將ADuM4135柵極驅動器與Microsemi APTGT75A120T1G 1200 V IGBT模塊配合使用

簡介

絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)是適用于高壓應用的經濟高效型解決方案，如車載充電器、非車載充電器、DC-DC快速充電器、開關模式電源(SMPS)應用。開關頻率范圍：直流至100 kHz。IGBT可以是單一器件，甚至是半橋器件，如為圖1所示設計選擇的。

本應用筆記所述設計中的APTGT75A120 IGBT是快速溝槽器件，采用Microsemi Corporation?專有的視場光闌IGBT技術。該IGBT器件還具有低拖尾電流、高達20 kHz的開關頻率，以及由于對稱設計，具有低雜散電感的軟恢復并聯二極管。選定IGBT模塊的高集成度可在高頻率下提供最優性能，并具有較低的結至外殼熱阻。

使用ADI公司的柵極驅動技術驅動IGBT。ADuM4135柵極驅動器是一款單通道器件，在>25 V的工作電壓下（VDD至VSS），典型驅動能力為7 A源電流和灌電流。該器件具有最小100 kV/μs的共模瞬變抗擾度(CMTI)。ADuM4135可以提供高達30 V的正向電源，因此，±15 V電源足以滿足此應用。

圖1.ADuM4135柵極驅動器模塊

測試設置

電氣設置

系統測試電路的電氣設置如圖2所示。直流電壓施加于半橋兩端的輸入，900 μF (C1)的解耦電容添加到輸入級。輸出級為200 μH (L1)和50 μF (C2)的電感電容(LC)濾波器級，對輸出進行濾波，傳送到2 Ω至30 Ω的負載(R1)。表1詳述了測試設置功率器件。U1是用于HV+和HV?的直流電源，T1和T2是單個IGBT模塊。

完整電氣設置如圖3所示，表2詳細列出了測試中使用的設備。

圖2.系統測試電路的電氣設置

表1.測試設置功率器件

表2.完整設置設備

圖3.柵極驅動器配電板測試的連接圖

測試結果

無負載測試

在無負載測試設置中，在模塊輸出端汲取低輸出電流。在此應用中，使用一個30 Ω的電阻。

表3顯示無負載的電氣測試設置的重要元件，且負載內的電流低。表4顯示在模塊上觀察到的溫度。表3和表4總結了所觀察到的結果。圖5至圖10顯示各種電壓和開關頻率上的開關波形的測試結果。

如表3中所示，測試1和測試2在600 V電壓下執行。測試1在10 kHz開關頻率下執行，測試2在20 kHz開關頻率下執行。測試3在900 V電壓下執行，開關頻率為10 kHz。

圖4顯示無負載測試的電氣設置。

圖4.無負載測試的電氣設置

表3.無負載測試，對應插圖

1      VDC是HV+和HV?電壓。

2      IIN表示通過U1的輸入電流。

表4.無負載測試，溫度總結¹

1      所有溫度都通過熱攝像頭記錄。

2      從變壓器測得。

開關IGBT的性能圖

此部分測試結果顯示不同目標電壓下的開關波形，其中fSW = 10 kHz和20 kHz。VDS是漏極-源極電壓，VGS是柵極-源極電壓。

圖5.VDC = 600 V，fSW   = 10 kHz，無負載

圖8.VDC = 600 V，fSW   = 20 kHz，無負載

圖6.VDC = 600 V，fSW   = 10 kHz，無負載

圖9.VDC = 900 V，fSW   = 10 kHz，無負載

圖7.VDC = 600 V，fSW   = 20 kHz，無負載

圖10.VDC = 900 V，fSW   = 10 kHz，無負載

負載測試

測試配置類似于圖2所示的測試設置。表5總結了觀察到的結果，圖11至圖16顯示各種電壓、頻率和負載下的測試性能和結果。

測試4在200 V、10 kHz開關頻率下執行，占空比為25%。測試5在600 V、10 kHz開關頻率下執行，占空比為25%。測試6在900 V、10 kHz開關頻率下執行，占空比為25%。

表5.負載測試

1      IOUT是負載電阻R1中的輸出電流。

2      VOUT是R1兩端的輸出電壓。

3      POUT是輸出功率(IOUT × VOUT)。

開關IGBT的性能圖和無負載測試

此部分測試結果顯示fSW = 10 kHz和20 kHz的不同目標電壓下的開關波形。

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

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

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

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

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

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

高電流測試

測試配置類似于圖3中所示的物理設置。表6總結了觀察到的結果，圖17至圖20顯示各種電壓、頻率和負載下的測試性能和結果。

輸出負載電阻視各個測試而異，如表1所示，其中2 Ω到30 Ω負載用于改變電流。測量VOUT，也就是R1兩端的電壓。

測試7在300 V、10 kHz開關頻率下執行，占空比為25%。測試8在400 V、10 kHz開關頻率下執行，占空比為25%。

表6.高電流測試

1      PIN是輸入電源(IIN × VIN)，其中VIN是直流電源電壓。

開關IGBT的性能圖和負載測試

此部分測試結果顯示fSW = 10 kHz和20 kHz的不同目標電壓下的開關波形。

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

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

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

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

去飽和測試

系統測試電路的電氣設置如圖21所示。直流電壓施加于半橋兩端的輸入，900 μF的解耦電容添加到輸入級。此設置用于測試去飽和檢測。在此應用中，最大IC = 150 A，其中IC是通過T1和T2的電流。

高端開關IGBT (T1)被83 μH的電感旁路，T1開關必須關閉。

低端開關IGBT (T2)每500 ms被驅動50 μs。

表7詳細列出了去飽和測試設置的功率器件。

圖22顯示電感L1中電流135 A時的開關動作，圖23顯示電感L1中電流139 A時的去飽和檢測。

表7.功率器件去飽和測試的測試設置

圖21.系統測試電路的電氣設置

圖22.VDC < 68 V，fSW = 2 Hz，占空比 = 0.01%

圖23.VDC > 68 V，fSW = 2 Hz，占空比 = 0.01%

應用原理圖

圖24.ADuM4135柵極驅動器板原理圖

結論

ADuM4135柵極驅動器具有優異的電流驅動能力，合適的電源范圍，還有100 kV/μs的強大CMTI能力，在驅動IGBT時提供優良的性能。

本應用筆記中的測試結果提供的數據表明，ADuM4135評估板是驅動IGBT的高壓應用的解決方案。