具有自保护功能的IGBT厚膜集成电路HL402A(B)的原理及应用.doc

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）IGBT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。21引脚排列及功能HL402的外形尺寸及引脚排列。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：RVIN2V12mA（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2528V。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10003000pF。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0200pF，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5101500pF。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50A1200V时，RG的典型值应为020Ω1W。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（85V）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）IGBT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。21引脚排列及功能HL402的外形尺寸及引脚排列。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：RVIN2V12mA（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2528V。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10003000pF。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0200pF，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5101500pF。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50A1200V时，RG的典型值应为020Ω1W。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（85V）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。22工作原理HL402的原理框图。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1517V，负向驱动电压可达1012V，因而可用来直接驱动容量为 150A1200V以下的功率IGBT。31 极限参数HL402的极限参数如下：供电电压VC：30V（VCC为1518V，VEE为1012V）；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005时）；负向输出电流IG：2A（脉宽2μs、频率为40kHz、占空比005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（VCC15V，VEE10V）；光耦合器输入峰值电流If为1012mA。32主要电参数下面是HL402的主要电参数：输出正向驱动电压VG：≥VCC1V；输出负向驱动电压VC：≥VEE1V；输出正向电压响应时间tON≤1μs（输入信号上升沿01μs，If0→10mA）；输出负电压响应时间toff≤1μs（输入下降沿01μs，If10→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±05V；软关断动作门槛电压VCE：85±08V；降栅压幅值：810V。4 典型应用电路HL402的典型接线。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≤25V），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（25≤VCES≤35V），一般推荐C6取0100pF，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≥35V），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。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01μF，C2、C4为100μF25V，VD4、VD5可取05V。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。51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。52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。m9