HL402具有自保护功能的IGBT驱动器集成电路

HL402驱动器是国家“八五”攻关新成果、1995年国家级新产品。它具有先降栅压、后软关断的双重短路保护功能，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的IGBT的驱动和保护。它的研制成功，填补了国内空白，达到国际90年代的先进水平。

1.基本设计特点和参数限制及电特性

(1)基本设计特点HL402内置有静电屏蔽层的高速光耦合器实现信号隔离，抗干扰能力强，响应速度快，隔离电压高。它具有对被驱动功率IGBT进行降栅压、软关断双重保护功能，在软关断及降栅压的同时，能输出报警信号，实现封锁脉冲或分断主回路的保护；它输出驱动电压幅值高，正向驱动电压可达15~17V,负向驱动电压可达10~12V,因而可用来直接驱动容量为150A/1200V以下的功率IGBT。

(2)参数限制

1)HL402的极限参数如下：

①供电电压Vc=30V(Vcc为15～18V,VEE为-10~-12V)

②光耦输入峰值电流I₁=20mA

③正向输出电流+Ic为2A(脉宽<2μs,频率为40kHz,占空比<0.05时)

④负向输出电流-IG为2A(脉宽<2μs,频率为40kHz,占空比<0.05时)

⑤输入输出隔离电压VIso为工频、1min、2500V2)HL402的推荐工作参数如下：

①电源电压Vc=25V(Vcc=+15V,VEE=-10V)

②光耦合器输入峰值电流I=10～12mA3)HL402的电特性如下：

①输出正向驱动电压+VG≥Vcc-1V

②输出负向驱动电压-Vc≥UEE-1V

③输出正电压响应时间toN≤1μs(输入信号上升沿<0.1μs,I=0→10mA)

④输出负电压响应时间to≤1μs(输入下降沿<0.1μs,I=10→0mA)

⑤软关断报警信号延迟时间LAIM<1μs(不包括光耦合器LV₃的延迟),输出电流<20mA

⑥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

⑦降栅压动作门槛电压为8±0.5V(VcE)

⑧软关断动作门槛电压为8.5±0.8V(VcE)

⑨降栅压幅值为8～10V

2.引脚排列、功能及用法HL402的外形尺寸及管脚排列见图12-46。它采用单列直插式标准17引脚厚膜集成电路封装，对外引线共有15个引脚，各引脚的名称、功能及用法如下。

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，串入的电阻值可按下式计算：

R=VIN-2V/12mA

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17脚通过电阻接正电源时),亦可直接接控制脉冲形成部分的地(当17脚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+25～+28V。

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10脚在HL202内部已与4脚接通),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1000~3000pF。

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，该电容推荐值为0~200pF,当该电容值的电容量大时，短路电流峰值较大，所以此电容一般可不接。

引脚12、10:降栅压时间定时电容器C₂的连接端，当该电容器较大时，降栅压时间较长后被驱动的IGBT才关断，这意味着造成被驱动的IGBT损坏的危险性在增加，所以C₇的值不能取得太大；但C,的值也不能取得太小，过小的C,将造成被驱动的IGBT快速降橱压后关断，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di/dt产生尖峰过电压Ldi/dt击穿被驱动的IGBT,所以C₁的取值要适当：一般推荐使用值为510~1500pF。

引脚1:驱动输出脉冲负端连接端，使用时接被驱动的[GBT的发射极。

引脚3:驱动输出脉冲正极连接端，使用中经电阻Rc后直接接被驱动的IGBT的栅极，电阻RG的取值随被驱动的IGBT容量的不同而不同。当被驱动的IGBT为50A/1200V时，Rc的典型值为0~200/1W。

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的IGBT的集电极·当需要降低动作门槛电压值时，可再反串入稳压二极管(稳压管的阴极接9脚)。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，由原来的动作门槛电压(8.5V)减去稳压管的稳压值即为新的门槛电压，降栅压功能可通过将13脚与10脚相短接而栅除。

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封锁端，可通过光耦合器(6脚接光耦合器阴极)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分断被驱动的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(8脚接光耦合器阴极)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封锁引入

端，使用中，可通过光耦合器二次侧并联于C₅两端(集电极接5脚，发射极接10脚，发光二极管接用户集中封锁信号输入)来直接封锁被驱动的IGBT的脉冲输出。

引脚7:空脚。

3.工作原理HL402原理框图见图12-47。图中，VL₁为带静电屏蔽的光耦合器，它用来实现与输入信号的隔离。由于它具有静电屏蔽，因而显著提高了HL402抗共模干扰的能力。图中V₂为脉冲放大器，晶体管V₃、V₄实现驱动脉冲功率放大，Vs为降栅压比较器，正常情况下，由于9脚输入的IGBT集电极电压VCE不高于V₅的基准电压VREF,Vs不翻转，晶体管V₆不导通，故从17、16脚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驱动IGBT导通或关断，一旦被驱动的IGBT退饱和，则9脚输入的集电极电压取样信号Vce高于Vs的基准电压VKEF,比较器V₅翻转，输出高电平，使晶体管V₆导通，由稳压管VD₂将驱动器输出的栅极电压Vce降低到

10V,此时，软关断定时器Va在降栅压比较器Vs翻转达到设定的时间后，输出正电压使晶体管V,导通，将栅极电压软关断降到IGBT的栅极-发射极门槛电压，给被驱动的IGBT提供一个负的驱动电压，保证被驱动的IGBT可靠关断。图12-48给出了HL402正常工作时的波形，而图12-49给出了HL402保护动作后的输出波形。

4.使用注意事项HL402在使用中应注意下列问题：

(1)HL402正常应用的典型接线见图12-50,图中的Ci、C₂、C₃、CA需尽可能靠近HL402的2、1、4脚安装。

(2)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，需要采用双绞线或同轴电缆屏蔽线，其引线长度不超过1m。

(3)由HL402的9、13脚接至IGBT集电极的引线，必须单独分开走，不得与栅极及发射极引线绞合，以免引起交叉干扰。

(4)在典型接线图中，光耦合器VL₁可输入脉冲封锁信号，当

VL₁导通时，HL402输出脉冲立即被封锁至-10V。光耦合器VL₂提供软关断报警信号，它在驱动器软关断的同时导通光耦合器VL₃,提供降栅压报警信号。

(5)在不需封锁及报警信号时，VL₁、VL₂、VL₃可不接。

(6)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16、17脚间的信号封锁。

(7)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。

(8)对于低饱和压降的IGBT(VcEs≤2.5V),可不接降栅压延迟时间电容器C₆,从而使降栅压延迟时间t₁最小。在此种情况下，降栅压时间定时电容器C,取750pF便可得到降栅压定时时间为6μs。软关断斜率电容器C₅可取1000pF左右，由此决定的软关断时间t₃为2us。

(9)对于中饱和压降的IGBT(2.5V≤Vcs≤3.5V),一般推荐C₆取0~100pF,则降栅压延迟时间t₁为lus,C₅取1500pF,C₇取1000pF,则降栅压时间t₂为8μs,而软关断时间t₃为3μs。

(10)对于高饱和压降的IGBT(Vces≥3.5V),Cs、Cs、C₇推荐取值分别为：C₆取200pF,C取1200pF,C₅取3000pF,此时降栅压延迟时间t约为2μs,降栅压时间t₂约为10μs,软关断时间t₃约为4μs。

(11)在高频使用场合，出现软关断时能封锁输入信号的应用电路见图12-51。图中，LM555在电源合闸时置“1”,输入信号VIN通过4081与门进入HL402的17、16脚。当出现软关断时，光耦合器VL,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”,通过4081与门将输入信号封锁，此电路延迟5μs动作是为了使IGBT软关断后再停止输入信号，避免立即停止输入信号造成的硬关断。图中，C、C₃的典型值为0.1μF,C₂、C₄为100μF/25V,VD.、VD₅可取0～5V。

5.应用举例HL402的优良性能，决定了它可用于一切主功率器件为IGBT的电力电子变流系统中作为驱动电路，以完成对IGBT的最优驱动，防止IGBT的击穿损坏，本文列举几个例子说明其在电力电子变流系统中的应用。

(1)在开关电源系统中应用：功率开关电源是通信、邮电、电力等领域的常用设备，过去开关电源一般主功率器件都用MOS-FET,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12-52给出了应用四片HL402来完成开关电源系统中四个功率IGBT驱动的开关电源系统的原理图。图中IGBT的驱动脉冲由SG3526来产生，HL为霍尔电流传感器，它用来进行过电流、短路等故障的保护，

(2)在直流斩波电源系统中应用：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，为其在直流斩波系统中的应用展现了广阔的前景。HL402可用于此类系统来完成功率IGBT的驱动。图12-53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TL494PWM调制器的输出PWM脉冲的宽度来实现直流电动机转速的调节，因而本系统可获得很宽的调速范围和较高的调速精度。