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，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，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，因此散熱不是很好，加之提供負柵偏壓的穩(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)斷時負偏壓偏低，從而導致該類柵極驅(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任公司生產(chǎn)的 HL402A（B）IG－BT驅(qū)動集成電路可以彌補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)斷的雙重保護功能，其降柵壓延遲時間、降柵壓時間、軟關(guān)斷斜率均可通過外接電容器進行整定，因而能適應不同飽和壓降IGBT的驅(qū)動和保護。它的研制成功填補了國內(nèi)空白，達到了國際90年代的先進水平。
2．1引腳排列及功能
HL402的外形尺寸及引腳排列如圖1所示。它采用單列直插式標準17引腳厚膜集成電路封裝，共有15個引腳。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算：
R＝VIN－2V／12mA（kΩ）
●引腳16：內(nèi)置靜電屏蔽層的高速光耦合器陰極連接端。應用中直接接用戶脈沖形成部分的輸出（當引腳17通過電阻接正電源時），亦可直接與控制脈沖形成部分的地相連接（當引腳17接脈沖形成部分的脈沖輸出時）。
●引腳2：被驅(qū)動的IGBT脈沖功率放大輸出級正電源連接端。應用中接驅(qū)動輸出級電源，要求提供的電壓為25～28V。
●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間的長短，該電容的推薦值為0～200pF，當該電容的容量較大時，短路電流峰值也較大，所以此電容一般可不接。
●引腳12、10：降柵壓時間定時電容器C7的連接端。當該電容器較大時，經(jīng)過較長的降柵壓時間后，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，一般推薦值為510～1500pF。
●引腳1：驅(qū)動輸出脈沖負極連接端。使用時，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，當被驅(qū)動的IGBT為50A／1200V時，RG的典型值應為0～20Ω／1W。
●引腳9：降柵壓信號輸入端。使用中需經(jīng)快恢復二極管接至被驅(qū)動IGBT的集電極，當需要降低動作門限電壓值時，可再反串一個穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓管的陰極接引腳9）。需要注意的是：該快恢復二極管必須是高壓、超高速快恢復型，其恢復時間應不超過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)斷報警信號輸出端，最大負載能力為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，從而分斷被驅(qū)動IGBT所在的主電路。
●引腳8：降柵壓報警信號輸出端，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，從而分斷被驅(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，使用時懸空。
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，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，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，因此散熱不是很好，加之提供負柵偏壓的穩(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)斷時負偏壓偏低，從而導致該類柵極驅(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任公司生產(chǎn)的 HL402A（B）IG－BT驅(qū)動集成電路可以彌補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)斷的雙重保護功能，其降柵壓延遲時間、降柵壓時間、軟關(guān)斷斜率均可通過外接電容器進行整定，因而能適應不同飽和壓降IGBT的驅(qū)動和保護。它的研制成功填補了國內(nèi)空白，達到了國際90年代的先進水平。
2．1引腳排列及功能
HL402的外形尺寸及引腳排列如圖1所示。它采用單列直插式標準17引腳厚膜集成電路封裝，共有15個引腳。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算：
R＝VIN－2V／12mA（kΩ）
●引腳16：內(nèi)置靜電屏蔽層的高速光耦合器陰極連接端。應用中直接接用戶脈沖形成部分的輸出（當引腳17通過電阻接正電源時），亦可直接與控制脈沖形成部分的地相連接（當引腳17接脈沖形成部分的脈沖輸出時）。
●引腳2：被驅(qū)動的IGBT脈沖功率放大輸出級正電源連接端。應用中接驅(qū)動輸出級電源，要求提供的電壓為25～28V。
●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間的長短，該電容的推薦值為0～200pF，當該電容的容量較大時，短路電流峰值也較大，所以此電容一般可不接。
●引腳12、10：降柵壓時間定時電容器C7的連接端。當該電容器較大時，經(jīng)過較長的降柵壓時間后，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，一般推薦值為510～1500pF。
●引腳1：驅(qū)動輸出脈沖負極連接端。使用時，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，當被驅(qū)動的IGBT為50A／1200V時，RG的典型值應為0～20Ω／1W。
●引腳9：降柵壓信號輸入端。使用中需經(jīng)快恢復二極管接至被驅(qū)動IGBT的集電極，當需要降低動作門限電壓值時，可再反串一個穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓管的陰極接引腳9）。需要注意的是：該快恢復二極管必須是高壓、超高速快恢復型，其恢復時間應不超過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)斷報警信號輸出端，最大負載能力為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，從而分斷被驅(qū)動IGBT所在的主電路。
●引腳8：降柵壓報警信號輸出端，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，從而分斷被驅(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，使用時懸空。
2．2工作原理
HL402的原理框圖如圖2所示。圖中，VL1為帶靜電屏蔽的光耦合器，用來實現(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的基準電壓VREF而使得V5不翻轉(zhuǎn)，晶體管V6不導通，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的基準電壓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，軟關(guān)斷定時器V8在降柵壓比較器V5翻轉(zhuǎn)達到設(shè)定的時間后，輸出正電壓使晶體管V7導通，并將柵極電壓關(guān)斷降到IGBT的柵極－發(fā)射極門檻電壓，以便給被驅(qū)動的IGBT提供一個負的驅(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)含一個具有靜電屏蔽層的高速光耦合器，因而可以實現(xiàn)信號隔離，它抗干擾能力強，響應速度快，隔離電壓高。并具有對被驅(qū)動功率IGBT進行降柵壓、軟關(guān)斷的雙重保護功能。在軟關(guān)斷及降柵壓的同時還將輸出報警信號，以實現(xiàn)對封鎖脈沖或分斷主回路的保護。它的輸出驅(qū)動電壓幅值很高，其正向驅(qū)動電壓可達15～17V，負向驅(qū)動電壓可達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15～18V，VEE為－10～－12V）；
●光耦輸入峰值電流If：20mA；
●正向輸出電流＋IG：2A（脈寬＜2μs、頻率為40kHz、占空比＜0．05時）；
●負向輸出電流－IG：2A（脈寬＜2μs、頻率為40kHz、占空比＜0．05時）；
●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＝＋15V，VEE＝10V）；光耦合器輸入峰值電流If為10～12mA。
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：≥VCC－1V；
●輸出負向驅(qū)動電壓－VC：≥VEE－1V；
●輸出正向電壓響應時間tON≤1μs（輸入信號上升沿＜0．1μs，If＝0→10mA）；
●輸出負電壓響應時間toff≤1μs（輸入下降沿＜0．1μs，If＝10→0mA）；
●軟關(guān)斷報警信號延遲時間tALM1：＜1μs（不包括光耦合器LV3的延遲），輸出電流＜20mA；
●降柵壓報警信號延遲時間tALM2：＜1μs（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：8±0．5V；
●軟關(guān)斷動作門檻電壓VCE：8．5±0．8V；
●降柵壓幅值：8～10V。
4 典型應用電路
HL402的典型接線如圖3所示。但圖中的C1、C2、C3、C4應盡可能地靠近引腳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－射極的引線應采用雙絞線或同軸電纜屏蔽線，其引線長度應不超過1m。
由HL402的引腳9、13接至IGBT集電極的引線必須單獨分開走，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VL1導通時，HL402輸出脈沖將立即被封鎖至－10V。光耦合器VL2用于提供軟關(guān)斷報警信號，它在驅(qū)動器軟關(guān)斷的同時還將導通光耦合器VL3，以提供降柵壓報警信號。
在不需封鎖和報警信號時，VL1、VL2及VL3可不接。
在高頻應用時，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，可以將保護波形中的降柵壓延遲時間t1、降柵壓時間t2、軟關(guān)斷斜率時間t3調(diào)整至合適的值。
對于低飽和壓降的IGBT（VCES≤2．5V），可不接降柵壓延遲時間電容器C6，這樣可使降柵壓延遲時間t1最小。在這種情況下，當降柵壓時間定時電容器C7為750pF時，可得到的降柵壓定時時間為6μs。軟關(guān)斷斜率電容C5可取100pF左右，由此決定的軟關(guān)斷時間t3為2μs。
對于中飽和壓降的IGBT（2．5≤VCES≤3．5V），一般推薦C6取0～100pF，降柵壓延遲時間t1為1μs，在C5取1500pF，C7取1000pF時，降柵壓時間t2為8μs，而軟關(guān)斷時間t3為3μs。
對于高飽和壓降的IGBT（VCES≥3．5V），C5、C6、C7的推薦值分別為：C5取3000pF，C6取200pF，C7取1200pF，此時降柵壓延遲時間t1約為2μs，降柵壓時間t2約為10μs，軟關(guān)斷時間t3約為4μs。
在高頻使用場合，出現(xiàn)軟關(guān)斷時能夠封鎖輸入信號的應用電路如圖4所示。圖中，LM555在電源合閘時置“1”，輸入信號VIN通過與門4081進入HL402的引腳17、16。當出現(xiàn)軟關(guān)斷時，光耦合器VL1導通，晶體管V2截止，V2集電極電壓經(jīng)10kΩ電阻、330pF電容延遲5μs后，使LM555置“0”，并通過與門4081將輸入信號封鎖。此電路延遲5μs動作是為了使IGBT軟關(guān)斷后再停止輸入信號，以避免立即停止輸入信號而可能造成的硬關(guān)斷。圖中，C1、C3的典型值為0．1μF，C2、C4為100μF／25V，VD4、VD5可取0．5V。
5 其它應用電路
HL402的優(yōu)良性能決定了它可在一切主功率器件為IGBT的電力電子變流系統(tǒng)中用作驅(qū)動電路，以完成對IGBT的最優(yōu)驅(qū)動，防止IGBT因驅(qū)動電路不理想而造成損壞。本文列舉幾個例子來說明其在電力電子變流系統(tǒng)中的應用。
5．1開關(guān)電源系統(tǒng)中的應用電路
功率開關(guān)電源是通信、郵電、電力等領(lǐng)域的常用設(shè)備。過去，開關(guān)電源的主功率器件一般都用MOS－FET，由于半導體材料及工藝水平的制約，至今功率 MOSFET要么就是低壓大電流（如200A、50V），要么就是高壓小電流（如10A、1000V），這就為制作大功率開關(guān)電源應用功率IGBT展現(xiàn)了廣闊的前景。圖5給出了應用四只HL402來完成開關(guān)電源系統(tǒng)中四只功率IGBT驅(qū)動的開關(guān)電源系統(tǒng)電路原理圖。圖中IGBT的驅(qū)動脈沖由SG3526來產(chǎn)生，HL為霍爾電流傳感器，可用來進行過電流及短路等故障保護。
5．2直流斬波電源系統(tǒng)中的應用
直流斬波系統(tǒng)是直流調(diào)速系統(tǒng)中的常用方案，隨著功率IGBT容量的不斷擴大，HL402在直流斬波系統(tǒng)中的應用展現(xiàn)了廣闊的前景。它可在此類系統(tǒng)中完成功率IGBT的驅(qū)動。圖6給出了直流斬波調(diào)速系統(tǒng)中應用HL402驅(qū)動IGBT的原理圖。該系統(tǒng)是閉環(huán)穩(wěn)速系統(tǒng)，其速度的反饋信號來自測速傳感器。可通過調(diào)節(jié)PWM調(diào)制器TL494輸出的PWM脈沖寬度來實現(xiàn)直流電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，這使得本系統(tǒng)電路可獲得很寬的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。
