具有自保護功能的IGBT厚膜集成電路HL402A(B)的原理及應(yīng)用
●引腳1:驅(qū)動輸出脈沖負極連接端。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,從而分斷被驅(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,從而分斷被驅(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)對封鎖脈沖或分斷主回路的保護。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。
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