具有自保護(hù)功能的IGBT厚膜集成電路HL402A的原理及應(yīng)用

1、具有自保護(hù)功能的IGBT厚膜集成電路HL402A （B）的原理及應(yīng)用1引言絕緣柵控雙極型晶體管IGBT的驅(qū)動問題是制約IGBT應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。驅(qū)動電路性 能不好，常常會造成功率IGBT的擊穿和損壞。因此為解決IGBT的驅(qū)動問題，世界上各IGBT 制造商都在生產(chǎn)IGBT的同時(shí)，配套生產(chǎn)了其專用柵極驅(qū)動集成電路或模塊。如西門康公司的 SKHI21、SKHI22驅(qū)動模塊、日本富士公司的EXB8系列、日本三菱公司的M579系列等。在 國內(nèi)大家比較注意和應(yīng)用較多的是日本富士公司的EXB840、EXB850、EXB841和日本東芝公 司的M57962L、M57959L，但這些驅(qū)動器在工作頻率超過30k

2、Hz時(shí)，其脈沖前后沿便變得較差， 且內(nèi)部采用印刷電路板設(shè)計(jì)，因此散熱不是很好，加之提供負(fù)柵偏壓的穩(wěn)壓管被封裝在集成 電路內(nèi)部，這樣就可能因該穩(wěn)壓管的損壞而使整個(gè)驅(qū)動芯片損壞，另外，由于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓 值僅5V，這使得IGBT關(guān)斷時(shí)負(fù)偏壓偏低，從而導(dǎo)致該類柵極驅(qū)動芯片對IGBT驅(qū)動的不可靠， 本文介紹的陜西高科電力電子有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HL402A（B）IG-BT驅(qū)動集成電路可以彌 補(bǔ)EXB8系列和M579系列IGBT驅(qū)動器的以上不足。2 HL402A （B）簡介HL402驅(qū)動器是國家“八五”攻關(guān)新成果，為國家級新產(chǎn)品。它具有先降柵 壓、后軟關(guān)斷的雙重保護(hù)功能，其降柵壓延遲時(shí)間、降柵壓時(shí)間、軟關(guān)斷

3、斜率均可通過外接 電容器進(jìn)行整定，因而能適應(yīng)不同飽和壓降IGBT的驅(qū)動和保護(hù)。它的研制成功填補(bǔ)了國內(nèi)空 白，達(dá)到了國際90年代的先進(jìn)水平。2. 1引腳排列及功能HL402的外形尺寸及引腳排列。它采用單列直插式標(biāo)準(zhǔn)17引腳厚膜集成電路封裝，共有 15個(gè)引腳。各引腳的功能如下：引腳17：內(nèi)置靜電屏蔽層的高速光耦合器陽極連接端。應(yīng)用中通過一電阻接正電源， 亦可通過一電阻接用戶脈沖形成單元輸出端，要求提供的電流幅值為12mA，無論是接用戶脈 沖形成部分的輸出還是接正電源，串入的電阻值均可按下式計(jì)算：R=VIN2V / 12mA （k）引腳16：內(nèi)置靜電屏蔽層的高速光耦合器陰極連接端。應(yīng)用中直接接用戶脈

4、沖形成部 分的輸出（當(dāng)引腳17通過電阻接正電源時(shí)），亦可直接與控制脈沖形成部分的地相連接（當(dāng) 引腳17接脈沖形成部分的脈沖輸出時(shí)）。引腳2：被驅(qū)動的IGBT脈沖功率放大輸出級正電源連接端。應(yīng)用中接驅(qū)動輸出級電源， 要求提供的電壓為2528V。引腳4：被驅(qū)動的IGBT脈沖功率放大輸出級正電源參考地端。引腳5、10：為軟關(guān)斷斜率電容器C5連接端（其引腳10在HL202內(nèi)部已與引腳4接 通）。該兩端所接電容量的大小決定著被驅(qū)動的IGBT軟關(guān)斷斜率的快慢，推薦值為1000 3000pF。引腳11、10：降柵壓延遲時(shí)間電容器C6的連接端。該兩端所接電容器電容量的大小 決定著降柵壓延遲時(shí)間的長短，該電容的

5、推薦值為0200pF，當(dāng)該電容的容量較大時(shí)，短路 電流峰值也較大，所以此電容一般可不接。引腳12、10：降柵壓時(shí)間定時(shí)電容器C7的連接端。當(dāng)該電容器較大時(shí)，經(jīng)過較長的 降柵壓時(shí)間后，被驅(qū)動的IGBT才關(guān)斷，這意味著造成被驅(qū)動的IGBT損壞的危險(xiǎn)性將增加。 所以C7的值不能取得太大，但也不能取得太小，過小的C7將造成被驅(qū)動的IGBT快速降柵壓 后關(guān)斷，這有可能導(dǎo)致回路中的電感因被驅(qū)動的IGBT快速關(guān)斷而引起過高的尖峰過電壓，從 而擊穿被驅(qū)動的IGBT，所以C7的取值要適當(dāng)，一般推薦值為5101500pF。引腳1：驅(qū)動輸出脈沖負(fù)極連接端。使用時(shí)，接被驅(qū)動IGBT的發(fā)射極。引腳3：驅(qū)動輸出脈沖正極連

6、接端。使用中經(jīng)電阻RG后直接接被驅(qū)動IGBT的柵極。 電阻RG的取值隨被驅(qū)動IGBT容量的不同而不同，當(dāng)被驅(qū)動的IGBT為50A/ 1200V時(shí)，RG的 典型值應(yīng)為020 / 1W。引腳9：降柵壓信號輸入端。使用中需經(jīng)快恢復(fù)二極管接至被驅(qū)動IGBT的集電極，當(dāng) 需要降低動作門限電壓值時(shí)，可再反串一個(gè)穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓管的陰極接引腳9）。需要注意 的是：該快恢復(fù)二極管必須是高壓、超高速快恢復(fù)型，其恢復(fù)時(shí)間應(yīng)不超過50ns，經(jīng)反串穩(wěn) 壓二極管后，原來的動作門限電壓（8. 5V）減去穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值即為新的門限電壓。降柵壓 功能可通過將引腳13與引腳10相短接而刪除。引腳6：軟關(guān)斷報(bào)警信號輸出端，最大負(fù)

7、載能力為20mA。它可作為被驅(qū)動的輸入信號 的封鎖端，可通過光耦合器（引腳6接光耦合器陰極）來封鎖控制脈沖形成部分的脈沖輸出， 亦可通過光耦合器來帶動繼電器，從而分?jǐn)啾或?qū)動IGBT所在的主電路。引腳8：降柵壓報(bào)警信號輸出端，最大輸出電流為5mA。該端可通過光耦合器（引腳8 接光耦合器陰極）來封鎖控制脈沖形成部分的脈沖輸出，亦可通過光耦合器來帶動繼電器， 從而分?jǐn)啾或?qū)動的IGBT所在的主回路。引腳5：軟關(guān)斷斜率電容器C5的接線端及驅(qū)動信號的封鎖信號引入端。使用中，可通 過光耦合器的二次側(cè)并聯(lián)在C5兩端（集電極接引腳5,發(fā)射極接引腳10，發(fā)光二極管接用戶 集中封鎖信號輸入）來直接封鎖被驅(qū)動IGBT

8、的脈沖輸出。引腳7：空腳，使用時(shí)懸空。1引言絕緣柵控雙極型晶體管IGBT的驅(qū)動問題是制約IGBT應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。驅(qū)動電路性 能不好，常常會造成功率IGBT的擊穿和損壞。因此為解決IGBT的驅(qū)動問題，世界上各IGBT 制造商都在生產(chǎn)IGBT的同時(shí)，配套生產(chǎn)了其專用柵極驅(qū)動集成電路或模塊。如西門康公司的 SKHI21、SKHI22驅(qū)動模塊、日本富士公司的EXB8系列、日本三菱公司的M579系列等。在 國內(nèi)大家比較注意和應(yīng)用較多的是日本富士公司的EXB840、EXB850、EXB841和日本東芝公 司的M57962L、M57959L，但這些驅(qū)動器在工作頻率超過30kHz時(shí)，其脈沖前后沿便變得較差

9、， 且內(nèi)部采用印刷電路板設(shè)計(jì)，因此散熱不是很好，加之提供負(fù)柵偏壓的穩(wěn)壓管被封裝在集成 電路內(nèi)部，這樣就可能因該穩(wěn)壓管的損壞而使整個(gè)驅(qū)動芯片損壞，另外，由于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓 值僅5V，這使得IGBT關(guān)斷時(shí)負(fù)偏壓偏低，從而導(dǎo)致該類柵極驅(qū)動芯片對IGBT驅(qū)動的不可靠， 本文介紹的陜西高科電力電子有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HL402A （B） IG-BT驅(qū)動集成電路可以彌 補(bǔ)EXB8系列和M579系列IGBT驅(qū)動器的以上不足。2 HL402A （B）簡介HL402驅(qū)動器是國家“八五”攻關(guān)新成果，為國家級新產(chǎn)品。它具有先降柵 壓、后軟關(guān)斷的雙重保護(hù)功能，其降柵壓延遲時(shí)間、降柵壓時(shí)間、軟關(guān)斷斜率均可通過外接 電容器進(jìn)

10、行整定，因而能適應(yīng)不同飽和壓降IGBT的驅(qū)動和保護(hù)。它的研制成功填補(bǔ)了國內(nèi)空 白，達(dá)到了國際90年代的先進(jìn)水平。2. 1引腳排列及功能HL402的外形尺寸及引腳排列。它采用單列直插式標(biāo)準(zhǔn)17引腳厚膜集成電路封裝，共有 15個(gè)引腳。各引腳的功能如下：引腳17：內(nèi)置靜電屏蔽層的高速光耦合器陽極連接端。應(yīng)用中通過一電阻接正電源， 亦可通過一電阻接用戶脈沖形成單元輸出端，要求提供的電流幅值為12mA，無論是接用戶脈 沖形成部分的輸出還是接正電源，串入的電阻值均可按下式計(jì)算：R=VIN2V / 12mA （k）引腳16：內(nèi)置靜電屏蔽層的高速光耦合器陰極連接端。應(yīng)用中直接接用戶脈沖形成部 分的輸出（當(dāng)引腳

11、17通過電阻接正電源時(shí)），亦可直接與控制脈沖形成部分的地相連接（當(dāng) 引腳17接脈沖形成部分的脈沖輸出時(shí)）。引腳2：被驅(qū)動的IGBT脈沖功率放大輸出級正電源連接端。應(yīng)用中接驅(qū)動輸出級電源， 要求提供的電壓為2528V。引腳4：被驅(qū)動的IGBT脈沖功率放大輸出級正電源參考地端。引腳5、10：為軟關(guān)斷斜率電容器C5連接端（其引腳10在HL202內(nèi)部已與引腳4接 通）。該兩端所接電容量的大小決定著被驅(qū)動的IGBT軟關(guān)斷斜率的快慢，推薦值為1000 3000pF。引腳11、10：降柵壓延遲時(shí)間電容器C6的連接端。該兩端所接電容器電容量的大小 決定著降柵壓延遲時(shí)間的長短，該電容的推薦值為0200pF，當(dāng)該

12、電容的容量較大時(shí)，短路 電流峰值也較大，所以此電容一般可不接。引腳12、10：降柵壓時(shí)間定時(shí)電容器C7的連接端。當(dāng)該電容器較大時(shí)，經(jīng)過較長的 降柵壓時(shí)間后，被驅(qū)動的IGBT才關(guān)斷，這意味著造成被驅(qū)動的IGBT損壞的危險(xiǎn)性將增加。 所以C7的值不能取得太大，但也不能取得太小，過小的C7將造成被驅(qū)動的IGBT快速降柵壓 后關(guān)斷，這有可能導(dǎo)致回路中的電感因被驅(qū)動的IGBT快速關(guān)斷而引起過高的尖峰過電壓，從 而擊穿被驅(qū)動的IGBT，所以C7的取值要適當(dāng)，一般推薦值為5101500pF。引腳1：驅(qū)動輸出脈沖負(fù)極連接端。使用時(shí)，接被驅(qū)動IGBT的發(fā)射極。引腳3：驅(qū)動輸出脈沖正極連接端。使用中經(jīng)電阻RG后直

13、接接被驅(qū)動IGBT的柵極。 電阻RG的取值隨被驅(qū)動IGBT容量的不同而不同，當(dāng)被驅(qū)動的IGBT為50A/ 1200V時(shí)，RG的 典型值應(yīng)為020 / 1W。引腳9：降柵壓信號輸入端。使用中需經(jīng)快恢復(fù)二極管接至被驅(qū)動IGBT的集電極，當(dāng) 需要降低動作門限電壓值時(shí)，可再反串一個(gè)穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓管的陰極接引腳9）。需要注意 的是：該快恢復(fù)二極管必須是高壓、超高速快恢復(fù)型，其恢復(fù)時(shí)間應(yīng)不超過50ns，經(jīng)反串穩(wěn) 壓二極管后，原來的動作門限電壓（8. 5V）減去穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值即為新的門限電壓。降柵壓 功能可通過將引腳13與引腳10相短接而刪除。引腳6：軟關(guān)斷報(bào)警信號輸出端，最大負(fù)載能力為20mA。它可作為

14、被驅(qū)動的輸入信號 的封鎖端，可通過光耦合器（引腳6接光耦合器陰極）來封鎖控制脈沖形成部分的脈沖輸出， 亦可通過光耦合器來帶動繼電器，從而分?jǐn)啾或?qū)動IGBT所在的主電路。引腳8：降柵壓報(bào)警信號輸出端，最大輸出電流為5mA。該端可通過光耦合器（引腳8 接光耦合器陰極）來封鎖控制脈沖形成部分的脈沖輸出，亦可通過光耦合器來帶動繼電器， 從而分?jǐn)啾或?qū)動的IGBT所在的主回路。引腳5：軟關(guān)斷斜率電容器C5的接線端及驅(qū)動信號的封鎖信號引入端。使用中，可通 過光耦合器的二次側(cè)并聯(lián)在C5兩端（集電極接引腳5,發(fā)射極接引腳10，發(fā)光二極管接用戶 集中封鎖信號輸入）來直接封鎖被驅(qū)動IGBT的脈沖輸出。引腳7：空腳，

15、使用時(shí)懸空。2. 2工作原理HL402的原理框圖。圖中，VL1為帶靜電屏蔽的光耦合器，用來實(shí)現(xiàn)與輸入信號的隔離。 由于它具有靜電屏蔽功能，因而顯著提高了 HL402的抗共模干擾能力。圖中的V2為脈沖放大 器，晶體管V3、V4可用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動脈沖功率放大，V5為降柵壓比較器，正常情況下由于引 腳9輸入的IGBT集電極電壓VCE不高于V5的基準(zhǔn)電壓VREF而使得V5不翻轉(zhuǎn)，晶體管V6 不導(dǎo)通，故從引腳17、16輸入的驅(qū)動脈沖信號經(jīng)V2整形后不被封鎖。該驅(qū)動脈沖經(jīng)V3、V4 放大后提供給被驅(qū)動的IGBT以使之導(dǎo)通或關(guān)斷。一旦被驅(qū)動的IGBT退飽和，則引腳9輸入 的集電極電壓取樣信號VCE將高于V5的基

16、準(zhǔn)電壓VREF，從而使比較器V5翻轉(zhuǎn)后輸出高電平， 使晶體管V6導(dǎo)通，并由穩(wěn)壓管VD2將驅(qū)動器輸出的柵極電壓VGE降低到10V。此時(shí)，軟關(guān)斷 定時(shí)器V8在降柵壓比較器V5翻轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定的時(shí)間后，輸出正電壓使晶體管V7導(dǎo)通，并將柵 極電壓關(guān)斷降到IGBT的柵極一發(fā)射極門檻電壓，以便給被驅(qū)動的IGBT提供一個(gè)負(fù)的驅(qū)動電 壓，從而保證被驅(qū)動的IGBT可靠關(guān)斷。3主要參數(shù)由于HL402內(nèi)含一個(gè)具有靜電屏蔽層的高速光耦合器，因而可以實(shí)現(xiàn)信號隔離，它抗干 擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，隔離電壓高。并具有對被驅(qū)動功率IGBT進(jìn)行降柵壓、軟關(guān)斷的雙重 保護(hù)功能。在軟關(guān)斷及降柵壓的同時(shí)還將輸出報(bào)警信號，以實(shí)現(xiàn)對封鎖脈沖或

17、分?jǐn)嘀骰芈返?保護(hù)。它的輸出驅(qū)動電壓幅值很高，其正向驅(qū)動電壓可達(dá)1517V，負(fù)向驅(qū)動電壓可達(dá)10 12V，因而可用來直接驅(qū)動容量為150A/ 1200V以下的功率IGBT。3. 1極限參數(shù)HL402的極限參數(shù)如下：供電電壓 VC： 30V （VCC 為 1518V，VEE 為一10一12V）；光耦輸入峰值電流If： 20mA；正向輸出電流+ IG： 2A （脈寬2s、頻率為40kHz、占空比0. 05時(shí)）；負(fù)向輸出電流一IG： 2A （脈寬2s、頻率為40kHz、占空比0. 05時(shí)）；輸入、輸出隔離電壓Viso： 2500V （工頻1min）。HL402的電源電壓VC的推薦值為25V （VCC

18、= + 15V，VEE=10V）；光耦合器輸入峰值電流 If 為 1012mA。3. 2主要電參數(shù)下面是HL402的主要電參數(shù)：輸出正向驅(qū)動電壓+VG： VCC1V；輸出負(fù)向驅(qū)動電壓一VC： VEE1V；輸出正向電壓響應(yīng)時(shí)間tON1s （輸入信號上升沿 0 . 1s， If = 010mA）；輸出負(fù)電壓響應(yīng)時(shí)間toff1s （輸入下降沿0. 1s，If = 100mA）；軟關(guān)斷報(bào)警信號延遲時(shí)間tALM1：1s （不包括光耦合器LV3的延遲），輸出電流 20mA；降柵壓報(bào)警信號延遲時(shí)間tALM2：1s （不包括光耦合器LV2的延遲），輸出電流 5mA；降柵壓動作門檻電壓VCE： 80. 5V；軟

19、關(guān)斷動作門檻電壓VCE： 8. 50. 8V；降柵壓幅值：810V。4典型應(yīng)用電路HL402的典型接線。但圖中的C1、C2、C3、C4應(yīng)盡可能地靠近引腳2、1、4安裝。為盡可能避免高頻耦合及電磁干擾，由HL402輸出到被驅(qū)動IGBT柵一射極的引線應(yīng)采用 雙絞線或同軸電纜屏蔽線，其引線長度應(yīng)不超過1m。由HL402的引腳9、13接至IGBT集電極的引線必須單獨(dú)分開走，不得與柵極和發(fā)射極引 線絞合，以免引起交叉干擾。在圖3典型接線圖中，光耦合器VL1可輸入脈沖封鎖信號，當(dāng)VL1導(dǎo)通時(shí)，HL402輸出 脈沖將立即被封鎖至一10V。光耦合器VL2用于提供軟關(guān)斷報(bào)警信號，它在驅(qū)動器軟關(guān)斷的同 時(shí)還將導(dǎo)通

20、光耦合器VL3，以提供降柵壓報(bào)警信號。在不需封鎖和報(bào)警信號時(shí)，VL1、VL2及VL3可不接。在高頻應(yīng)用時(shí)，為了避免IGBT受到多次過電流沖擊，可在光耦合器VL2輸出數(shù)次或一次 報(bào)警信號后，將輸入引腳16、17間的信號封鎖。使用中，通過調(diào)整電容器C5、C6、C7的值，可以將保護(hù)波形中的降柵壓延遲時(shí)間t1、 降柵壓時(shí)間t2、軟關(guān)斷斜率時(shí)間t3調(diào)整至合適的值。對于低飽和壓降的IGBT (VCES2. 5V)，可不接降柵壓延遲時(shí)間電容器C6,這樣可使 降柵壓延遲時(shí)間t1最小。在這種情況下，當(dāng)降柵壓時(shí)間定時(shí)電容器C7為750pF時(shí)，可得到 的降柵壓定時(shí)時(shí)間為6s。軟關(guān)斷斜率電容C5可取100pF左右，由

21、此決定的軟關(guān)斷時(shí)間 t3 為 2s。對于中飽和壓降的IGBT (2. 5VCES3. 5V)，一般推薦C6取0100pF，降柵壓 延遲時(shí)間t1為1s，在C5取1500pF，C7取1000pF時(shí)，降柵壓時(shí)間t2為8s，而軟 關(guān)斷時(shí)間t3為3s。對于高飽和壓降的IGBT (VCES3. 5V)，C5、C6、C7的推薦值分別為：C5取3000pF， C6取200pF，C7取1200pF，此時(shí)降柵壓延遲時(shí)間t1約為2s，降柵壓時(shí)間t2約為10s， 軟關(guān)斷時(shí)間t3約為4s。在高頻使用場合，出現(xiàn)軟關(guān)斷時(shí)能夠封鎖輸入信號的應(yīng)用電路。圖中，LM555在電源合 閘時(shí)置“1”，輸入信號VIN通過與門4081進(jìn)入HL402的引腳17、16。當(dāng)出現(xiàn)軟 關(guān)斷時(shí)，光耦合器VL1導(dǎo)通，晶體管V2截止，V2集電極電壓經(jīng)10k電阻、330pF電 容延遲5s后，使LM555置“0”，并通過與門4081將輸入信號封鎖。