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

关键词:栅极驱动器 IGBT模块 加载充电器

时间:2019-08-13 13:27:57       作者:Martin Murnane       来源:ADI公司

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,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。

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。

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。

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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