将ADuM4135栅极驱动器与Microsemi APTGT75A120T1G 1200 V IGBT模块配合使用
作者：Martin Murnane ADI公司
简介
绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)是适用于高压应用的经济高效型解决方案，如车载充电器、非车载充电器、DC-DC快速充电器、开关模式电源(SMPS)应用。开关频率范围：直流至100 kHz。IGBT可以是单一器件，甚至是半桥器件，如为图1所示设计选择的。
本应用笔记所述设计中的APTGT75A120 IGBT是快速沟槽器件，采用Microsemi Corporation®专有的视场光阑IGBT技术。该IGBT器件还具有低拖尾电流、高达20 kHz的开关频率，以及由于对称设计，具有低杂散电感的软恢复并联二极管。选定IGBT模块的高集成度可在高频率下提供最优性能，并具有较低的结至外壳热阻。
使用ADI公司的栅极驱动技术驱动IGBT。ADuM4135栅极驱动器是一款单通道器件，在>25 V的工作电压下（VDD至VSS），典型驱动能力为7 A源电流和灌电流。该器件具有最小100 kV/μs的共模瞬变抗扰度(CMTI)。ADuM4135可以提供高达30 V的正向电源，因此，±15 V电源足以满足此应用。
图1.ADuM4135栅极驱动器模块
测试设置
电气设置
系统测试电路的电气设置如图2所示。直流电压施加于半桥两端的输入，900 µF (C1)的解耦电容添加到输入级。输出级为200 µH (L1)和50 µF (C2)的电感电容(LC)滤波器级，对输出进行滤波，传送到2 Ω至30 Ω的负载(R1)。表1详述了测试设置功率器件。U1是用于HV+和HV−的直流电源，T1和T2是单个IGBT模块。
完整电气设置如图3所示，表2详细列出了测试中使用的设备。
图2.系统测试电路的电气设置
表1.测试设置功率器件
|
设备 |
值 |
|
IGBT模块，T1，T2 |
APTGT75A120T1G1 |
|
U1 |
200 V至900 V |
|
电容C1 |
900 μF |
|
电感L1 |
200 μH |
|
电容C2 |
50 μF |
|
负载电阻R1 |
2 Ω至30 Ω |
表2.完整设置设备
|
设备 |
制造厂商 |
产品型号 |
|
示波器 |
Agilent |
DSO-X 3024A，200 MHz |
|
直流电源 |
Delta Elektronika |
SN660-AR-11（两个串行） |
|
栅极驱动器板 |
WATT&WELL |
ADUM4135-WW-MS-02 SN001 |
|
波形发生器 |
Agilent |
33522A |
|
电流探针 |
Hioki |
3275 |
|
电流探针 |
Hioki |
3276 |
|
无源电压探针 |
Keysight |
N2873A，500 MHz |
|
无源高电压探针 |
Elditest |
GE3421，100 MHz |
|
高压差分探针 |
Tektronix |
P5200 |
|
高压差分探针 |
Testec |
TT-SI 9110 |
|
热摄像头 |
Optris |
PI 160 |
图3.栅极驱动器配电板测试的连接图
测试结果
无负载测试
在无负载测试设置中，在模块输出端汲取低输出电流。在此应用中，使用一个30 Ω的电阻。
表3显示无负载的电气测试设置的重要元件，且负载内的电流低。表4显示在模块上观察到的温度。表3和表4总结了所观察到的结果。图5至图10显示各种电压和开关频率上的开关波形的测试结果。
如表3中所示，测试1和测试2在600 V电压下执行。测试1在10 kHz开关频率下执行，测试2在20 kHz开关频率下执行。测试3在900 V电压下执行，开关频率为10 kHz。
图4显示无负载测试的电气设置。
图4.无负载测试的电气设置
表3.无负载测试，对应插图
|
测试 |
直流电压，VDC1，(V) |
开关频率，fSW，(kHz) |
占空比(%) |
IIN2 (A) |
参考图 |
|
1 |
600 |
10 |
50 |
0.007 |
图5和图6 |
|
2 |
600 |
20 |
50 |
0.013 |
图7和图8 |
|
3 |
900 |
10 |
50 |
0.009 |
图9和图10 |
1 VDC是HV+和HV−电压。
2 IIN表示通过U1的输入电流。
表4.无负载测试，温度总结1
|
测试 |
VDC (V) |
fSW (kHz) |
温度 |
DC-DC电源温度 |
栅极驱动器温度 | |||
|
环境(°C) |
散热器(°C) |
高边(°C)2 |
低边(°C)2 |
高边(°C) |
低边(°C) | |||
|
1 |
600 |
10 |
26 |
30.8 |
34 |
34 |
38.2 |
37.6 |
|
2 |
600 |
20 |
26 |
31 |
35 |
35 |
39.5 |
39.4 |
|
3 |
900 |
10 |
26 |
31 |
34.2 |
34.2 |
38.6 |
37.7 |
1 所有温度都通过热摄像头记录。
2 从变压器测得。
开关IGBT的性能图
此部分测试结果显示不同目标电压下的开关波形，其中fSW = 10 kHz和20 kHz。VDS是漏极-源极电压，VGS是栅极-源极电压。
负载测试
测试配置类似于图2所示的测试设置。表5总结了观察到的结果，图11至图16显示各种电压、频率和负载下的测试性能和结果。
测试4在200 V、10 kHz开关频率下执行，占空比为25%。测试5在600 V、10 kHz开关频率下执行，占空比为25%。测试6在900 V、10 kHz开关频率下执行，占空比为25%。
表5.负载测试
|
测试 |
VDC (V) |
fSW (kHz) |
占空比(%) |
IOUT1 (A) |
VOUT2 (V) |
POUT3 (W) |
IIN (A) |
参考图 |
|
4 |
200 |
10 |
25 |
1.8 |
49.3 |
90.2 |
0.55 |
图11和图13 |
|
5 |
600 |
10 |
25 |
5.4 |
146.5 |
791.1 |
1.62 |
图12和图14 |
|
6 |
900 |
10 |
25 |
7.8 |
214 |
1669.2 |
2.5 |
图15和图16 |
1 IOUT是负载电阻R1中的输出电流。
2 VOUT是R1两端的输出电压。
3 POUT是输出功率(IOUT × VOUT)。
开关IGBT的性能图和无负载测试
此部分测试结果显示fSW = 10 kHz和20 kHz的不同目标电压下的开关波形。
高电流测试
测试配置类似于图3中所示的物理设置。表6总结了观察到的结果，图17至图20显示各种电压、频率和负载下的测试性能和结果。
输出负载电阻视各个测试而异，如表1所示，其中2 Ω到30 Ω负载用于改变电流。测量VOUT，也就是R1两端的电压。
测试7在300 V、10 kHz开关频率下执行，占空比为25%。测试8在400 V、10 kHz开关频率下执行，占空比为25%。
表6.高电流测试
|
测试 |
VDC (V) |
fSW (kHz) |
占空比(%) |
IOUT (A) |
VOUT (V) |
PIN1 (W) |
IIN (A) |
参考图 |
|
7 |
300 |
10 |
25 |
19.6 |
68.7 |
1346.3 |
5 |
图17和图19 |
|
8 |
400 |
10 |
25 |
25.8 |
91.7 |
2365.9 |
6.6 |
图18和图20 |
1 PIN是输入电源(IIN × VIN)，其中VIN是直流电源电压。
开关IGBT的性能图和负载测试
此部分测试结果显示fSW = 10 kHz和20 kHz的不同目标电压下的开关波形。
去饱和测试
系统测试电路的电气设置如图21所示。直流电压施加于半桥两端的输入，900 µF的解耦电容添加到输入级。此设置用于测试去饱和检测。在此应用中，最大IC = 150 A，其中IC是通过T1和T2的电流。
高端开关IGBT (T1)被83 μH的电感旁路，T1开关必须关闭。
低端开关IGBT (T2)每500 ms被驱动50 μs。
表7详细列出了去饱和测试设置的功率器件。
图22显示电感L1中电流135 A时的开关动作，图23显示电感L1中电流139 A时的去饱和检测。
表7.功率器件去饱和测试的测试设置
|
设备 |
值 |
|
U1 |
0 V至80 V |
|
C1 |
900 μF |
|
L1 |
83 μH |
图21.系统测试电路的电气设置
图22.VDC < 68 V，fSW = 2 Hz，占空比 = 0.01%
图23.VDC > 68 V，fSW = 2 Hz，占空比 = 0.01%
应用原理图
图24.ADuM4135栅极驱动器板原理图
结论
ADuM4135栅极驱动器具有优异的电流驱动能力，合适的电源范围，还有100 kV/µs的强大CMTI能力，在驱动IGBT时提供优良的性能。
本应用笔记中的测试结果提供的数据表明，ADuM4135评估板是驱动IGBT的高压应用的解决方案。
