探索UCC28781EVM - 053：60 - W、15 - V ZVS - Flyback转换器的设计与应用

在电子工程师的日常工作中，电源转换器的设计与评估是一项至关重要的任务。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的UCC28781EVM - 053评估模块，它是一款60 - W、15 - V的零电压开关反激（ZVS - Flyback）转换器，为我们在高压应用中提供了强大的支持。

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一、UCC28781EVM - 053概述

UCC28781EVM - 053主要用于评估高压直流输入的零电压开关反激（ZVSF）转换器，可作为牵引逆变器等应用中的偏置电源。该评估模块并非最终产品，而是为了方便工程师进行性能评估和开发。它能将50 V至500 V的直流输入电压转换为15 V的隔离输出，输出电流在不同输入电压范围内有所不同。当输入电压在250 V至500 V之间时，最大输出电流为4 A；而在50 V至250 V之间时，最大输出电流降为2 A。此外，它还具备约133%额定功率的过功率能力，但持续时间限制在160 ms。同时，该模块也可以通过将整流交流部分连接到直流输入，由90 - VRMS至264 - VRMS的隔离交流电源供电。

二、安全准则

在使用TI的高压评估模块时，安全是首要考虑的因素。TI提供了详细的安全指南，包括工作区域安全、电气安全和个人安全等方面。

工作区域安全

保持工作区域整洁有序，在电路通电时必须有合格的观察者在场。在TI HV EVM及其接口电子设备通电的区域，要设置有效的屏障和标识，以防止意外接触高电压。所有超过50Vrms/75VDC的开发环境中的设备，都应连接到受保护的紧急电源关闭（EPO）保护电源插线板上。使用稳定且不导电的工作表面，并使用绝缘良好的夹子和电线连接测量探头和仪器。

电气安全

在进行任何电气或诊断测量之前，必须先将TI HV EVM及其所有输入、输出和电气负载断电，并确认电源已安全断开。在确认EVM断电后，进行必要的电路配置、布线和测量设备连接等操作，同时仍需假设EVM电路和测量仪器带电。在EVM准备就绪后，再按预期通电。在EVM通电时，切勿触摸EVM或其电路，以免发生电击危险。

个人安全

佩戴个人防护设备，如乳胶手套或带侧护罩的安全眼镜，或者将EVM放置在带有联锁装置的透明塑料盒中，以防止意外触摸。需要注意的是，EVM不能用作生产单元的全部或部分。

三、EVM描述

UCC28781EVM - 053采用4层印刷电路板（PCB），顶层为通孔元件，底层为表面贴装元件。实际的转换电路位于可分离插槽内，输入和输出连接的端子块位于插槽外，以避免影响功率密度评估。此外，用于启用和禁用X电容放电功能的跳线也位于插槽外。在底层，电阻R33、R34和R35跨接在大容量电容器C2上，当交流输入电源断开且整流交流输出未连接负载时，可快速泄放高压。该设计中主要使用的器件包括零电压开关反激控制器UCC28781 - Q1和隔离驱动器UCC5304。

四、电气性能规格

直流输入性能

参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压（VIN）		50	400	500	V
空载输入功率（PSTBY）	VIN = 500 V DC, IO = 0 A		47		mW
	VIN = 250 V DC, IO = 0 A		36		mW
输出电压（VO）	VIN = 250 to 500 V DC, 0 A ≤ IO ≤ IO(FL_HI)	14.7			V
	VIN = 50 to 250 V DC, 0 A ≤ IO ≤ IO(FL_LO)	15	15.3		V
满载额定输出电流（IO(FL_HI)）	VIN = 250 to 500 V DC			4	A
满载额定输出电流（IO(FL_LO)）	VIN = 50 to 250 V DC			2	A
输出纹波电压（VO_pp）	VIN = 250 to 500 V DC, 0 A ≤ IO ≤ IO(FL_HI)		350	500	mVpp
	VIN = 50 to 250 V DC, 0 A ≤ IO ≤ IO(FL_LO)		200	300	mVpp
过功率保护阈值（PO(OPP)）	VIN = 50 to 500 V DC			70	W
过功率保护持续时间（tOPP）	VIN = 50 to 500 V DC, PO > PO(OPP)		160		ms
负载阶跃时输出电压瞬态偏差（ΔVO）	IO steps between 0 A and IO(FL_HI) at 100 Hz, VIN = 250 to 500 V DC	-1300		+700	mVpk
满载效率（ηFL）	VIN = 500 V DC, IO = IO(FL_HI)		0.932
	VIN = 250 V DC, IO = IO(FL_LO)		0.937
4点平均效率（ηavg）	VIN = 500 V DC, IO(FL_HI) range		0.905
	VIN = 250 V DC, IO(FL_LO) range		0.919
10%负载效率（η10%）	VIN = 500 V DC, IO = 10% of IO(FL_HI)		0.808
	VIN = 250 V DC, IO = 10% of IO(FL_LO)		0.835
环境工作温度范围（TAMB）	VIN = 50 to 500 V DC, IO = 0 to IO(FL)		25		°C

交流输入性能

参数	测试条件	最小值	标称值	最大值	单位
输入交流线电压（VIN）		90	115 / 230	264	V
输入交流线频率（fLINE）		47	50 / 60	63	Hz
空载输入功率（PSTBY）	VIN = 230 V RMS, IO = 0 A		42		mW
	VIN = 115 V RMS, IO = 0 A		36		mW
输出电压（VO）	VIN = 180 to 264 V RMS, 0 A ≤ IO ≤ IO(FL_HI)	14.7	15	15.3	V
	VIN = 90 to 180 V RMS, 0 A ≤ IO ≤ IO(FL_LO)				V
满载额定输出电流（IO(FL_HI)）	VIN = 180 to 264 V RMS			4	A
满载额定输出电流（IO(FL_LO)）	VIN = 90 to 180 V RMS			2	A
过功率保护阈值（PO(OPP)）	VIN = 90 to 264 V RMS			70	W
过功率保护持续时间（tOPP）	VIN = 90 to 264 V RMS, PO > PO(OPP)		160		ms
负载阶跃时输出电压瞬态偏差（ΔVO）	IO steps between 0 A and IO(FL_HI) at 100 Hz, VIN = 180 to 264 V RMS	-1300		+700	mVpk
满载效率（ηFL）	VIN = 230 V RMS, IO = IO(FL_HI)		0.9336
	VIN = 115 V RMS, IO = IO(FL_LO)		0.9271
4点平均效率（ηavg）	VIN = 230 V RMS, IO(FL_HI) range		0.9213
	VIN = 115 V RMS, IO(FL_LO) range		0.9150
10%负载效率（η10%）	VIN = 230 V RMS, IO = 10% of IO(FL_HI)		0.8684
	VIN = 115 V RMS, IO = 10% of IO(FL_LO)		0.8480
环境工作温度范围（TAMB）	VIN = 90 to 264 V RMS, IO = 0 to IO(FL)		25		°C

五、操作使用

直流电源操作

当使用直流输入时，EVM的交流部分应完全不使用，且不连接到端子块J1和J2。在施加直流电源之前，应将XCD跳线安装在J5的“XCD Disabled”位置。UCC28781EVM - 053可以直接由500 V至<50 V的隔离高压直流电源供电，一般输入电压必须大于100 V才能启动，启动后可降至<50 V。当输入电压<250 V时，输出电流应限制在2 A或以下。将直流电源的电流限制设置为1 A，在输入电压为250 V至500 V的范围内可获得全额定输出功率（60 W）；而在50 V至250 V的范围内，由于低输入电压下初级电流的均方根值较高，输出功率额定值会降低至30 W。隔离直流电源应使用低阻抗电缆（如长度小于1米的18AWG绝缘双绞线）连接到EVM的J3（直流输入端子块）。由于EVM在直流输入处的板载大容量电压旁路电容较少，可在J3外部添加一个额外的高压电容器，以增强某些性能测试中的直流大容量电压。在轻负载时，直流输入电流由突发模式频率下的脉冲组成，数字万用表（DMM）无法正确平均和测量。为了准确测量轻负载下的输入电流，应在直流输入端子块上跨接一个2μF的高压薄膜电容器，并在直流输入中串联一个10 W、100Ω的电阻，形成一个R - C滤波器，以平滑脉冲输入电流。EVM的输出（15 V）取自端子块J4，应连接到无源电阻负载或有源电子负载，有源负载通常在加载方法和扰动方面具有更大的灵活性。

交流电源操作

UCC28781EVM - 053也可以由264 VRMS至90 VRMS的隔离高压交流电源供电，线频率范围为50 Hz至60 Hz。一般输入电压必须大于90 VRMS才能启动，当输入电压<180 VRMS时，输出电流应限制在2 A或以下。在输入电压为180 VRMS至264 VRMS的范围内可获得全额定输出功率（60 W）；在90 VRMS至180 VRMS的范围内，由于低输入电压下初级电流的均方根值较高，输出功率额定值会降低至30 W。隔离交流电源应使用低阻抗电缆（如长度小于1米的18AWG绝缘双绞线）连接到EVM的J1（交流输入端子块）。EVM提供传统的全波整流和滤波大容量电压部分，以便在由交流线路供电时评估ZVSF性能。交流部分的输出通过用短绝缘跳线将端子块J2连接到块J3来连接到直流输入，同时要注意正确的极性。当使用交流线路输入时，可以通过将XCD跳线安装在J5的“XCD ENABLED”位置来评估UCC28781 - Q1的X电容放电（XCD）功能。在不使用交流输入时，记得将XCD跳线重新定位到“XCD DISABLED”位置，以避免在直流操作时损坏元件。在重新定位XCD跳线之前，应关闭所有输入电源，切勿在通电状态下更改J5的位置。EVM的输出（15 V）取自端子块J4，应连接到无源电阻负载或有源电子负载。

六、测试设置

直流输入测试设置

该评估模块未封装，存在大于50 VDC的可触及电压，因此在测试前必须确保操作人员经过正确的电力电子安全处理和测试培训。在EVM通电时，切勿触摸EVM或其电路，同时要注意表面高温，避免烫伤。测试前应仔细阅读用户指南。测试所需的设备包括：能够处理100 W功率水平的线路隔离直流电源，将输出电流限制设置为1 A；如果直流电源没有与交流线路进行内部安全隔离，应使用合适额定值的1:1隔离变压器；数字电压表、数字电流表用于测量输入和输出电压、电流；4通道、500 MHz带宽的示波器，配备能够处理600 V的探头；能够处理15 V、100 W的电阻性或电子负载；推荐使用绝缘的18AWG电线。按照图7 - 1设置直流输入测试配置，同时要注意不要让EVM在无人看管的情况下通电，也不要将交流电压源应用于该板的直流输入，以免损坏EVM。

交流输入测试设置

同样，该评估模块未封装，存在大于50 VDC的可触及电压，操作人员需经过专业培训。在EVM通电时，禁止触摸电路，注意高温。测试前要仔细阅读用户指南。测试所需设备包括：合适额定值的1:1隔离变压器，用于交流输入；能够提供264 VRMS且能处理100 W功率水平的隔离交流电源或可变交流变压器，注意不要在启用X电容放电功能时将直流电压应用于该板，如果必须使用直流电压源，应将J5处的XCD跳线设置为“XCD DISABLED”位置，并在更改跳线位置前关闭所有电源；数字电压表、数字电流表用于测量输出电压和电流；能够测量10 mW至100 W输入功率且能处理264 VRMS输入电压的输入功率分析仪，某些功率分析仪可能需要精密分流电阻来测量5 W或以下的输入功率，使用前需阅读功率分析仪的用户手册以进行正确的测量设置，在进行效率评估时，要从输入功率测量值中减去R33、R34和R35（跨接在C2上）的功率损耗；4通道、500 MHz带宽的示波器，配备能够处理600 V的探头；能够处理15 V、100 W的电阻性或电子负载；推荐使用绝缘的18AWG电线。按照图7 - 2设置交流输入测试配置，注意不要让EVM在无人看管的情况下通电，也不要将直流电压源应用于该板的交流输入，以免损坏EVM。

七、性能数据和典型特性曲线

效率测量

通过表格展示了不同直流和交流输入电压下的效率测试数据，包括不同负载百分比下的效率以及4点平均效率。这些数据对于评估EVM在不同工作条件下的性能非常重要，工程师可以根据这些数据选择合适的输入电压和负载范围，以实现最佳的效率。

效率图表

提供了4点平均效率与输入电压、10%负载效率与输入电压以及满载效率与输入电压的关系图表，直观地展示了效率随输入电压的变化趋势。这有助于工程师在设计过程中预测EVM的效率表现，优化电源设计。

开关频率

给出了不同工作模式下的开关频率，包括全负载时的平均开关频率、不同输入电压和负载下的最小和最大开关频率。了解开关频率的变化规律对于设计滤波器、减小电磁干扰等方面具有重要意义。

关键开关波形