HL202GTR基极驱动厚膜集成电路

功率晶体管应用的关键问题是其基极驱动电路的最优设计和其完整快速的主电路保护。驱动电路不好，常常会造成大功率晶体管的损坏。大功率晶体管对驱动电路有许多特殊的要求。为了解决其驱动问题，国内外许多电力半导体器件生产厂家，科研单位开发了众多功率晶体管的高性能驱动电路，本节介绍性能优良的HL202功率晶体管厚膜驱动器。HL202是在HL201基础上改进开发的，它自身除具有HL201所具有的一切优点外，又增加了退饱和及负电源电压的欠电压保护功能，它可实现对被驱动GTR的过电流快速分散就地保护，一但被驱动的功率晶体管因过电流而退饱和，其集射极电压将迅速上升到某值(该值可由HL202电路的外接元件进行调整)时，HL202能在3μs内自动封锁正向驱动电路，在被驱动的功率晶体管的基射极施加负驱动电压，使被驱动大功率晶体管可靠关断。另一方面，当HL202工作的负电源电压低于5V时能自动封锁输出脉冲，实现负电源电压的欠电压保护功能。该厚膜驱动电路的开发成功属国内首创，填补了国内空白，达到了国际90年代初先进水平。

1.主要设计特点HL202的主要设计特点有：内部集成有光耦合器，实现信号隔离，隔离电压可达2500V以上，从而满足了其用于晶体管逆变系统时被驱动的多个晶体管发射极电位不等的需要。同时它的内部设计有抗被驱动的功率晶体管过饱和的贝克钳位电路，用户可在贝克钳位端外接高反压快速二极管实现贝克钳位，防止被驱动的功率晶体管的过饱和。另一方面，它的内部还设计有退饱和的保护功能，一旦被驱动的功率晶体管因过电流或其他原因退饱和，内部电路可保证在3μs内切断正向驱动电流，防止被驱动的功率晶体管退出饱和区进入放大区而遭受二次击穿损坏，因而应用HL202来驱动功率晶体管可使被驱动的功率晶体管运行于临界饱和的最优状态。HL202采用双电源工作，其输出功率大，可直接驱动电流容量在100A以内的三级或两级达林顿晶体管，附加放大后可驱动容量为150～400A以内的功率晶体管，为防止工作负电源电压不足造成的晶体管关断过程中基射极负偏压不足造成的不可靠关断，在HL202的内部还设计有自身工作负电源电压的欠电压保护电路，一旦负电源电压比额定值低0.5V,则负电源电压保护电路动作，封锁被驱动功率晶体管的驱动脉冲，保证被驱动的晶体管不再导通。

2.引脚排列、名称、功能和用法及主要参数限制HL202是一个20引脚的厚膜集成电路，它采用单列直插式标准封装。它的外形尺寸及排列见图12-20。对各引脚的名称、功能及用法和主要参数限制可叙述如下。

(1)驱动信号输入端：引脚1、2为HL202的驱动信号输入端，应用中引脚1接用户脉冲形成部分输出，其参数限制为0V或13V;而引脚2通过电阻电容接用户控制脉冲形成部分的电源，其参数要求为+15V,同时引脚2还通过电阻与电容接用户控制电源的地。

(2)电源端：引脚20为驱动电路正电源连接端，应用中接用户被驱动的功率晶体管提供的隔离电源，其参数要求为+9V。

引脚17为驱动电路负电源连接端，应用中接用户为被驱动的功率晶体管提供的与引脚20电源共地的负隔离电源，其参数限制为-5.5～—6V。

(3)地端：引脚12为驱动电路参考地端，应用中直接接被驱动功率晶体管的发射极。

(4)控制端：引脚9为退饱和保护死区时间设置端。该端所接电容的大小决定了HL202在保护后输出脉冲的最窄宽度，应用中通过一0.047μF的电容接负电源。

引脚10为退饱和电压检测输入端。该端通过一并联的电阻与电容接13脚，通过13脚检测到的实际VcE电压值提供给内部的负饱和电路，其典型参数；电容为0.047μF、电阻为1002。

引脚16为退饱和保护门槛电压设置端。该端外加电压的大小决定了退饱和动作的快慢，应用中通过一固定端分别接正负电源，而可调端接该端的电位器。为保证该端电压的可调范围及灵敏度，外接电位器最好选用多圈电位器，其电阻值应选0.5～1kΩ。

引脚13为贝克钳位输出端。该端可使过驱动电流流入被驱动的功率晶体管的集电极，对基极驱动电流的分流实现贝克钳位，防止被驱动功率晶体管的过饱和。同时该端还为退饱和保护提供一个实际检测信号。应用中，该引脚通过一个快恢复二极管接至被驱动功率晶体管集电极。对二极管的要求是其耐压VRRM大于被驱动晶体管工作母线电压的2~3倍，而其恢复时间t≤1μs。

(5)输出端：引脚15为正驱动电流输出端，当HL202用来驱动电流容量小于50A的功率晶体管时，该端直接接被驱动功率晶体管的基极。若HL202用来经功率放大后驱动电流容量在150~400A以内的功率晶体管时，该端接外接功率放大的NPN晶体管的基极。

引脚14接输出级互补功率放大的NPN开关晶体管集电极，该端外接电阻Re值的大小决定着HL202输出的正向驱动电流值，应用中，当HL202直接驱动容量为50A以下的功率晶体管时，一般R.取5～100,该端通过一电阻接HL202工作的正电源，该电阻的取值随被驱动的功率晶体管的容量不同而不同。而当HL202经功率放大后用来驱动容量在150～400A以内的功率晶体管时，该端外接功率放大开关晶体管的集电极后接正电源。

引脚17接输出级互补功率放大PNP开关晶体管集电极，该端到负电源之间连接电阻Re₂值的大小决定着HL202输出的负向驱动电流值，应用中，当HL202直接驱动容量为50A以下的功率晶体管时，该端通过一电阻Re₂接HL202工作的负电源，对该电阻的取值要求Rc₂>Re,而当HL202经功率放大后用来驱动容量为150～400A以内的功率晶体管时，则该端直接接外接功率放大PNP管集电极后接HL202工作的负电源。

引脚18为负基极电流输出端，当HL202直接用来驱动电流容量为50A以下的功率晶体管时，该端直接通过一防止基极电流振荡的小电感接引脚15后，通过一个12的电阻接被驱动的功率晶体管基极，而当HL202用来经功率放大后驱动电流容量为150~400A以内的功率晶体管时，该端接外接PNP功率放大开关晶体管的基极。

引脚19为退饱和保护信号引入端，该端为HL202的退饱和保护电路提供一个实际集射极电压的输入信号。应用中，它一方面通过一阻值为100Ω的电阻接HL202的工作正电源；另一方面，通过一个快恢复二极管接至被驱动的功率晶体管的集电极。对该二极管的要求是，反向耐压VRRM大于被驱动的功率晶体管工作母线电压的2~3倍，而其恢复时间小于1μs。

3.内部结构及工作原理简析HL202的内部结构和原理框图见图12-21,在它的内部集成有两个光耦合器VL₁、VL₂,两个小功率开关晶体管V₁与V₂,及一个脉冲整形逻辑A和一个脉冲匹配、保护和封锁逻辑S,它的工作原理可简析如下。

用户脉冲形成部分的输出脉冲接HL202的引脚1,在该脉冲的高电平区间，上部光耦合器VL₁截止，下部光耦合器VL₂中的二极管导通发光，其电流流通路径为引脚1→引脚2后经过电阻与电容加速网络到脉冲形成部分的地。此时光耦合器VL₂二次侧晶体管饱和导通，输出地电平，经脉冲整形环节后，脉冲匹配及保护网络输出低电平，末级功率放大管V,截止，V₂导通，给被驱

动的晶体管基射极施加一负偏置电压，保证被驱动大功率晶体管可靠截止。另一方面，当脉冲形成环节输出为低电平时，光耦合器VL₁中的发光二极管导通而发光(光耦合器VL₂中的发光二极管因受反压而截止，相应的其二次侧晶体管也截止),其二次侧晶体管饱和导通，脉冲整形环节输出高电平，设被驱动的功率晶体管未退饱和，则退饱和保护电路不动作。同时由于HL202工作的负电源电压未出现欠电压，欠电压保护环节亦不动作，脉冲匹配及保护网络输出高电平，末级功率放大电路中的NPN晶体管V₁导通，PNP晶体管V₂截止，向被驱动的功率晶体管基极提供足够的驱动电流，保证被驱动的功率晶体管运行于准饱和状态。一旦被驱动的功率晶体管退饱和或HL202工作负电源电压低于-4.5V,则脉冲匹配及保护封锁逻辑S输出低电平，晶体管V₂导通，V₁截止。由上述的分析可知，被驱动的功率晶体管基射极反偏而可靠截止。

4.应用注意事项

(1)当HL202管脚9的外接电容C为0.047μF时，退饱和保护动作的延迟时间为3μs,也就是说，在被驱动的功率晶体管退饱和3μs之后，HL202能自动封锁正向驱动电流，退饱和的动作延迟时间大小与电容C₁的容量成比例地变化，C,越大则延迟时间越长，若被驱动的功率晶体管导通时的冲击电流较大，则应适当延长死区时间。

(2)退饱和保护门槛电平在引脚16悬空时为5V,当需改变退饱和保护电平时，需外接电位器来改变引脚16的电平。

(3)引脚18所接的电感L约为几微亨，选择适当的电感值可使被驱动的功率晶体管的关断过程最优，并可避免被驱动的功率晶体管基极电流的振荡。

(4)引脚14的外接串联电阻(Ω)的取值为Re=(Vcc-VcEs-VBE)/IB1

式中Vcc—HL202工作的正电源电压；

VcEs-—HL202内部末级功率放大NPN开关晶体管V,的饱和压降：

VRE—被驱动的功率晶体管的基射极电压降，对三级达林顿管，约为2.1V,对两级达林顿管，约为1.4V,单管GTR约为0.7V;

IB—一被驱动的功率晶体管所希望的基极驱动电流。

当被驱动的功率晶体管的基极电流为0.5~1.5A时，R₂约为5~102。

(5)引脚17的外接电阻Rc₂决定着被驱动的功率晶体管关断过程中的负电流大小，较小的Re₂可使HL202提供较大的负关断电流，加速被驱动的功率晶体管的快速关断，减小关断损耗。但过快的关断反而会减小被驱动的功率晶体管的反向安全工作区，过大的Rc₂将使被驱动的功率晶体管的关断过程变长，增加了关断过程中的损耗，甚至不能保证被驱动的功率晶体管可靠关断。因而Rc₂的取值要综合考虑关断损耗、反向安全工作区、关断时间等众多因素，一般取Rcz>Re。

(6)HL202合理应用的接线和推荐参数见图12-22。用它驱动大功率晶体管时，被驱动的大功率晶体管退饱和后的保护波形见图12-23。

5.实用举例HL202独特巧妙的设计，使它可方便地用于主功率器件为大功率晶体管供电的直流电动机斩波调速、PWM正反转可逆调速、位置伺服系统以及交流电动机的变频调速、开关电源、正弦波逆变电源等领域中取代分立式功率晶体管驱动电路，使被驱动的功率晶体管高性能地工作。图12-24给出了应用SG3524作为PWM脉冲发生器、用HL:202来驱动的直流电动机斩波调速系统的原理图。图中应用SG3524内部的运算放大器构成闭环调节器，而以其内部的比较器实现了集中过电流保护，因而该系统具有较好的稳速效果和较大的调速范围。该应用中，HL202工作的正电源电压选为9V,负电源电压选为6V,电阻Re选为100,电阻Re₂选为150,欠饱和保护的延时时间选为1.5μs,因而决定了C₁为0.22μF,由于被驱动的功率晶体管为50A的容量，直流母线电压为220V,故应用HL202直接输出来驱动GTR,贝克钳位及退饱和检测用快恢复二极管均选为800V1A的MUR180,其反向恢复时间为35ns,图中的反馈信号来自霍尔电压传感器TV的二次侧。