具有自保护功能的IGBT厚膜集成电路HL402A（B）的原理及应用

　　1引言

　　绝缘栅控双极型晶体管IGBT的驱动问题是制约IGBT应用的关键技术之一。驱动电路性能不好，常常会造成功率IGBT的击穿和损坏。因此为解决IGBT的驱动问题，世界上各IGBT制造商都在生产IGBT的同时，配套生产了其专用栅极驱动集成电路或模块。如西门康公司的SKHI21、 SKHI22驱动模块、日本富士公司的EXB8系列、日本三菱公司的M579系列等。在国内大家比较注意和应用较多的是日本富士公司的EXB840、 EXB850、EXB841和日本东芝公司的M57962L、M57959L，但这些驱动器在工作频率超过30kHz时，其脉冲前后沿便变得较差，且内部采用印刷电路板设计，因此散热不是很好，加之提供负栅偏压的稳压管被封装在集成电路内部，这样就可能因该稳压管的损坏而使整个驱动芯片损坏，另外，由于稳压管的稳压值仅5V，这使得IGBT关断时负偏压偏低，从而导致该类栅极驱动芯片对IGBT驱动的不可靠，本文介绍的陕西高科电力电子有限责任公司生产的 HL402A（B）IG－BT驱动集成电路可以弥补EXB8系列和M579系列 IGBT驱动器的以上不足。

　　2 HL402A（B）简介

　　HL402驱动器是国家“八五”攻关新成果，为国家级新产品。它具有先降栅压、后软关断的双重保护功能，其降栅压延迟时间、降栅压时间、软关断斜率均可通过外接电容器进行整定，因而能适应不同饱和压降IGBT的驱动和保护。它的研制成功填补了国内空白，达到了国际90年代的先进水平。

　　2．1引脚排列及功能

　　HL402的外形尺寸及引脚排列如图1所示。它采用单列直插式标准17引脚厚膜集成电路封装，共有15个引脚。各引脚的功能如下：

　　●引脚17：内置静电屏蔽层的高速光耦合器阳极连接端。应用中通过一电阻接正电源，亦可通过一电阻接用户脉冲形成单元输出端，要求提供的电流幅值为12mA，无论是接用户脉冲形成部分的输出还是接正电源，串入的电阻值均可按下式计算：

　　R＝VIN－2V／12mA（kΩ）

　　●引脚16：内置静电屏蔽层的高速光耦合器阴极连接端。应用中直接接用户脉冲形成部分的输出（当引脚17通过电阻接正电源时），亦可直接与控制脉冲形成部分的地相连接（当引脚17接脉冲形成部分的脉冲输出时）。

　　●引脚2：被驱动的IGBT脉冲功率放大输出级正电源连接端。应用中接驱动输出级电源，要求提供的电压为25～28V。

　　●引脚4：被驱动的IGBT脉冲功率放大输出级正电源参考地端。

　　●引脚5、10：为软关断斜率电容器C5连接端（其引脚10在HL202内部已与引脚4接通）。该两端所接电容量的大小决定着被驱动的IGBT软关断斜率的快慢，推荐值为1000～3000pF。

　　●引脚11、10：降栅压延迟时间电容器C6的连接端。该两端所接电容器电容量的大小决定着降栅压延迟时间的长短，该电容的推荐值为0～200pF，当该电容的容量较大时，短路电流峰值也较大，所以此电容一般可不接。

　　●引脚12、10：降栅压时间定时电容器C7的连接端。当该电容器较大时，经过较长的降栅压时间后，被驱动的IGBT才关断，这意味着造成被驱动的IGBT损坏的危险性将增加。所以C7的值不能取得太大，但也不能取得太小，过小的C7将造成被驱动的IGBT快速降栅压后关断，这有可能导致回路中的电感因被驱动的IGBT快速关断而引起过高的尖峰过电压，从而击穿被驱动的IGBT，所以C7的取值要适当，一般推荐值为510～1500pF。

　　●引脚1：驱动输出脉冲负极连接端。使用时，接被驱动IGBT的发射极。

　　●引脚3：驱动输出脉冲正极连接端。使用中经电阻RG后直接接被驱动IGBT的栅极。电阻RG的取值随被驱动IGBT容量的不同而不同，当被驱动的IGBT为50A／1200V时，RG的典型值应为0～20Ω／1W。

　　●引脚9：降栅压信号输入端。使用中需经快恢复二极管接至被驱动IGBT的集电极，当需要降低动作门限电压值时，可再反串一个稳压二极管（稳压管的阴极接引脚9）。需要注意的是：该快恢复二极管必须是高压、超高速快恢复型，其恢复时间应不超过50ns，经反串稳压二极管后，原来的动作门限电压（8．5V）减去稳压管的稳压值即为新的门限电压。降栅压功能可通过将引脚13与引脚10相短接而删除。

　　●引脚6：软关断报警信号输出端，最大负载能力为20mA。它可作为被驱动的输入信号的封锁端，可通过光耦合器（引脚6接光耦合器阴极）来封锁控制脉冲形成部分的脉冲输出，亦可通过光耦合器来带动继电器，从而分断被驱动IGBT所在的主电路。

　　●引脚8：降栅压报警信号输出端，最大输出电流为5mA。该端可通过光耦合器（引脚8接光耦合器阴极）来封锁控制脉冲形成部分的脉冲输出，亦可通过光耦合器来带动继电器，从而分断被驱动的IGBT所在的主回路。

　　●引脚5：软关断斜率电容器C5的接线端及驱动信号的封锁信号引入端。使用中，可通过光耦合器的二次侧并联在C5两端（集电极接引脚5，发射极接引脚10，发光二极管接用户集中封锁信号输入）来直接封锁被驱动IGBT的脉冲输出。

　　●引脚7：空脚，使用时悬空。

　　1引言

　　绝缘栅控双极型晶体管IGBT的驱动问题是制约IGBT应用的关键技术之一。驱动电路性能不好，常常会造成功率IGBT的击穿和损坏。因此为解决IGBT的驱动问题，世界上各IGBT制造商都在生产IGBT的同时，配套生产了其专用栅极驱动集成电路或模块。如西门康公司的SKHI21、 SKHI22驱动模块、日本富士公司的EXB8系列、日本三菱公司的M579系列等。在国内大家比较注意和应用较多的是日本富士公司的EXB840、 EXB850、EXB841和日本东芝公司的M57962L、M57959L，但这些驱动器在工作频率超过30kHz时，其脉冲前后沿便变得较差，且内部采用印刷电路板设计，因此散热不是很好，加之提供负栅偏压的稳压管被封装在集成电路内部，这样就可能因该稳压管的损坏而使整个驱动芯片损坏，另外，由于稳压管的稳压值仅5V，这使得IGBT关断时负偏压偏低，从而导致该类栅极驱动芯片对IGBT驱动的不可靠，本文介绍的陕西高科电力电子有限责任公司生产的 HL402A（B）IG－BT驱动集成电路可以弥补EXB8系列和M579系列 IGBT驱动器的以上不足。

　　2 HL402A（B）简介

　　HL402驱动器是国家“八五”攻关新成果，为国家级新产品。它具有先降栅压、后软关断的双重保护功能，其降栅压延迟时间、降栅压时间、软关断斜率均可通过外接电容器进行整定，因而能适应不同饱和压降IGBT的驱动和保护。它的研制成功填补了国内空白，达到了国际90年代的先进水平。

　　2．1引脚排列及功能

　　HL402的外形尺寸及引脚排列如图1所示。它采用单列直插式标准17引脚厚膜集成电路封装，共有15个引脚。各引脚的功能如下：

　　●引脚17：内置静电屏蔽层的高速光耦合器阳极连接端。应用中通过一电阻接正电源，亦可通过一电阻接用户脉冲形成单元输出端，要求提供的电流幅值为12mA，无论是接用户脉冲形成部分的输出还是接正电源，串入的电阻值均可按下式计算：

　　R＝VIN－2V／12mA（kΩ）

　　●引脚16：内置静电屏蔽层的高速光耦合器阴极连接端。应用中直接接用户脉冲形成部分的输出（当引脚17通过电阻接正电源时），亦可直接与控制脉冲形成部分的地相连接（当引脚17接脉冲形成部分的脉冲输出时）。

　　●引脚2：被驱动的IGBT脉冲功率放大输出级正电源连接端。应用中接驱动输出级电源，要求提供的电压为25～28V。

　　●引脚4：被驱动的IGBT脉冲功率放大输出级正电源参考地端。

　　●引脚5、10：为软关断斜率电容器C5连接端（其引脚10在HL202内部已与引脚4接通）。该两端所接电容量的大小决定着被驱动的IGBT软关断斜率的快慢，推荐值为1000～3000pF。

　　●引脚11、10：降栅压延迟时间电容器C6的连接端。该两端所接电容器电容量的大小决定着降栅压延迟时间的长短，该电容的推荐值为0～200pF，当该电容的容量较大时，短路电流峰值也较大，所以此电容一般可不接。

　　●引脚12、10：降栅压时间定时电容器C7的连接端。当该电容器较大时，经过较长的降栅压时间后，被驱动的IGBT才关断，这意味着造成被驱动的IGBT损坏的危险性将增加。所以C7的值不能取得太大，但也不能取得太小，过小的C7将造成被驱动的IGBT快速降栅压后关断，这有可能导致回路中的电感因被驱动的IGBT快速关断而引起过高的尖峰过电压，从而击穿被驱动的IGBT，所以C7的取值要适当，一般推荐值为510～1500pF。

　　●引脚1：驱动输出脉冲负极连接端。使用时，接被驱动IGBT的发射极。

　　●引脚3：驱动输出脉冲正极连接端。使用中经电阻RG后直接接被驱动IGBT的栅极。电阻RG的取值随被驱动IGBT容量的不同而不同，当被驱动的IGBT为50A／1200V时，RG的典型值应为0～20Ω／1W。

　　●引脚9：降栅压信号输入端。使用中需经快恢复二极管接至被驱动IGBT的集电极，当需要降低动作门限电压值时，可再反串一个稳压二极管（稳压管的阴极接引脚9）。需要注意的是：该快恢复二极管必须是高压、超高速快恢复型，其恢复时间应不超过50ns，经反串稳压二极管后，原来的动作门限电压（8．5V）减去稳压管的稳压值即为新的门限电压。降栅压功能可通过将引脚13与引脚10相短接而删除。

　　●引脚6：软关断报警信号输出端，最大负载能力为20mA。它可作为被驱动的输入信号的封锁端，可通过光耦合器（引脚6接光耦合器阴极）来封锁控制脉冲形成部分的脉冲输出，亦可通过光耦合器来带动继电器，从而分断被驱动IGBT所在的主电路。

　　●引脚8：降栅压报警信号输出端，最大输出电流为5mA。该端可通过光耦合器（引脚8接光耦合器阴极）来封锁控制脉冲形成部分的脉冲输出，亦可通过光耦合器来带动继电器，从而分断被驱动的IGBT所在的主回路。

　　●引脚5：软关断斜率电容器C5的接线端及驱动信号的封锁信号引入端。使用中，可通过光耦合器的二次侧并联在C5两端（集电极接引脚5，发射极接引脚10，发光二极管接用户集中封锁信号输入）来直接封锁被驱动IGBT的脉冲输出。

　　●引脚7：空脚，使用时悬空。

　　2．2工作原理

　　HL402的原理框图如图2所示。图中，VL1为带静电屏蔽的光耦合器，用来实现与输入信号的隔离。由于它具有静电屏蔽功能，因而显著提高了HL402的抗共模干扰能力。图中的V2为脉冲放大器，晶体管V3、V4可用于实现驱动脉冲功率放大，V5为降栅压比较器，正常情况下由于引脚9输入的IGBT集电极电压VCE不高于V5的基准电压VREF而使得V5不翻转，晶体管V6不导通，故从引脚17、16输入的驱动脉冲信号经V2整形后不被封锁。该驱动脉冲经V3、V4放大后提供给被驱动的IGBT以使之导通或关断。一旦被驱动的IGBT退饱和，则引脚9输入的集电极电压取样信号VCE将高于V5的基准电压VREF，从而使比较器V5翻转后输出高电平，使晶体管V6导通，并由稳压管VD2将驱动器输出的栅极电压VGE降低到10V。此时，软关断定时器V8在降栅压比较器V5翻转达到设定的时间后，输出正电压使晶体管V7导通，并将栅极电压关断降到IGBT的栅极－发射极门槛电压，以便给被驱动的IGBT提供一个负的驱动电压，从而保证被驱动的IGBT可靠关断。

　　3 主要参数

　　由于HL402内含一个具有静电屏蔽层的高速光耦合器，因而可以实现信号隔离，它抗干扰能力强，响应速度快，隔离电压高。并具有对被驱动功率IGBT进行降栅压、软关断的双重保护功能。在软关断及降栅压的同时还将输出报警信号，以实现对封锁脉冲或分断主回路的保护。它的输出驱动电压幅值很高，其正向驱动电压可达15～17V，负向驱动电压可达10～12V，因而可用来直接驱动容量为 150A／1200V以下的功率IGBT。

　　3．1 极限参数

　　HL402的极限参数如下：

　　●供电电压VC：30V（VCC为15～18V，VEE为－10～－12V）；

　　●光耦输入峰值电流If：20mA；

　　●正向输出电流＋IG：2A（脉宽＜2μs、频率为40kHz、占空比＜0．05时）；

　　●负向输出电流－IG：2A（脉宽＜2μs、频率为40kHz、占空比＜0．05时）；

　　●输入、输出隔离电压Viso：2500V（工频1min）。

　　HL402的电源电压VC的推荐值为25V（VCC＝＋15V，VEE＝10V）；光耦合器输入峰值电流If为10～12mA。

　　3．2主要电参数

　　下面是HL402的主要电参数：

　　●输出正向驱动电压＋VG：≥VCC－1V；

　　●输出负向驱动电压－VC：≥VEE－1V；

　　●输出正向电压响应时间tON≤1μs（输入信号上升沿＜0．1μs，If＝0→10mA）；

　　●输出负电压响应时间toff≤1μs（输入下降沿＜0．1μs，If＝10→0mA）；

　　●软关断报警信号延迟时间tALM1：＜1μs（不包括光耦合器LV3的延迟），输出电流＜20mA；

　　●降栅压报警信号延迟时间tALM2：＜1μs（不包括光耦合器LV2的延迟），输出电流＜5mA；

　　●降栅压动作门槛电压VCE：8±0．5V；

　　●软关断动作门槛电压VCE：8．5±0．8V；

　　●降栅压幅值：8～10V。

　　4 典型应用电路

　　HL402的典型接线如图3所示。但图中的C1、C2、C3、C4应尽可能地靠近引脚2、1、4安装。

　　为尽可能避免高频耦合及电磁干扰，由HL402输出到被驱动IGBT栅－射极的引线应采用双绞线或同轴电缆屏蔽线，其引线长度应不超过1m。

　　由HL402的引脚9、13接至IGBT集电极的引线必须单独分开走，不得与栅极和发射极引线绞合，以免引起交叉干扰。

　　在图3典型接线图中，光耦合器VL1可输入脉冲封锁信号，当VL1导通时，HL402输出脉冲将立即被封锁至－10V。光耦合器VL2用于提供软关断报警信号，它在驱动器软关断的同时还将导通光耦合器VL3，以提供降栅压报警信号。

　　在不需封锁和报警信号时，VL1、VL2及VL3可不接。

　　在高频应用时，为了避免IGBT受到多次过电流冲击，可在光耦合器VL2输出数次或一次报警信号后，将输入引脚16、17间的信号封锁。

　　使用中，通过调整电容器C5、C6、C7的值，可以将保护波形中的降栅压延迟时间t1、降栅压时间t2、软关断斜率时间t3调整至合适的值。

　　对于低饱和压降的IGBT（VCES≤2．5V），可不接降栅压延迟时间电容器C6，这样可使降栅压延迟时间t1最小。在这种情况下，当降栅压时间定时电容器C7为750pF时，可得到的降栅压定时时间为6μs。软关断斜率电容C5可取100pF左右，由此决定的软关断时间t3为2μs。

　　对于中饱和压降的IGBT（2．5≤VCES≤3．5V），一般推荐C6取0～100pF，降栅压延迟时间t1为1μs，在C5取1500pF，C7取1000pF时，降栅压时间t2为8μs，而软关断时间t3为3μs。

　　对于高饱和压降的IGBT（VCES≥3．5V），C5、C6、C7的推荐值分别为：C5取3000pF，C6取200pF，C7取1200pF，此时降栅压延迟时间t1约为2μs，降栅压时间t2约为10μs，软关断时间t3约为4μs。

　　在高频使用场合，出现软关断时能够封锁输入信号的应用电路如图4所示。图中，LM555在电源合闸时置“1”，输入信号VIN通过与门4081进入HL402的引脚17、16。当出现软关断时，光耦合器VL1导通，晶体管V2截止，V2集电极电压经10kΩ电阻、330pF电容延迟5μs后，使LM555置“0”，并通过与门4081将输入信号封锁。此电路延迟5μs动作是为了使IGBT软关断后再停止输入信号，以避免立即停止输入信号而可能造成的硬关断。图中，C1、C3的典型值为0．1μF，C2、C4为100μF／25V，VD4、VD5可取0．5V。

　　5 其它应用电路

　　HL402的优良性能决定了它可在一切主功率器件为IGBT的电力电子变流系统中用作驱动电路，以完成对IGBT的最优驱动，防止IGBT因驱动电路不理想而造成损坏。本文列举几个例子来说明其在电力电子变流系统中的应用。

　　5．1开关电源系统中的应用电路

　　功率开关电源是通信、邮电、电力等领域的常用设备。过去，开关电源的主功率器件一般都用MOS－FET，由于半导体材料及工艺水平的制约，至今功率 MOSFET要么就是低压大电流（如200A、50V），要么就是高压小电流（如10A、1000V），这就为制作大功率开关电源应用功率IGBT展现了广阔的前景。图5给出了应用四只HL402来完成开关电源系统中四只功率IGBT驱动的开关电源系统电路原理图。图中IGBT的驱动脉冲由SG3526来产生，HL为霍尔电流传感器，可用来进行过电流及短路等故障保护。

　　5．2直流斩波电源系统中的应用

　　直流斩波系统是直流调速系统中的常用方案，随着功率IGBT容量的不断扩大，HL402在直流斩波系统中的应用展现了广阔的前景。它可在此类系统中完成功率IGBT的驱动。图6给出了直流斩波调速系统中应用HL402驱动IGBT的原理图。该系统是闭环稳速系统，其速度的反馈信号来自测速传感器。可通过调节PWM调制器TL494输出的PWM脉冲宽度来实现直流电动机转速的调节，这使得本系统电路可获得很宽的调速范围和较高的调速精度。