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,，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，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(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(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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(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(yīng)用中直接接用戶脈沖形成部分的輸出（當(dāng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(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510～1500pF,。

　　●引腳1：驅(qū)動輸出脈沖負(fù)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(dāng)被驅(qū)動的IGBT為50A／1200V時,，RG的典型值應(yīng)為0～20Ω／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,，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(fù)二極管必須是高壓,、超高速快恢復(fù)型,，其恢復(fù)時間應(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)斷報警信號輸出端,，最大負(fù)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，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(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，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，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(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(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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(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(yīng)用中直接接用戶脈沖形成部分的輸出（當(dāng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(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510～1500pF,。

　　●引腳1：驅(qū)動輸出脈沖負(fù)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(dāng)被驅(qū)動的IGBT為50A／1200V時,，RG的典型值應(yīng)為0～20Ω／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，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(fù)二極管必須是高壓,、超高速快恢復(fù)型，其恢復(fù)時間應(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)斷報警信號輸出端，最大負(fù)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,，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(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，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(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)動的IGBT提供一個負(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(yīng)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?jǐn)嘀骰芈返谋Ｗo。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(fù)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(fù)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(fù)向驅(qū)動電壓－VC：≥VEE－1V,；

　　●輸出正向電壓響應(yīng)時間tON≤1μs（輸入信號上升沿＜0．1μs,，If＝0→10mA）；

　　●輸出負(fù)電壓響應(yīng)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(yīng)用電路

　　HL402的典型接線如圖3所示,。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－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,，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(dǎo)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)出現(xiàn)軟關(guān)斷時，光耦合器VL1導(dǎo)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(yīng)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(yīng)用,。

　　5．1開關(guān)電源系統(tǒng)中的應(yīng)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(dǎo)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(yīng)用功率IGBT展現(xiàn)了廣闊的前景。圖5給出了應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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,?？赏ㄟ^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,。