光耦合型继电器接通时间的探讨

舒德兵张贺李强

摘要：固体继电器一般采用光耦合或者变压器隔离，两种方式各有优缺点。大多数主要采用光耦合隔离，对于光耦合类型的固体继电器，特别是功率型固体继电器，产品的接通时间非常重要，如果接通时间过长，开通功耗过大，很有可能瞬间烧毁产品，所以，研究继电器的接通时间是有意义的。光耦合由光伏和发光二极管组成，接通时间的快慢主要考量光耦合的驱动能力,继电器的接通时间与光伏和发光二极管的距离、环境温度有很大关系。

关键词：光耦合；接通时间；驱动

Light-coupledrelayswitchingtimeisdisscussed

ShuDebing,Zhanghe,LIQiang

(GuizhouSpaseApplanceCO.,LTD,Guiyang550009,China)

Abstract：Solidstaterelaysarenormallyusedinlight-couplingisolationortransformerisolation,andeachhasitsadvantagesanddisadvantages.Mostuseslight-couplingisolationg,asolidrelayforopticalcoupling,especiallyapowertypesolidrelay,theconnectiontimeoftheproductisveryimportant,iftheconnectiontimeistoolong,theswitchpowerconsumptionistoobig,itisverylikelytoburntheproductioninstandly,therefore,itmakessensetostudytheconnectiontimeoftherelay.Opticalcouplingismadeupofphotovoltaicandlighe-emittingdiodes,thespeedofconnectiontimeisrelatedtothedriveabilityofthelightcoupledbody,theconnectiontimeoftherelayisaffectedbythetemperatureoftheenvironment,thedistancebetweenthephotovoltaicandthediode.

Keywords：light-coupled,connectiontime,drive.

1引言

对于光耦合固体继电器（以下简称继电器），它是由一颗发光二极管和光伏阵列组合成输入器件，当加电时，由发光二极管产生光信号，光伏吸收光信号后产生电信号，从而驱动继电器的开关元件，一般采用MOS管作为开关元件，输入端和输出端是通过光进行耦合，从而达到隔离的作用。

对于固体继电器，接通时间是非常重要的参数，特别对于大功率固体继电器，因为，接通时间长，其接通功耗就会增加，接通时的瞬间功耗一般是接通后功耗的几十甚至上百倍，所以，很可能瞬间烧毁产品，研究接通时间对固体继电器是非常重要的，如何减小接通时间是继电器可靠性的重要保障。

2继电器接通时间的分析

2.1继电器采用电路

继电器一般常用的电路为如下图，电路的输入端由电阻、开关二极管、发光二极管组成，输出端由MOS管组成，有些加入了充放电电路。如下图

当输入端加电后，使发光二极管接通，发光二极管接通后发光，照射到光伏阵列上，光伏产生电压给MOS管，从而驱动MOS管接通。发光二极管和光伏阵列的结构如下图。

2.2继电器接通时间的分析

发光二极管接通后发光，照射到光伏阵列上，光伏产生电压给MOS管，从而驱动MOS管接通。继电器的接通时间分为几部分，首先是发光二极管的接通时间，发光二极管的接通时间一般很短，几十纳秒；发光二极管发光后激发光子，光子照射在光伏上，使光伏产生电信号，形成一定电势，这个时间一般也是非常短，为纳秒级；光伏驱动MOS芯片，光伏驱动MOS管的快慢和光伏的短路电流和MOS芯片的输出结电容有关系，光伏的短路电流及驱动电流，该电流一般为微安级。所以，对继电器接通时间影响最大的就是光伏的驱动能力和MOS管的结电容，选用MOS管时，应尽可能选择结电容小的芯片，另外，光伏的驱动能力是影响接通时间的非常重要是因素，光伏的驱动电流很小，而光伏的驱动电流与发光二极管的输入电流、发光二极管与光伏的距离、温度都有有很大关系。对于发光二极管的输入电流，如果使用在逻辑电路中，其电流由逻辑电路提供，其输入电流一般很难增加，因为在逻辑电路中的输入能力是有限的，这时的输入相当于是恒流源，无法提供更大的输入电流，所以，一般是不通过增加输入电流来提高接通时间。

2.2.1发光二极管和光伏之间距离的影响

假设发光二极管作为一个点进行发光，其发光的光子以球形散射，而光伏表面进行接收光子，由此，可以假设一个模型，如下图，假设光伏表面积为S，光伏表面距离二极管表面的距离为r1和r2的时候，发光二极管以球形发射光子，其照射到光伏表面的光子的比例可以近似为，

这种结构设计有两个问题，一是发光二极管和光伏之间的距离太远，有0.55mm，使得光伏的接收能力大大下降；二是键合丝从光伏感光区穿过，阻挡光伏对光子的吸收。

现在使用的一般是25um金丝，其穿过发光二极管的横截面约为0.0075mm2，发光二极管的表面积约为0.09mm2，占约8.3%,所以，对于发光二极管，键合结构应从键合区沿金层引出，尽可能避免光源被阻挡。

对于光伏，如果键合丝从光伏表面穿过，其阻挡面积约为3%，由于光的直线传播，当键合丝越高，其阻挡面积越大，所以，键合丝应尽可能不要从光伏表面通过。需要将光伏的键合结构变换一下，由横向调整为纵向结构。

根据光伏芯片和发光二极管芯片资料显示，光伏和发光二极管的高度和为0.55mm，而根据键合能力情况，发光二极管的键合丝的键合丝高度一般可以控制在0.1mmmm。

另外，假设发光二极管的键合丝距离光伏表面为0.1mm，且为正常大气的击穿，由下式可知。其击穿电压约为4.35kV，可以满足要求。

Uj:空气中的击穿电压(kV)；

b:电极间的距离（cm）

所以，其总高度设置在0.55+0.1+0.1=0.75mm是比较可靠的，根据式1。

从图中可以看出，红光和黄光的光通量下降比蓝光、白光、LED下降速率快[2]，红光在120℃时，其光通量输出只有20%左右，而目前使用的发光二极管一般多为红光，所以，高温时对光通量影响非常大。

通过分析发光二极管在高温下的性能，发光二极管可以选择波长更短的，如黄光和蓝光的发光二极管，其波长比红光短，可有效提高其输出能力，从而提高高温下光伏的驱动能力。

通过试验，我们也发现了温度对光伏驱动的影响，将光电耦合通过升高温度，抓取其输出曲线，如下图。

当温度低于80℃时，其输出电压在短时间能达到7V左右，当温度进一步升高时，其输出电压急剧下降，当在110℃时，在较短时间内，输出电压只有1V左右。

3总结

通过以上分析，影响光耦合的驱动能力的主要有发光二极管和光伏的距离、环境温度，另外，调整发光二极管和光伏的键合结构，对提高光耦的驱动能力有一定帮助。通过缩短发光二极管和光伏的距离，使用发光波长更短的发光二极管，可以提高光耦合的驱动能力。

参考文献

[1]温度对LED光谱特性的影响[J].丁天平,郭伟玲.2011,31(6):1450-1453.光电子技术省部共建教育部重点实验室.

[2]基于LabVIEW的LED的结温测量及其光电特性的研究[M].周长友.2011.中国海洋大学.

[3]太阳能光伏发电应用中温度的影响[J].王建军.2005,1:28-30.青海省新能源研究所.