AN-1602: 将ADuM4135栅极驱动器与Microsemi APTGT75A120T1G 1200 V IGBT模块

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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。

Figure 1. ADuM4135 Gate Driver Module
图1. ADuM4135栅极驱动器模块

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。

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。

Figure 2. Electrical Setup of the System Test Circuit
图2. 系统测试电路的电气设置

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。

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
Figure 3. Connection Diagram for Gate Driver Power Board Testing
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。

Figure 4. Electrical Setup for No Load Testing
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。

Figure 5. VDC = 600 V, fSW = 10 kHz, No Load
图 5. VDC = 600 V，fSW = 10 kHz，无负载
Figure 6. VDC = 600 V, fSW = 10 kHz, No Load
图 6. VDC = 600 V，fSW = 10 kHz，无负载
Figure 7. VDC = 600 V, fSW = 20 kHz, No Load
图 7. VDC = 600 V，fSW = 20 kHz，无负载
Figure 8. VDC = 600 V, fSW = 20 kHz, No Load
图 8. VDC = 600 V， fSW = 20 kHz，无负载
Figure 9. VDC = 900 V, fSW = 10 kHz, No Load
图 9. VDC = 900 V， fSW = 10 kHz，无负载
Figure 10. VDC = 900 V, fSW = 10 kHz, No Load
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
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。

Figure 11. VDC = 200 V, fSW = 10 kHz, POUT = 90.2 W
图11. VDC = 200 V, fSW = 10 kHz, POUT = 90.2 W
Figure 12. VDC = 600 V, fSW = 10 kHz, POUT = 791.1 W
图12. VDC = 600 V, fSW = 10 kHz, POUT = 791.1 W
Figure 13. VDC = 200 V, fSW = 10 kHz, POUT = 90.2 W
图13. VDC = 200 V, fSW = 10 kHz, POUT = 90.2 W
Figure 14. VDC = 600 V, fSW = 10 kHz, POUT = 791.1 W
图14. VDC = 600 V, fSW = 10 kHz, POUT = 791.1 W
Figure 15. VDC = 900 V, fSW = 10 kHz, POUT 1669.2 W
图15. VDC = 900 V, fSW = 10 kHz, POUT 1669.2 W
Figure 16. VDC = 900 V, fSW = 10 kHz, POUT 1669.2 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
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

1PIN 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。

Figure 17. VDC = 300 V, fSW = 10 kHz, POUT = 1346.3 W
图17. VDC = 300 V, fSW = 10 kHz, POUT = 1346.3 W
Figure 18. VDC = 400 V, fSW = 10 kHz, POUT = 2365.9 W
图18. VDC = 400 V, fSW = 10 kHz, POUT = 2365.9 W
Figure 19. VDC = 300 V, fSW = 10 kHz, POUT = 1346.3 W
图19. VDC = 300 V, fSW = 10 kHz, POUT = 1346.3 W
Figure 20. 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。

Figure 21. Electrical Setup of the System Test Circuit
图21. 系统测试电路的电气设置

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 900μF
L1 83 μH
Figure 22. VDC < 68 V, fSW = 2 Hz, Duty Cycle = 0.01%
图 22. VDC < 68 V, fSW = 2 Hz, 占空比 = 0.01%
Figure 23. VDC > 68 V, fSW = 2 Hz, Duty Cycle = 0.01%
图 23. VDC > 68 V, fSW = 2 Hz, 占空比 = 0.01%

应用原理图

Figure 24. ADuM4135 Gate Driver Board Schematic
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。

作者

Martin Murnane

Martin Murnane

Martin Murnane是爱尔兰利默里克市ADI公司太阳能光伏团队成员，之前曾任职于ADI公司汽车团队。加入ADI公司之前，他曾从事过能源循环利用系统的应用开发 (Schaffner Systems)、基于Windows的应用软件/数据库开发 (Dell Computers) 以及采用应变片技术的产品开发 (BMS) 等领域的工作。他毕业于利默里克大学，获电子工程学士学位和工商管理硕士学位。