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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	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

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(%)	I_IN² (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	V_DC (V)	f_SW (kHz)	温度		DC-DC电源温度		栅极驱动器温度
测试	V_DC (V)	f_SW (kHz)	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.V_DC = 600 V，f_SW = 10 kHz，无负载	图8.V_DC = 600 V，f_SW = 20 kHz，无负载
图6.V_DC = 600 V，f_SW = 10 kHz，无负载	图9.V_DC = 900 V，f_SW = 10 kHz，无负载
图7.V_DC = 600 V，f_SW = 20 kHz，无负载	图10.V_DC = 900 V，f_SW = 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	V_DC (V)	f_SW (kHz)	占空比 (%)	I_OUT¹ (A)	V_OUT² (V)	P_OUT³ (W)	I_IN (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.V_DC = 200 V，f_SW = 10 kHz， P_OUT = 90.2 W	图14.V_DC = 600 V，f_SW = 10 kHz， P_OUT = 791.1 W
图12.V_DC= 600 V，f_SW = 10 kHz， P_OUT = 791.1 W	图15.V_DC = 900 V，f_SW = 10 kHz， P_OUT 1669.2 W
图13.V_DC = 200 V，f_SW = 10 kHz， P_OUT = 90.2 W	图16.V_DC = 900 V，f_SW = 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	V_DC (V)	f_SW (kHz)	占空比(%)	I_OUT (A)	V_OUT (V)	P_IN¹ (W)	I_IN (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.V_DC = 300 V，f_SW = 10 kHz， P_OUT = 1346.3 W	图19.V_DC = 300 V，f_SW = 10 kHz， P_OUT = 1346.3 W
图18.V_DC = 400 V，f_SW = 10 kHz， P_OUT = 2365.9 W	图20.V_DC = 400 V，f_SW = 10 kHz， P_OUT = 2365.9 W