HL402A(B)具有自保护功能的IGBT厚膜驱动器集成电路
 

  HL402驱动器是国家“八、五”攻关新成果,1995年国家级新产品。它具有先降栅压、后软关断的双重短路保护功能,其降栅压延迟时间、降栅压时间及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。

一、各引脚的排列、名称、功能及用法
  HL402的外形尺寸及引脚排列如图1所示。它采用标准单列直插式17引脚厚膜集成电路封装,对外引线共有15个引脚。

图1 HL402的外形尺寸及引脚排列示图

  各引脚的名称、功能及用法──

  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的典型值为0~20Ω(1W)。
  引脚4:被驱动的IGBT脉冲功率放大输出级正电源参考地端。接用户为输出级提供的正电源(一般为+24~+25V)地端。
  引脚5:软关断斜率电容器C5的接线端及驱动信号的封锁引入端。使用中,可通过光耦合器二次侧并联于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5、10:软关断斜率电容器C5连接端(其引脚10在HL402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,C5推荐值为1000~3000pF。
  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分断被驱动IGBT所在的主电路。
  引脚7:空脚,使用中悬空。
  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分断被驱动的IGBT所在的主回路。
  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,当需要降低动作门槛电压值时,可再反串入稳压二极管(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,由原来的动作门槛电压(8.5V)减去稳压管的稳压值即为新的门槛电压。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,该电容推荐值为0~200pF,当该电容值的电容量大时短路电流峰值较大,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,降栅压时间较长后被驱动的IGBT才关断,这意味着造成被驱动的IGBT损坏的危险性在增加,所以C7的值不能取得太大;但C7的值也不能取得太小,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di/dt产生尖峰过电压Ldi/dt击穿被驱动的IGBT,所以C7的取值要适当,一般推荐使用值为510~1500pF。
  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),亦可直接接控制脉冲形成部分的地(当引脚17接脉冲形成部分的脉冲输出时)。
  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,串入的电阻值可按下式计算:

R=(VIN-2V)/12mA (kΩ)

二、工作原理

  HL402原理框图如图2所示。图中,VL1为带静电屏蔽的光耦合器,它用来实现与输入信号的隔离。由于它具有静电屏蔽,因而显著提高了HL402抗共模干扰的能力。图中V2为脉冲放大器,晶体管V3、V4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,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高于V5的基准电压VREF,比较器V5翻转输出高电平,使晶体管V6导通,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,将栅极电压软关断降到IGBT的栅极-发射极门槛电压,给被驱动的IGBT提供一个负的驱动电压,保证被驱动的IGBT可靠关断。图3给出了HL402正常工作时的波形,而图4给出了HL402保护动作后的输出波形。

图2 HL402的内部结构及工作原理示图


图3 HL402的正常工作波形 

图4 HL402保护动作后的输出波形

三、基本设计特点、参数限制及电特性

  1.基本设计特点

  HL402内置有静电屏蔽层的高速光耦合器实现信号隔离,抗干扰能力强,响应速度快,隔离电压高。它具有对被驱动IGBT进行降栅压、软关断双重保护功能,在软关断及降栅压的同时能输出报警信号,实现封锁脉冲或分断主回路的保护。它输出驱动电压幅值高,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IGBT。

  2.参数限制

  HL402的极限参数──
   (1) 供电电压VC:30V(VCC为15~18V,VEE为-10~-12V);
   (2) 光耦输入峰值电流If:20mA;
   (3) 正向输出电流+IG:2A(脉宽<2μs、频率为40kHz、占空比<0.05时);
   (4) 负向输出电流-IG:2A(脉宽<2μs、频率为40kHz、占空比<0.05时);
   (5) 输入、输出隔离电压Viso:2500V 工频,1min。

   HL402的推荐工作参数──

  (1) 电源电压VC:25V(VCC=+15V,VEE=-10V);
  (2) 光耦合器输入峰值电流If:10~12mA;

  3.HL402的电特性

  (1) 输出正向驱动电压+VG:≥VCC-1V;
  (2) 输出负向驱动电压-VC:≥VEE-1V;
  (3) 输出正电压响应时间tON:≤1μs(输入信号上升沿<0.1μs,If=0→10mA);
  (4) 输出负电压响应时间toff:≤1μs(输入信号下降沿<0.1μs,If=10→0mA);
  (5) 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;
  (6) 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;
  (7) 降栅压动作门槛电压VCE:8±0.5V;
  (8) 软关断动作门槛电压VCE:8.5±0.8V;
  (9) 降栅压幅值:8~10V。

四、应用技术

  1.使用注意事项
   (1) HL402正常应用的典型接线如图5所示,图中的C1、C2、C3、C4需尽可能靠近HL402的引脚2、1、4安装。

图5 HL402正常应用的典型接线

  (2) 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-射极的引线需要采用双绞线或同轴电缆屏蔽线,其引线长度不超过1m。
   (3) 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。
   (4) 在典型接线图中,光耦合器VL1可输入脉冲封锁信号,当VL1导通时,HL402输出脉冲立即被封锁至-10V。光耦合器VL2提供软关断报警信号,它在驱动器软关断的同时导通光耦合器VL3,提供降栅压报警信号。
   (5) 在不需封锁和报警信号时,VL1、VL2及VL3可不接。
   (6) 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。
   (7) 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。
   (8) 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,从而使降栅压延迟时间t1最小。此种情况下,降栅压时间定时电容器C7取750pF便可得到降栅压定时时间为6μs。软关断斜率电容器C5可取1000pF左右,由此决定的软关断时间t3为2μs。
   (9) 对于中饱和压降的IGBT(2.5V≤VCES≤3.5V), 一般推荐C6取0~100pF,则降栅压延迟时间t1为1μs,C5取1500pF,C7取1000pF,则降栅压时间t2为8μs,而软关断时间t3为3μs。
   (10) 对于高饱和压降的IGBT(VCES≥3.5V), C5、C6、C7推荐取值分别为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。
   (11) 在高频使用场合,出现软关断时能封锁输入信号的应用电路如图6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、引脚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”,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,避免立即停止输入信号造成的硬关断。图中,C1、C3的典型值为0.1μF, C2、C4为100μF/25V,VS4、VS5可取0~5V。

图6 高频领域中HL402的正确应用接线图

2.应用举例

  HL402的优良性能,决定了它可用于一切主功率器件为IGBT的电力电子变流系统中作为驱动电路,以完成对IGBT的最优驱动,防止IGBT因驱动电路不理想造成的损坏。本文列举几个例子说明其在电力电子变流系统中的应用。

(1) 在开关电源系统中的应用

  功率开关电源是通信、邮电、电力等领域的常用设备。过去,开关电源一般主功率器件都用MOSFET,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7给出了应用四个HL402来完成开关电源系统中四个IGBT驱动的开关电源系统原理图。图中,IGBT的驱动脉冲由SG3526来产生,HL为霍尔电流传感器,它用来进行过电流、短路等故障的保护。


图7 多只HL402在开关电源系统中的应用电路

(2) 在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IGBT容量的不断扩大,为其在直流斩波系统中的应用展现了广阔的前景。HL402可用于此类系统来完成IGBT的驱动。图8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,因而该系统可获得很宽的调速范围和较高的调速精度。

            


图8 HL402在直流斩波系统中的应用电路




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