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100kHz。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20kHz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>25V的工作电压下(VDD至VSS)，典型驱动能力为7A源电流和灌电流。该器件具有最小100kV/μs的共模瞬变抗扰度(CMTI)。ADuM4135可以提供高达30V的正向电源，因此，±15V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，900µF(C1)的解耦电容添加到输入级。输出级为200µH(L1)和50µF(C2)的电感电容(LC)滤波器级，对输出进行滤波，传送到2Ω至30Ω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30Ω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10kHz开关频率下执行，测试2在20kHz开关频率下执行。测试3在900V电压下执行，开关频率为10kHz。
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.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=10kHz和20kHz。VDS是漏极-源极电压，VGS是栅极-源极电压。
图5.VDC=600V，fSW=10kHz，无负载
图8.VDC=600V，fSW=20kHz，无负载
图6.VDC=600V，fSW=10kHz，无负载
图9.VDC=900V，fSW=10kHz，无负载
图7.VDC=600V，fSW=20kHz，无负载
图10.VDC=900V，fSW=10kHz，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200V、10kHz开关频率下执行，占空比为25%。测试5在600V、10kHz开关频率下执行，占空比为25%。测试6在900V、10kHz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=10kHz和20kHz的不同目标电压下的开关波形。
图11.VDC=200V，fSW=10kHz，POUT=90.2W
图14.VDC=600V，fSW=10kHz，POUT=791.1W
图12.VDC=600V，fSW=10kHz，POUT=791.1W
图15.VDC=900V，fSW =10kHz，POUT=1669.2W
图13.VDC=200V，fSW=10kHz，POUT=90.2W
图16.VDC=900V，fSW=10kHz，POUT=1669.2W
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2Ω到30Ω负载用于改变电流。测量VOUT，也就是R1两端的电压。
测试7在300V、10kHz开关频率下执行，占空比为25%。测试8在400V、10kHz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=10kHz和20kHz的不同目标电压下的开关波形。
图17.VDC=300V，fSW=10kHz，POUT=1346.3W
图19.VDC=300V，fSW=10kHz，POUT=1346.3W
图18.VDC=400V，fSW=10kHz，POUT=2365.9W
图20.VDC=400V，fSW=10kHz，POUT=2365.9W
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，900µF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=150A，其中IC是通过T1和T2的电流。
高端开关IGBT(T1)被83μH的电感旁路，T1开关必须关闭。
低端开关IGBT(T2)每500ms被驱动50μs。
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135A时的开关动作，图23显示电感L1中电流139A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<68V，fSW=2Hz，占空比=0.01%
图23.VDC>68V，fSW=2Hz，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100kV/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。
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