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將ADuM4135柵極驅(qū)動(dòng)器與Microsemi APTGT75A120T1G 1200 V IGBT模塊配合使用

發(fā)布時(shí)間：2019-8-14 16:14 發(fā)布者：eechina

關(guān)鍵詞： ADuM4135 , 柵極驅(qū)動(dòng) , 充電器 , IGBT

Using the ADuM4135 Gate Driver with the Microsemi APTGT75A120T1G 1200 V IGBT Module

作者：Martin Murnane ADI公司

簡(jiǎn)介

絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)是適用于高壓應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)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(guān)模式電源(SMPS)應(yīng)用。開關(guān)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(shè)計(jì)選擇的。

本應(yīng)用筆記所述設(shè)計(jì)中的APTGT75A120 IGBT是快速溝槽器件，采用Microsemi Corporation®專有的視場(chǎng)光闌IGBT技術(shù)。該IGBT器件還具有低拖尾電流、高達(dá)20 kHz的開關(guān)頻率，以及由于對(duì)稱設(shè)計(jì)，具有低雜散電感的軟恢復(fù)并聯(lián)二極管。選定IGBT模塊的高集成度可在高頻率下提供最優(yōu)性能，并具有較低的結(jié)至外殼熱阻。

使用ADI公司的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)IGBT。ADuM4135柵極驅(qū)動(dòng)器是一款單通道器件，在>25 V的工作電壓下（VDD至VSS），典型驅(qū)動(dòng)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(dá)30 V的正向電源，因此，±15 V電源足以滿足此應(yīng)用。

圖1.ADuM4135柵極驅(qū)動(dòng)器模塊

測(cè)試設(shè)置

電氣設(shè)置

系統(tǒng)測(cè)試電路的電氣設(shè)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(jí)。輸出級(jí)為200 μH (L1)和50 μF (C2)的電感電容(LC)濾波器級(jí)，對(duì)輸出進(jìn)行濾波，傳送到2 Ω至30 Ω的負(fù)載(R1)。表1詳述了測(cè)試設(shè)置功率器件。U1是用于HV+和HV−的直流電源，T1和T2是單個(gè)IGBT模塊。
完整電氣設(shè)置如圖3所示，表2詳細(xì)列出了測(cè)試中使用的設(shè)備。

圖2.系統(tǒng)測(cè)試電路的電氣設(shè)置

表1.測(cè)試設(shè)置功率器件

設(shè)備	值
IGBT模塊，T1，T2	APTGT75A120T1G1
U1	200 V至900 V
電容C1	900 μF
電感L1	200 μH
電容C2	50 μF
負(fù)載電阻R1	2 Ω至30 Ω

表2.完整設(shè)置設(shè)備

設(shè)備	制造廠商	產(chǎn)品型號(hào)
示波器	Agilent	DSO-X 3024A，200 MHz
直流電源	Delta Elektronika	SN660-AR-11（兩個(gè)串行）
柵極驅(qū)動(dòng)器板	WATT&WELL	ADUM4135-WW-MS-02 SN001
波形發(fā)生器	Agilent	33522A
電流探針	Hioki	3275
電流探針	Hioki	3276
無源電壓探針	Keysight	N2873A，500 MHz
無源高電壓探針	Elditest	GE3421，100 MHz
高壓差分探針	Tektronix	P5200
高壓差分探針	Testec	TT-SI 9110
熱攝像頭	Optris	PI 160

圖3.柵極驅(qū)動(dòng)器配電板測(cè)試的連接圖

測(cè)試結(jié)果

無負(fù)載測(cè)試
在無負(fù)載測(cè)試設(shè)置中，在模塊輸出端汲取低輸出電流。在此應(yīng)用中，使用一個(gè)30 Ω的電阻。

表3顯示無負(fù)載的電氣測(cè)試設(shè)置的重要元件，且負(fù)載內(nèi)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(jié)了所觀察到的結(jié)果。圖5至圖10顯示各種電壓和開關(guān)頻率上的開關(guān)波形的測(cè)試結(jié)果。

如表3中所示，測(cè)試1和測(cè)試2在600 V電壓下執(zhí)行。測(cè)試1在10 kHz開關(guān)頻率下執(zhí)行，測(cè)試2在20 kHz開關(guān)頻率下執(zhí)行。測(cè)試3在900 V電壓下執(zhí)行，開關(guān)頻率為10 kHz。

圖4顯示無負(fù)載測(cè)試的電氣設(shè)置。

圖4.無負(fù)載測(cè)試的電氣設(shè)置

表3.無負(fù)載測(cè)試，對(duì)應(yīng)插圖

測(cè)試	直流電壓，VDC1，(V)	開關(guān)頻率，fSW，(kHz)	占空比(%)	IIN2 (A)	參考圖
1	600	10	50	0.007	圖5和圖6
2	600	20	50	0.013	圖7和圖8
3	900	10	50	0.009	圖9和圖10

1 VDC是HV+和HV−電壓。
2 IIN表示通過U1的輸入電流。

表4.無負(fù)載測(cè)試，溫度總結(jié)1

測(cè)試	VDC (V)	fSW (kHz)	溫度		DC-DC電源溫度		柵極驅(qū)動(dòng)器溫度
測(cè)試	VDC (V)	fSW (kHz)	環(huán)境(°C)	散熱器(°C)	高邊(°C)2	低邊(°C)2	高邊(°C)	低邊(°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       所有溫度都通過熱攝像頭記錄。
2       從變壓器測(cè)得。

開關(guān)IGBT的性能圖
此部分測(cè)試結(jié)果顯示不同目標(biāo)電壓下的開關(guān)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(fù)載圖8.VDC = 600 V，fSW = 20 kHz，無負(fù)載

圖6.VDC = 600 V，fSW = 10 kHz，無負(fù)載圖9.VDC = 900 V，fSW = 10 kHz，無負(fù)載

圖7.VDC = 600 V，fSW = 20 kHz，無負(fù)載圖10.VDC = 900 V，fSW = 10 kHz，無負(fù)載

負(fù)載測(cè)試

測(cè)試配置類似于圖2所示的測(cè)試設(shè)置。表5總結(jié)了觀察到的結(jié)果，圖11至圖16顯示各種電壓、頻率和負(fù)載下的測(cè)試性能和結(jié)果。
測(cè)試4在200 V、10 kHz開關(guān)頻率下執(zhí)行，占空比為25%。測(cè)試5在600 V、10 kHz開關(guān)頻率下執(zhí)行，占空比為25%。測(cè)試6在900 V、10 kHz開關(guān)頻率下執(zhí)行，占空比為25%。

表5.負(fù)載測(cè)試

測(cè)試	VDC (V)	fSW (kHz)	占空比(%)	IOUT1 (A)	VOUT2 (V)	POUT3 (W)	IIN (A)	參考圖
4	200	10	25	1.8	49.3	90.2	0.55	圖11和圖13
5	600	10	25	5.4	146.5	791.1	1.62	圖12和圖14
6	900	10	25	7.8	214	1669.2	2.5	圖15和圖16

1       IOUT是負(fù)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(guān)IGBT的性能圖和無負(fù)載測(cè)試

此部分測(cè)試結(jié)果顯示fSW = 10 kHz和20 kHz的不同目標(biāo)電壓下的開關(guān)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(cè)試

測(cè)試配置類似于圖3中所示的物理設(shè)置。表6總結(jié)了觀察到的結(jié)果，圖17至圖20顯示各種電壓、頻率和負(fù)載下的測(cè)試性能和結(jié)果。

輸出負(fù)載電阻視各個(gè)測(cè)試而異，如表1所示，其中2 Ω到30 Ω負(fù)載用于改變電流。測(cè)量VOUT，也就是R1兩端的電壓。
測(cè)試7在300 V、10 kHz開關(guān)頻率下執(zhí)行，占空比為25%。測(cè)試8在400 V、10 kHz開關(guān)頻率下執(zhí)行，占空比為25%。

表6.高電流測(cè)試

測(cè)試	VDC (V)	fSW (kHz)	占空比(%)	IOUT (A)	VOUT (V)	PIN1 (W)	IIN (A)	參考圖
7	300	10	25	19.6	68.7	1346.3	5	圖17和圖19
8	400	10	25	25.8	91.7	2365.9	6.6	圖18和圖20

1 PIN是輸入電源(IIN × VIN)，其中VIN是直流電源電壓。

開關(guān)IGBT的性能圖和負(fù)載測(cè)試

此部分測(cè)試結(jié)果顯示fSW = 10 kHz和20 kHz的不同目標(biāo)電壓下的開關(guān)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(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試電路的電氣設(shè)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(jí)。此設(shè)置用于測(cè)試去飽和檢測(cè)。在此應(yīng)用中，最大IC = 150 A，其中IC是通過T1和T2的電流。

高端開關(guān)IGBT (T1)被83 μH的電感旁路，T1開關(guān)必須關(guān)閉。

低端開關(guān)IGBT (T2)每500 ms被驅(qū)動(dòng)50 μs。

表7詳細(xì)列出了去飽和測(cè)試設(shè)置的功率器件。

圖22顯示電感L1中電流135 A時(shí)的開關(guān)動(dòng)作，圖23顯示電感L1中電流139 A時(shí)的去飽和檢測(cè)。

表7.功率器件去飽和測(cè)試的測(cè)試設(shè)置

設(shè)備	值
U1	0 V至80 V
C1	900 μF
L1	83 μH

圖21.系統(tǒng)測(cè)試電路的電氣設(shè)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(yīng)用原理圖

圖24.ADuM4135柵極驅(qū)動(dòng)器板原理圖

結(jié)論

ADuM4135柵極驅(qū)動(dòng)器具有優(yōu)異的電流驅(qū)動(dòng)能力，合適的電源范圍，還有100 kV/μs的強(qiáng)大CMTI能力，在驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)提供優(yōu)良的性能。

本應(yīng)用筆記中的測(cè)試結(jié)果提供的數(shù)據(jù)表明，ADuM4135評(píng)估板是驅(qū)動(dòng)IGBT的高壓應(yīng)用的解決方案。

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