TLX9160T高壓光電繼電器的應(yīng)用和耐壓性能研究

RC 網(wǎng)絡(luò)用于控制可能會誤導(dǎo)通晶閘管的電壓瞬態(tài)。這類網(wǎng)絡(luò)稱為緩沖器。 簡單緩沖器由串聯(lián)電阻和圍繞晶閘管放置的電容組成。 這些元器件與負(fù)載電感一同形成串聯(lián)CRL 電路。緩沖 器理論的基礎(chǔ)是電路的微分方程解。 許多 RC 組合都能提供可接受的性能。然而，若緩沖器 使用不當(dāng)，則會造成電路工作不穩(wěn)定，并損壞半導(dǎo)體器 件。 出于可靠性考慮，可能需同時(shí)采取導(dǎo)通和關(guān)斷保護(hù)。有 時(shí)，晶閘管必須要能在某個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)工作。使用的晶 閘管類型、電路配置和負(fù)載特性都有影響。 緩沖器設(shè)計(jì)時(shí)需要權(quán)衡取舍。這些權(quán)衡包括成本、額定 電壓、峰值電壓和導(dǎo)通應(yīng)力。實(shí)際解決方案取決于器件 和電路的物理特性。

TLX9160T高壓光電繼電器的特點(diǎn)

TLX9160T是一種隔離電壓5kVrms的光電繼電器，由****控制信號的紅外發(fā)光二極管（LED）、接收控制信號的光電二極管陣列（PDA）和1500V的高阻塞電壓MOSFET組成。

圖1光電繼電器工作原理

圖2 TLX9160T內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖當(dāng)電流流過

當(dāng)PDA接收到燈時(shí)，PDA產(chǎn)生電力（光伏發(fā)電）。MOSFET通過充電連接電源的MOSFET門充電。

如果到led的電流低于一定水平，pda的光伏功率將不足以給MOSFET的門充電，從而導(dǎo)致關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)，MOSFET的柵極電荷通過pda芯片中的控制電路迅速被拉出。

此外，TLX9160T已被開發(fā)出來，以適應(yīng)環(huán)境友好型車輛中的更高電壓，并假定工作電壓高達(dá)1000V。在工作電壓為1000V下使用，至少需要5mm的爬電距離（CTI>600，污染程度2環(huán)境）。TLX9160T通過消除輸出側(cè)的四個(gè)端子，確保了5mm的爬電。

TLX9160T在抑制電壓增強(qiáng)和雪崩電流性能增加方面也優(yōu)于TLX9175J。我們的車載光電繼電器產(chǎn)品的比較表如下所示。

表1產(chǎn)品對比情況表

*塔=25℃，除非另有規(guī)定

1在1200V條件下進(jìn)行了高壓應(yīng)用的可靠性試驗(yàn)。

2作為一種終身積累，它可以在最長的連續(xù)1 min和Duty cycle=0.1%上應(yīng)用5次。

3當(dāng)工作電壓為1000V時(shí)，爬電距離要求在5mm或以上。

在高壓光電繼電器中的應(yīng)用

高壓光電繼電器不能像機(jī)械繼電器那樣控制高負(fù)載。另一方面，光電繼電器沒有接觸磨損、接觸焊接和接觸開/合限制，這使得在控制低電流的應(yīng)用中可以提供比機(jī)械繼電器更好的可靠性。特別適用于具有機(jī)械繼電器焊接檢測電路

(1) 蓄電池總電壓監(jiān)測電路

(2) 和接地故障檢測電路

(3) 的蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）

(4) 它廣泛應(yīng)用于電路應(yīng)用中，經(jīng)常同時(shí)保持高電池電壓的開關(guān)。

圖3高壓電阻光電繼電器應(yīng)用方框圖

機(jī)械繼電器焊接檢測電路

通常使用具有優(yōu)異特性的機(jī)械繼電器，因?yàn)闉殡姵爻潆姾头烹姷闹麟娐凡捎昧藥装俜睾蛶资綆装侔才?。然而，雖然開啟特性極好，但在機(jī)械繼電器中存在發(fā)生接觸粘接和焊接的風(fēng)險(xiǎn)。如果機(jī)械繼電器焊縫，充放電電路不能關(guān)閉，這是非常危險(xiǎn)。因此，有必要檢查機(jī)械繼電器是否存在焊接現(xiàn)象。由于焊接的檢測不需要一個(gè)巨大的電流流，它已被確認(rèn)使用一個(gè)高耐壓光電繼電器，沒有粘接風(fēng)險(xiǎn)。

圖4機(jī)械繼電器焊縫檢測電路（示例）

總電池電壓監(jiān)測電路

環(huán)保車輛（電動(dòng)汽車、PHEV）只能隨時(shí)或經(jīng)常在電機(jī)上運(yùn)行。此時(shí)，特別是在啟動(dòng)時(shí)，最好用巨大的電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因此，了解單個(gè)電池單元和整個(gè)車載電池的總電壓狀態(tài)是很重要的，因此需要監(jiān)測該總電池電壓。

由于需要進(jìn)行全電壓監(jiān)測，因此，當(dāng)車輛正在運(yùn)行或停止運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常需要進(jìn)行電壓監(jiān)測。因此，具有接觸開/關(guān)閉限制和慢開關(guān)速度的機(jī)械繼電器不合適。此外，對于電壓監(jiān)測，通常通過并聯(lián)電阻等進(jìn)行精確測量，并且只施加最小的電流。從這些背景下，光電繼電器是一個(gè)非觸式繼電器，被用作該電路的開/斷開關(guān)。

圖5蓄電池總電壓監(jiān)測電路（示例）

接地故障檢測電路

在汽車電氣化方面，車輛駕駛能力和車載舒適性有所提高，而高壓需要乘客和周邊設(shè)備的安全。應(yīng)避免電池電壓流入機(jī)箱。特別是，在接地故障或短路的情況下，會存在嚴(yán)重的觸電風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致通過最小電阻與外殼的連續(xù)性。因此，需要一個(gè)接地故障檢測電路，以確認(rèn)配備高壓蓄電池的車輛需要絕緣。

在各種事件中，如在駕駛、停車、充電等時(shí)，以及在不同事件之間，都要檢查有無接地故障。另外，如果電路開關(guān)仍處于接通狀態(tài)，則無法進(jìn)行正常檢測。因此，接地故障檢測電路上的開關(guān)采用無接觸磨損和焊接風(fēng)險(xiǎn)的高耐壓光電繼電器。

圖6接地故障檢測電路（示例）

電動(dòng)汽車需要進(jìn)行的耐壓試驗(yàn)

當(dāng)采用60V及以上的電池系統(tǒng)，需要采取絕緣措施時(shí)，需要確認(rèn)電動(dòng)汽車和車內(nèi)設(shè)備是否具有適當(dāng)?shù)慕^緣功能。本應(yīng)用說明描述了以下標(biāo)準(zhǔn)，專門用于保護(hù)人員免受電氣危害。

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6469-3、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS D5305-3、中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18384-3等。

這些標(biāo)準(zhǔn)是IEC 60664；低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣協(xié)調(diào)，適用于1000 VAC或1500 VDC以下的設(shè)備，以及IEC 61140；觸電保護(hù)。以JIS D5305-3為例，一種設(shè)備大致分為危險(xiǎn)帶電部分可能與人接觸的II類設(shè)備，以及危險(xiǎn)帶電部分不與人接觸的I類設(shè)備。并且在每個(gè)設(shè)備中，都需要每個(gè)絕緣電阻。檢查此絕緣電阻的程序是耐壓試驗(yàn)。

對于一級和二級設(shè)備，耐壓試驗(yàn)的定義如下。但是，本申請說明假設(shè)該設(shè)備為I類設(shè)備。

耐壓試驗(yàn)電壓

一級設(shè)備： 基本絕緣 2U+1000Vrms（注）

二級設(shè)備： 輔助絕緣 2U+2250Vrms雙絕緣/增強(qiáng)絕緣 2U+3250Vrms

U：電路的最大工作電壓

（注）本測試要求在50到60Hz的交流電壓下，將1000到兩倍的電池電壓施加1分鐘。如果采用直流電進(jìn)行測試，則測試電壓必須是交流電壓的1.41倍。

當(dāng)一級設(shè)備*1，電池電壓(U) =800V

(2U + 1000) = 2×800 + 1000 = 2600Vrms/ 1min.?2600 × 1.41 = 3666Vdc/ 1min.

如上示例所示，在承受電壓測試時(shí)，對車載設(shè)備施加明顯高于電池電壓的電壓。當(dāng)然，這種測試也適用于絕緣裝置。當(dāng)使用光電繼電器時(shí)，需要配置一個(gè)電路，其中即使在承受電壓測試中，光電繼電器也不會被損壞。

機(jī)械繼電器焊接檢測電路和蓄電池總電壓監(jiān)測電路

在正常運(yùn)行期間，在MOSFET之間只施加電池電壓，因此使用低于推薦的運(yùn)行電壓不會破壞光電繼電器。

此外，當(dāng)根據(jù)市場上常見的400V以下和800V以下的電池系統(tǒng)計(jì)算耐壓試驗(yàn)電壓時(shí)，

電池電壓= 400V : 2×400 + 1000 = 1800 Vrms/1min.?Approximately 2538Vdc/ 1min.電池電壓= 800V : 2×800 + 1000 = 2600 Vrms/1min.?Approximately 3666Vdc/ 1min.

測試電壓等于或低于相應(yīng)的隔離電壓（BVs）3750Vrms、5000Vrms。因此，在機(jī)械繼電器焊接檢測電路和電池總電壓監(jiān)測電路中，無需采用特殊的電路配置，即可使用光電繼電器。

表2正常運(yùn)行/耐壓測試（機(jī)械繼電器焊縫檢測電路、蓄電池總電壓監(jiān)測電路）

接地故障傳感電路

同樣，接地故障檢測器在正常運(yùn)行時(shí)只施加MOSFET之間的電池電壓。因此，如果使用低于推薦工作電壓，光電繼電器不會損壞。

另一方面，在耐壓測試期間，

電池電壓= 400V : 1800 Vrms/1min.?Approximately 2538Vdc/ 1min.電池電壓= 800V

2600 Vrms/1min.?Approximately 3666Vdc/ 1min.

上述電壓施加于MOSFET之間。這些電壓明顯超過了TLX9175J、TLX9160T的阻塞電壓。因此，有必要配置一個(gè)電路，通過串聯(lián)多個(gè)單元或插入一個(gè)巨大的電阻，或兩者都配置，以便光電繼電器在承受電壓測試中不會被損壞。

表3正常運(yùn)行/耐壓試驗(yàn)（接地故障檢測電路）

TLX9160T的應(yīng)用

一般來說，光電繼電器的阻塞電壓是由直流電壓來保證。在承受電壓測試時(shí)，需要檢查光電繼電器是否能保持交流測試電壓的峰值電壓或直流測試電壓。如上所述，接地故障檢測電路通常由幾個(gè)串聯(lián)連接的光電繼電器組成。因此，以下假設(shè)TLX9160T在800V電池系統(tǒng)中串聯(lián)2個(gè)電腦。

圖7接地故障檢測電路（蓄電池電壓：800V)

由于電池電壓為800V，耐壓試驗(yàn)為2600Vrms/1min或3666Vdc/1min。該電壓必須保持在TLX9160T 2片上。

數(shù)據(jù)表所示，TLX9160T的阻塞電壓為1500（min），3666V-1500V×2=666V即使兩個(gè)單元串聯(lián)連接，666V也不能保持耐壓試驗(yàn)電壓。此時(shí)，如果保護(hù)光電繼電器的限制性電阻不在電路上，則對光電繼電器施加過大的電流并被破壞。不能保留的電壓必須劃分為限位電阻器。極限電阻的設(shè)置是根據(jù)數(shù)據(jù)表中描述的雪崩電流計(jì)算出來的。

TLX9160T數(shù)據(jù)表保證了雪崩電流。與典型的MOSFET有時(shí)保證的雪崩電流不同，如果即使MOSFET中斷，電流被限制在小于這個(gè)電流，設(shè)備在一分鐘的連續(xù)通電（壽命：多達(dá)5倍）內(nèi)也不會損壞。

由于TLX9160T的雪崩電流保證值為0.6 mA，666V/0.6 mA=1.11MΩ通過將1.11MΩ或更多的極限電阻與產(chǎn)品串聯(lián)連接，TLX9160T即使在承受電壓測試下也不會被破壞。

TLX9175J的應(yīng)用

由于TLX9175J用于400V或更少的系統(tǒng)中，因此假定它也用于地面故障檢測器中。

圖8接地故障檢測電路（蓄電池電壓：400V)

對于400V電池系統(tǒng)，耐壓試驗(yàn)為1800Vrms/1分鐘?；蛘叽蠹s是2538V/1分鐘。該電壓必須保持在TLX9175J上。

根據(jù)數(shù)據(jù)表中的絕對最大額定值，TLX9175J的阻塞電壓為600V。必須至少5個(gè)TLX9175J串聯(lián)以保持2538 V。在TLX9175J中，MOSFET不得施加高于600V的電壓。因此，齊納二極管等保護(hù)裝置必須與各自的光電繼電器并聯(lián)連接，以保護(hù)TLX9175J。

在阻塞電壓以上使用的注意事項(xiàng)

當(dāng)電壓高于阻塞電壓時(shí)，請勿操作產(chǎn)品的開關(guān)。由于耐壓試驗(yàn)只是一種光電繼電器始終處于關(guān)閉狀態(tài)的試驗(yàn)，即使施加的電壓高于光電繼電器的封鎖電壓，也可分為其他產(chǎn)品和電阻器使用。然而，在施加高于阻塞電壓的環(huán)境中，開/關(guān)的開關(guān)操作可能導(dǎo)致由于測試之間的開關(guān)失調(diào)而攜帶過高的電壓，這可能導(dǎo)致光電繼電器或保護(hù)裝置故障，或光電繼電器壽命縮短。