1引言

　　絕緣柵控雙極型晶體管IGBT的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題是制約IGBT應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。驅(qū)動(dòng)電路性能不好，常常會(huì)造成功率IGBT的擊穿和損壞。因此為解決IGBT的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，世界上各IGBT制造商都在生產(chǎn)IGBT的同時(shí)，配套生產(chǎn)了其專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路或模塊。如西門(mén)康公司的SKHI21、 SKHI22驅(qū)動(dòng)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(guó)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(dòng)器在工作頻率超過(guò)30kHz時(shí)，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(jì)，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(gè)驅(qū)動(dòng)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(shí)負(fù)偏壓偏低，從而導(dǎo)致該類柵極驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)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(dòng)集成電路可以彌補(bǔ)EXB8系列和M579系列 IGBT驅(qū)動(dòng)器的以上不足。

　　2 HL402A（B）簡(jiǎn)介

　　HL402驅(qū)動(dòng)器是國(guó)家“八五”攻關(guān)新成果，為國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品。它具有先降柵壓、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(guò)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)。它的研制成功填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到了國(guó)際90年代的先進(jìn)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(gè)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(yáng)極連接端。應(yīng)用中通過(guò)一電阻接正電源，亦可通過(guò)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(wú)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(jì)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(guò)電阻接正電源時(shí)），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(shí)）。

　　●引腳2：被驅(qū)動(dòng)的IGBT脈沖功率放大輸出級(jí)正電源連接端。應(yīng)用中接驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)電源，要求提供的電壓為25～28V。

　　●引腳4：被驅(qū)動(dòng)的IGBT脈沖功率放大輸出級(jí)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(dòng)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(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(zhǎng)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。

　　●引腳12、10：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(guò)較長(zhǎng)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(guò)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(guò)高的尖峰過(guò)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。

　　●引腳1：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。

　　●引腳3：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。

　　●引腳9：降柵壓信號(hào)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(mén)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(guò)50ns，經(jīng)反串穩(wěn)壓二極管后，原來(lái)的動(dòng)作門(mén)限電壓（8．5V）減去穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值即為新的門(mén)限電壓。降柵壓功能可通過(guò)將引腳13與引腳10相短接而刪除。

　　●引腳6：軟關(guān)斷報(bào)警信號(hào)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(hào)的封鎖端，可通過(guò)光耦合器（引腳6接光耦合器陰極）來(lái)封鎖控制脈沖形成部分的脈沖輸出，亦可通過(guò)光耦合器來(lái)帶動(dòng)繼電器，從而分?jǐn)啾或?qū)動(dòng)IGBT所在的主電路。

　　●引腳8：降柵壓報(bào)警信號(hào)輸出端，最大輸出電流為5mA。該端可通過(guò)光耦合器（引腳8接光耦合器陰極）來(lái)封鎖控制脈沖形成部分的脈沖輸出，亦可通過(guò)光耦合器來(lái)帶動(dòng)繼電器，從而分?jǐn)啾或?qū)動(dòng)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(dòng)信號(hào)的封鎖信號(hào)引入端。使用中，可通過(guò)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(hào)輸入）來(lái)直接封鎖被驅(qū)動(dòng)IGBT的脈沖輸出。

　　●引腳7：空腳，使用時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)與輸入信號(hào)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(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(hào)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(hào)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(mén)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。

　　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(hào)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(duì)被驅(qū)動(dòng)功率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)還將輸出報(bào)警信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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)15～17V，負(fù)向驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)10～12V，因而可用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)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＋I(xiàn)G：2A（脈寬＜2μs、頻率為40kHz、占空比＜0．05時(shí)）；

　　●負(fù)向輸出電流－IG：2A（脈寬＜2μs、頻率為40kHz、占空比＜0．05時(shí)）；

　　●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(dòng)電壓＋VG：≥VCC－1V；

　　●輸出負(fù)向驅(qū)動(dòng)電壓－VC：≥VEE－1V；

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

　　●輸出負(fù)電壓響應(yīng)時(shí)間toff≤1μs（輸入下降沿＜0．1μs，If＝10→0mA）；

　　●軟關(guān)斷報(bào)警信號(hào)延遲時(shí)間tALM1：＜1μs（不包括光耦合器LV3的延遲），輸出電流＜20mA；

　　●降柵壓報(bào)警信號(hào)延遲時(shí)間tALM2：＜1μs（不包括光耦合器LV2的延遲），輸出電流＜5mA；

　　●降柵壓動(dòng)作門(mén)檻電壓VCE：8±0．5V；

　　●軟關(guān)斷動(dòng)作門(mén)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(dòng)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(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò)1m。

　　由HL402的引腳9、13接至IGBT集電極的引線必須單獨(dú)分開(kāi)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(hào)，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(hào)，它在驅(qū)動(dòng)器軟關(guān)斷的同時(shí)還將導(dǎo)通光耦合器VL3，以提供降柵壓報(bào)警信號(hào)。

　　在不需封鎖和報(bào)警信號(hào)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(guò)電流沖擊，可在光耦合器VL2輸出數(shù)次或一次報(bào)警信號(hào)后，將輸入引腳16、17間的信號(hào)封鎖。

　　使用中，通過(guò)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(duì)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100pF左右，由此決定的軟關(guān)斷時(shí)間t3為2μs。

　　對(duì)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(shí)間t1為1μs，在C5取1500pF，C7取1000pF時(shí)，降柵壓時(shí)間t2為8μs，而軟關(guān)斷時(shí)間t3為3μs。

　　對(duì)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t2約為10μs，軟關(guān)斷時(shí)間t3約為4μs。

　　在高頻使用場(chǎng)合，出現(xiàn)軟關(guān)斷時(shí)能夠封鎖輸入信號(hào)的應(yīng)用電路如圖4所示。圖中，LM555在電源合閘時(shí)置“1”，輸入信號(hào)VIN通過(guò)與門(mén)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)10kΩ電阻、330pF電容延遲5μs后，使LM555置“0”，并通過(guò)與門(mén)4081將輸入信號(hào)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(hào)，以避免立即停止輸入信號(hào)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(dòng)電路，以完成對(duì)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，防止IGBT因驅(qū)動(dòng)電路不理想而造成損壞。本文列舉幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)明其在電力電子變流系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　5．1開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中的應(yīng)用電路

　　功率開(kāi)關(guān)電源是通信、郵電、電力等領(lǐng)域的常用設(shè)備。過(guò)去，開(kāi)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(kāi)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(lái)完成開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中四只功率IGBT驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)電路原理圖。圖中IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖由SG3526來(lái)產(chǎn)生，HL為霍爾電流傳感器，可用來(lái)進(jìn)行過(guò)電流及短路等故障保護(hù)。

　　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(kuò)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(dòng)。圖6給出了直流斬波調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用HL402驅(qū)動(dòng)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(hào)來(lái)自測(cè)速傳感器?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)PWM調(diào)制器TL494輸出的PWM脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)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。