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

时间:2019-08-13 16:36来源:21Dianyuan

摘要:本应用笔记所述设计中的APTGT75A120IGBT是快速沟槽器件,采用MicrosemiCorporation®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。

本文作者:Martin Murnane   ADI公司
 
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
设备
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
 
 
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
测试 直流电压
V
DC1(V)
开关频率
f
SW,(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。
 
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
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。

 图11.VDC = 200 V,fSW = 10 kHz,
P
OUT
 = 90.2 W
 
图14.VDC = 600 V,fSW = 10 kHz,
P
OUT = 791.1 W 

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

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

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

图16.VDC = 900 V,fSW = 10 kHz,
P
OUT 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
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,
P
OUT
 = 1346.3 W
 图19.VDC = 300 V,fSW = 10 kHz,
P
OUT = 1346.3 W

 
图18.VDC = 400 V,fSW = 10 kHz,
P
OUT = 2365.9 W 
 图20.VDC = 400 V,fSW = 10 kHz,
P
OUT = 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
设备
U1 0 V至80 V
C1 900 μF
L1 83 μH
 
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。
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