空比調節的精細程度可支持在1:1~9:1的寬比例范圍內生成一組不對稱隔離電源電壓。2EP130R又是如何通過調整占空比來支持如此寬范圍的副邊正負電壓比例呢？接下來，我們將從上述例子延申，深入探討全橋變換器的占空比變化后的副邊輸出變化原理。

2EP130R的占空比調壓工作原理

在進行理論分析之前，我們先定義在以應用2EP130R為例的全橋變壓器電路中的關鍵量的電壓極性方向，包括OUT1與OUT2間電壓方向，串聯電容Cesr電壓方向等，以下圖箭頭方向為正。

圖9. 2EP130R應用中的一些關鍵量的極性方向定義示意圖

下圖10是一個占空比對直流偏置電壓和隔離輸出電壓影響的總的示意圖。從1)到2)，直流電壓經內置全橋后轉換成方波電壓，當占空比不再為50%時，意味著OUT1-OUT2間的輸出方波電壓對磁芯的激勵也不再對稱，為了避免直流偏磁，在調節占空比的場合電容Cesr必不可少。從2)到3)，不對稱的方波電壓對Cesr的左右兩側的充放電時間也不再一致，穩態時Cesr上也將出現一個直流偏置分量，其數值大小和不對稱方波的帶來的直流偏置量大小相等，但極性相反，起到了相互抵消的效果。也就是說，經過Cesr后，對變壓器的激勵電壓將不再包含直流分量，最終實現了伏秒平衡。后面從3)到5)就是遵循已知的步驟，通過變壓器傳輸初級電壓，次級電壓整流，以及由輸出電容濾波，得到平滑的隔離輸出電壓。

由上可知，當占空比不再為50%后，穩態時Cesr在初級側也相當于一個源，我們在計算隔離輸出電壓時需要考慮到Cesr帶來的額外電壓偏移，接下來將著重分析占空比和Vcesr以及隔離輸出電壓之間的關系。

圖10.占空比對直流偏置電壓和隔離輸出電壓影響變化示意圖

占空比D和Vcesr

以及隔離輸出電壓的關系

當電路處于穩態時，我們對變壓器初級進行伏秒原則分析，就能得到Cesr兩端的平均電壓和占空比之間的關系。

首先，我們以OUT1_high&OUT2_low開關導通時的回路定義為初級電感充電，OUT2_high&OUT1_low開關導通時的回路定義為初級電感放電，根據基爾霍夫電壓定律，可得知：

圖11. 電感充電回路

圖12. 電感放電回路

充電時，Lpri兩端的電壓為：

放電時，Lpri兩端的電壓為：

根據伏秒原則，在穩態時的一個周期內，電感的正伏秒值和負伏秒值相等，即：

公式兩邊同除以周期T，則可變形為占空比D參與：

化簡后可得Cesr兩端的平均電壓和占空比及輸入電壓之間的關系為：

由上述公式可知，當占空比D為50%時，Cesr兩端的平均電壓是為0，而當D為10%時，代入后得Cesr兩端平均電壓為Vdd*80%。由于2EP130R的占空比可調節范圍是10%~50%，根據圖9指示極性，Cesr在該極性下產生的直流偏置量為正值，也即把OUT1-OUT2間的方波電壓“往上抬”，抬升的幅值大小也即該直流偏置量的大小，由此，Cesr將對稱的峰值電壓VOUT1&VOUT2轉換為不對稱的峰值電壓，但加載在變壓器初級側的總的變化幅值仍為2*Vdd，變壓器初級側電壓公式如下：

最終，變壓器副邊電壓及正負隔離輸出電壓的表達式如下所示。

以上，就是2EP130R應用中占空比對偏置電壓和隔離輸出電壓影響的探討。細心的同學已經發現了，正負隔離輸出電壓的公式中不止包括占空比變換帶來的Vcesr電壓，還有Vdd，TTR等，如果我們在應用中再改變輸入電壓Vdd，或者變壓器匝比TTR呢，對隔離輸出電壓又會帶來哪些影響？在一個應用中我們是否可以選擇用多種調控的組合來得到想要的隔離輸出電壓？這些問題我們將放在下一篇文章：2EP1XXR系列全橋變壓器驅動器工作原理(二)—多種方式靈活調節峰值整流應用下的輸出電壓中討論。

2EP1xxR系列提供四種產品型號：

■2EP100R和2EP101R專為IGBT和SiC MOSFET柵極驅動器電源的低元件數設計進行了優化；

■2EP110R允許對占空比進行微調，使輸出電壓比與SiC和GaN功率開關的應用要求相匹配；

■2EP130R專為高度靈活的設計進行了優化，以滿足不同的應用要求。

該器件不但提供5級過電流保護，還可通過41種開關頻率選項或外部PWM同步功能實現變壓器匹配，并通過41種占空比選項調整輸出電壓。為了幫助工程師快速上手，我們提供三種評估板可供選擇《新品 | 頻率和占空比可調的驅動電源用全橋變壓器驅動器評估板》。