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HL402 IGBT驱动模块参数和电路设计

时间:2017-11-14
关键字:IGBT   驱动模块   

HL402 驱动模块具有先降栅压、后软关断的双重保护功能,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IGBT的驱动和保护。

1.引脚排列及功能

HL402的外形尺寸及引脚排列如图1所示。它采用单列直插式标准17引脚厚膜集成电路封装,共有15个引脚。各引脚的功能如下:

 

HL402的外形尺寸及引脚排列

图1 HL402的外形尺寸及引脚排列

1) 17脚为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,也可通过一电阻接脉冲形成单元输出端,要求提供的电流幅值为12mA,无论是接脉冲形成电路的输出还是接正电源,串入的电阻值均可按下式计算:

R= VIN -2V/12mA( kΩ)

2) 16脚为内置静电屏蔽层的高速光耦合器阴极连接端,应用中直接接脉冲形成电路的输出(当 17脚通过电阻接正电源时),亦可直接与控制脉冲形成电路的地相连接(当 17脚接脉冲形成电路的脉冲输出时)。

3)2脚为被驱动的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。

4)4脚为被驱动的IGBT脉冲功率放大输出级正电源参考地端。

5)5脚、10脚为软关断斜率电容器C5连接端(10脚在HL402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。

6) 11脚、10脚为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,该电容的推荐值为0 ~ 200pF,当该电容的容量较大时,短路电流峰值也较大,所以此电容一般可不接。

7) 12脚、10脚为降栅压时间定时电容器 C7的连接端,当该电容器较大时,经过较长的降栅压时间后,被驱动的IGBT 才关断,这意味着造成被驱动的IGBT损坏的危险性将增加。所以C7的值不能取得太大,但也不能取得太小,过小的C7将造成被驱动的IGBT快速降栅压后关断,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尖峰过电压,从而击穿被驱动的IGBT,所以C7的取值要适当,一般推荐值为510 ~1500pF。

8)1脚为驱动输出脉冲负极连接端,使用时,接被驱动IGBT的发射极。

9)3脚为驱动输出脉冲正极连接端,使用中经电阻RG后直接接被驱动IGBT的栅极。电阻RG的取值随被驱动IGBT容量的不同而不同,当被驱动的IGBT为50A/1200V时,RG的典型值应为0~20Ω/1W。

10)9脚为降栅压信号输入端,使用中需经快恢复二极管接至被驱动IGBT的集电极,当需要降低动作门限电压值时,可再反串一个稳压二极管(稳压管的阴极接引脚9)。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,原来的动作门限电压(8. SV)减去稳压管的稳压值即为新的门限电压。降栅压功能可通过将引脚13与引脚10相短接而删除。

11)6脚为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的封锁端,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电路的脉冲输出,亦可通过光耦合器来带动继电器,从而分断被驱动IGBT所在的主电路。

12)8脚为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电路的脉冲输出,亦可通过光电耦合器来带动继电器,从而分断被驱动的IGBT所在的主回路。

13)5脚为软关断斜率电容器 C5的接线端及驱动信号的封锁信号引入端,使用中,可通过光电耦合器的二次侧并联在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)来直接封锁驱动IGBT的脉冲输出。

14)7脚为空脚,使用时悬空。

2.工作原理

HL402的原理框图如图2所示。在图2中,VL1为带静电屏蔽的光耦合器,用来实现与输人信号的隔离。由于它具有静电屏蔽功能,因而显著提高了HL402的抗共模干扰能力。图2中的V2为脉冲放大器,晶体管V3、V4可用于实现驱动脉冲功率放大,V5为降栅压比较器,正常情况下由于引脚9输入的IGBT集电极电压VCE不高于V5的基准电压VREF而使得V5不翻转,晶体管V6不导通,故从引脚17、16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以使之导通或关断。一旦被驱动的IGBT退饱和,则引脚9输入的集电极电压取样信号VCE将高于V5的基准电压VREF,从而使比较器 V5翻转后输出高电平,使晶体管V6导通,并由稳压管VD2将驱动器输出的栅极电压VGE降低到 10V。此时,软关断定时器 V8在降栅压比较器 V5翻转达到设定的时间后,输出正电压使晶体管V7导通,并将栅极电压关断降到 IGBT的栅极—发射极门槛电压,以便给被驱动的IGBT提供一个负的驱动电压,从而保证被驱动的IGBT可靠关断。

 

HL402的原理框图

图2 HL402的原理框图

3.主要参数

由于HL402内含一个具有静电屏蔽层的高速光耦合器,因而可以实现信号隔离,它抗干扰能力强,响应速度快,隔离电压高。并具有对被驱动的IGBT进行降栅压、软关断的双重保护功能。在软关断及降栅压的同时输出报警信号,以实现对封锁脉冲或分断主回路的保护。它的输出驱动电压幅值很高,其正向驱动电压可达I5 ~17V,负向驱动电压可达10 ~12V,因而可用来直接驱动容量为i50A/1200v以下的功率IGBT。

(1)极限参数

HL402的极限参数如下:

1)供电电压Vc:30V(Vcc为15~18V,VEE为—10 ~12V)。

2)光耦合器输入峰值电流If:20mA。

3)正向输出电流+IG:2A,脉宽<2μs、频率为40kHz、占空比<0.05。

4)负向输出电流-IG:2A,脉宽<2μs、频率为40kHz、占空比<0.05。

5)输入、输出隔离电压Viso:2500V(工频1min)。

HL402的电源电压VC的推荐值为25V( VCC= +15V,VEE= 10V);光耦合器输入峰值电流If为10~12mA。

(2)主要电参数

HL402的主要电参数如下:

1)输出正向驱动电压+ VG ≥Vcc —1V。

2)输出负向驱动电压- VC ≥VEE —1V。

3)输出正向电压响应时间ton≤1μs(输入信号上升沿<0.1μs,If =0 ~ l0rnA)。

4)输出负电压响应时间toff≤1μs(输入下降沿0.1μs,If =10~0mA)。

5)软关断报警信号延迟时间tALM1< lμs(不包括光耦合器 VL3的延迟),输出电流< 20mA。

6)降栅压报警信号延迟时间tALM2< lμs(不包括光电耦合器 VL2的延迟),输出电流<5mA。

7)降栅压动作门槛电压VCE:8±0.5V。

8)软关断动作门槛电压VCE:8.5±0.8V。

9)降栅压幅值:8 ~10V。

4.典型应用电路

HL402的典型接线如图3所示。在图3中的Cl、C2、C3、C4应尽可能地靠近引脚2、1、4安装。为尽可能避免高频耦合及电磁干扰,由HL402输出到被驱动的IGBT栅—射极的引线应采用双绞线或同轴电缆屏蔽线,其引线长度应不超过1m。

 

HL402的典型接线

图3 HL402的典型接线

由HL402402的引脚9、13接至IGBT集电极的引线必须单独分开走,不得与栅极和发射极引线绞合,以免引起交叉干扰。在图3所示典型接线图中,光耦合器VL1可输入脉冲封锁信号,当 VL1导通时,HL402输出脉冲将立即被封锁至-10V。光耦合器 VL2用于提供软关断报警信号,它在驱动器软关断的同时还将导通光耦合器VI_3,以提供降栅压报警信号。在不需封锁和报警信号时,VL1、VL2及VL3可不接。

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,将输入引脚16、17问的信号封锁。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

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,这样可使降栅压延迟时间t1最小。在这种情况下,当降栅压时间定时电容器 C7为750pF时,可得到的降栅压定时时间为6μs。软关断斜率电容C5可取l00pF左右,由此决定的软关断时间t3为2μs。

对于中饱和压降的IGBT (2.5 ≤VCES ≤3.5V),一般推荐 C6取0~ l00pF,降栅压延迟时间t1为lμs,在C5取1500pF,C7取l000pF时,降栅压时间t2为8μs,而软关断时间t3为3μs。

对于高饱和压降的IGBT(VCES≥3. 5V),C5、C6、C7的推荐值分别为:C5取3000pF,C6取200pF,C7取1200pF,此时降栅压延迟时间t1约为2μs,降栅压时间12约为10μs,软—关断时间t3约为4μs。

在高频使用场合,出现软关断时能够封锁输入信号的应用电路如图4所示。在图4中,LM555在电源合闸时置“1”,输入信号VIN通过与门4081进入 HL402的引脚17、16。当出现软关断时,光耦合器VL1导通,晶体管V2截止,V2集电极电压经l0kΩ电阻、330pF 电容延迟5μs后,使LM555 置“0”,并通过与门4081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,以避免立即停止输入信号而可能造成的硬关断。在图4中,Cl- C3的典型值为0.1μF,C2、C4为l00Mf/25V,VD4、VD5可取0. 5V。

 

HL402高频应用的典型接线

图4 HL402高频应用的典型接线

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