将ADuM4135栅极驱动器与Microsemi APTGT75A120T1G 1200 V IGBT模块配合使用

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

表2.完整设置设备

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

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

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。

图5.VDC = 600 V，fSW   = 10 kHz，无负载

图8.VDC = 600 V，fSW   = 20 kHz，无负载

图6.VDC = 600 V，fSW   = 10 kHz，无负载

图9.VDC = 900 V，fSW   = 10 kHz，无负载

图7.VDC = 600 V，fSW   = 20 kHz，无负载

图10.VDC = 900 V，fSW   = 10 kHz，无负载

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

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。

图11.VDC = 200 V，fSW = 10   kHz，POUT   = 90.2 W

图14.VDC = 600 V，fSW = 10   kHz，POUT   = 791.1 W

图12.VDC = 600 V，fSW = 10   kHz，POUT   = 791.1 W

图15.VDC = 900 V，fSW = 10   kHz，POUT   1669.2 W

图13.VDC = 200 V，fSW = 10   kHz，POUT   = 90.2 W

图16.VDC = 900 V，fSW = 10   kHz，POUT   1669.2 W

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

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。

图17.VDC = 300 V，fSW = 10   kHz，POUT   = 1346.3 W

图19.VDC = 300 V，fSW = 10   kHz，POUT   = 1346.3 W

图18.VDC = 400 V，fSW = 10   kHz，POUT   = 2365.9 W

图20.VDC = 400 V，fSW = 10   kHz，POUT   = 2365.9 W

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

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。