HL402 IGBT驅(qū)動(dòng)模塊參數(shù)和電路設(shè)計(jì)

HL402 驅(qū)動(dòng)模塊具有先降柵壓、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)行整定，因而能適應(yīng)不同飽和壓降IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。

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(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：

圖1 HL402的外形尺寸及引腳排列

1) 17腳為內(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，也可通過一電阻接脈沖形成單元輸出端，要求提供的電流幅值為12mA，無論是接脈沖形成電路的輸出還是接正電源，串入的電阻值均可按下式計(jì)算：

R= VIN -2V/12mA( kΩ)

2) 16腳為內(nèi)置靜電屏蔽層的高速光耦合器陰極連接端，應(yīng)用中直接接脈沖形成電路的輸出(當(dāng) 17腳通過電阻接正電源時(shí))，亦可直接與控制脈沖形成電路的地相連接(當(dāng) 17腳接脈沖形成電路的脈沖輸出時(shí))。

3)2腳為被驅(qū)動(dòng)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(dòng)輸出級電源，要求提供的電壓為25 ~28V。

4)4腳為被驅(qū)動(dòng)的IGBT脈沖功率放大輸出級正電源參考地端。

5)5腳、10腳為軟關(guān)斷斜率電容器C5連接端(10腳在HL402內(nèi)部已與4腳接通)，該兩端所接電容量的大小決定著被驅(qū)動(dòng)的IGBT 軟關(guān)斷斜率的快慢，推薦值為1000 ~ 3000pF。

6) 11腳、10腳為降柵壓延遲時(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0 ~ 200pF，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。

7) 12腳、10腳為降柵壓時(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(dòng)的IGBT 才關(guān)斷，這意味著造成被驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的IGBT，所以C7的取值要適當(dāng)，一般推薦值為510 ~1500pF。

8)1腳為驅(qū)動(dòng)輸出脈沖負(fù)極連接端，使用時(shí)，接被驅(qū)動(dòng)IGBT的發(fā)射極。

9)3腳為驅(qū)動(dòng)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(dòng)IGBT的柵極。電阻RG的取值隨被驅(qū)動(dòng)IGBT容量的不同而不同，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)的IGBT為50A/1200V時(shí)，RG的典型值應(yīng)為0~20Ω/1W。

10)9腳為降柵壓信號輸入端，使用中需經(jīng)快恢復(fù)二極管接至被驅(qū)動(dòng)IGBT的集電極，當(dāng)需要降低動(dòng)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(dòng)作門限電壓(8. SV)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。

11)6腳為軟關(guān)斷報(bào)警信號輸出端，最大負(fù)載能力為20mA。它可作為被驅(qū)動(dòng)的輸入信號的封鎖端，可通過光耦合器(6腳接光耦合器陰極)來封鎖控制脈沖形成電路的脈沖輸出，亦可通過光耦合器來帶動(dòng)繼電器，從而分?jǐn)啾或?qū)動(dòng)IGBT所在的主電路。

12)8腳為降柵壓報(bào)警信號輸出端，最大輸出電流為5mA。該端可通過光耦合器(8腳接光耦合器陰極)來封鎖控制脈沖形成電路的脈沖輸出，亦可通過光電耦合器來帶動(dòng)繼電器，從而分?jǐn)啾或?qū)動(dòng)的IGBT所在的主回路。

13)5腳為軟關(guān)斷斜率電容器 C5的接線端及驅(qū)動(dòng)信號的封鎖信號引入端，使用中，可通過光電耦合器的二次側(cè)并聯(lián)在C5兩端(集電極接5腳，發(fā)射極接10腳，發(fā)光二極管接用戶集中封鎖信號輸入)來直接封鎖驅(qū)動(dòng)IGBT的脈沖輸出。

14)7腳為空腳，使用時(shí)懸空。

2.工作原理

HL402的原理框圖如圖2所示。在圖2中，VL1為帶靜電屏蔽的光耦合器，用來實(shí)現(xiàn)與輸人信號的隔離。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2中的V2為脈沖放大器，晶體管V3、V4可用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(dòng)脈沖信號經(jīng)V2 整形后不被封鎖。該驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)V3、V4放大后提供給被驅(qū)動(dòng)的IGBT以使之導(dǎo)通或關(guān)斷。一旦被驅(qū)動(dòng)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(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(dòng)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—發(fā)射極門檻電壓，以便給被驅(qū)動(dòng)的IGBT提供一個(gè)負(fù)的驅(qū)動(dòng)電壓，從而保證被驅(qū)動(dòng)的IGBT可靠關(guān)斷。

圖2 HL402的原理框圖

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(dòng)的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)輸出報(bào)警信號，以實(shí)現(xiàn)對封鎖脈沖或分?jǐn)嘀骰芈返谋Ｗo(hù)。它的輸出驅(qū)動(dòng)電壓幅值很高，其正向驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)I5 ~17V，負(fù)向驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)10 ~12V，因而可用來直接驅(qū)動(dòng)容量為i50A/1200v以下的功率IGBT。

(1)極限參數(shù)

HL402的極限參數(shù)如下：

1)供電電壓Vc：30V(Vcc為15~18V，VEE為—10 ~12V)。

2)光耦合器輸入峰值電流If：20mA。

3)正向輸出電流+IG：2A，脈寬<2μs、頻率為40kHz、占空比<0.05。

4)負(fù)向輸出電流-IG：2A，脈寬<2μs、頻率為40kHz、占空比<0.05。

5)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。

(2)主要電參數(shù)

HL402的主要電參數(shù)如下：

1)輸出正向驅(qū)動(dòng)電壓+ VG ≥Vcc —1V。

2)輸出負(fù)向驅(qū)動(dòng)電壓- VC ≥VEE —1V。

3)輸出正向電壓響應(yīng)時(shí)間ton≤1μs(輸入信號上升沿<0.1μs，If =0 ~ l0rnA)。

4)輸出負(fù)電壓響應(yīng)時(shí)間toff≤1μs(輸入下降沿0.1μs，If =10~0mA)。

5)軟關(guān)斷報(bào)警信號延遲時(shí)間tALM1< lμs(不包括光耦合器 VL3的延遲)，輸出電流< 20mA。

6)降柵壓報(bào)警信號延遲時(shí)間tALM2< lμs(不包括光電耦合器 VL2的延遲)，輸出電流<5mA。

7)降柵壓動(dòng)作門檻電壓VCE：8±0.5V。

8)軟關(guān)斷動(dòng)作門檻電壓VCE：8.5±0.8V。

9)降柵壓幅值：8 ~10V。

4.典型應(yīng)用電路

HL402的典型接線如圖3所示。在圖3中的Cl、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(dòng)的IGBT柵—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。

圖3 HL402的典型接線

由HL402402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所示典型接線圖中，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-10V。光耦合器 VL2用于提供軟關(guān)斷報(bào)警信號，它在驅(qū)動(dòng)器軟關(guān)斷的同時(shí)還將導(dǎo)通光耦合器VI_3，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問的信號封鎖。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( VCES≤2. 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6μs。軟關(guān)斷斜率電容C5可取l00pF左右，由此決定的軟關(guān)斷時(shí)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~ l00pF，降柵壓延遲時(shí)間t1為lμs，在C5取1500pF，C7取l000pF時(shí)，降柵壓時(shí)間t2為8μs，而軟關(guān)斷時(shí)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(shí)降柵壓延遲時(shí)間t1約為2μs，降柵壓時(shí)間12約為10μs，軟—關(guān)斷時(shí)間t3約為4μs。

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)用電路如圖4所示。在圖4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)l0kΩ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(dòng)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。在圖4中，Cl- C3的典型值為0.1μF，C2、C4為l00Mf/25V，VD4、VD5可取0. 5V。

圖4 HL402高頻應(yīng)用的典型接線