TLX9160T高壓光電繼電器的應用和耐壓性能研究

RC 網(wǎng)絡(luò )用于控制可能會(huì )誤導通晶閘管的電壓瞬態(tài)。這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為緩沖器。 簡(jiǎn)單緩沖器由串聯(lián)電阻和圍繞晶閘管放置的電容組成。 這些元器件與負載電感一同形成串聯(lián)CRL 電路。緩沖 器理論的基礎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，則會(huì )造成電路工作不穩定，并損壞半導體器 件。 出于可靠性考慮，可能需同時(shí)采取導通和關(guān)斷保護。有 時(shí)，晶閘管必須要能在某個(gè)負載范圍內工作。使用的晶 閘管類(lèi)型、電路配置和負載特性都有影響。 緩沖器設計時(shí)需要權衡取舍。這些權衡包括成本、額定 電壓、峰值電壓和導通應力。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內部結構圖當電流流過(guò)

當PDA接收到燈時(shí)，PDA產(chǎn)生電力（光伏發(fā)電）。MOSFET通過(guò)充電連接電源的MOSFET門(mén)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(mén)充電，從而導致關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)，MOSFET的柵極電荷通過(guò)pda芯片中的控制電路迅速被拉出。

此外，TLX9160T已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以適應環(huán)境友好型車(chē)輛中的更高電壓，并假定工作電壓高達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(guò)消除輸出側的四個(gè)端子，確保了5mm的爬電。

TLX9160T在抑制電壓增強和雪崩電流性能增加方面也優(yōu)于TLX9175J。我們的車(chē)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℃，除非另有規定

1在1200V條件下進(jìn)行了高壓應用的可靠性試驗。

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

3當工作電壓為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用

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

(1) 蓄電池總電壓監測電路

(2) 和接地故障檢測電路

(3) 的蓄電池管理系統（BMS）

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

圖3高壓電阻光電繼電器應用方框圖

機械繼電器焊接檢測電路

通常使用具有優(yōu)異特性的機械繼電器，因為為電池充電和放電的主電路采用了幾百伏特和幾十到幾百安培。然而，雖然開(kāi)啟特性極好，但在機械繼電器中存在發(fā)生接觸粘接和焊接的風(fēng)險。如果機械繼電器焊縫，充放電電路不能關(guān)閉，這是非常危險。因此，有必要檢查機械繼電器是否存在焊接現象。由于焊接的檢測不需要一個(gè)巨大的電流流，它已被確認使用一個(gè)高耐壓光電繼電器，沒(méi)有粘接風(fēng)險。

圖4機械繼電器焊縫檢測電路（示例）

總電池電壓監測電路

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

由于需要進(jìn)行全電壓監測，因此，當車(chē)輛正在運行或停止運行時(shí)，經(jīng)常需要進(jìn)行電壓監測。因此，具有接觸開(kāi)/關(guān)閉限制和慢開(kāi)關(guān)速度的機械繼電器不合適。此外，對于電壓監測，通常通過(guò)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(kāi)/斷開(kāi)關(guān)。

圖5蓄電池總電壓監測電路（示例）

接地故障檢測電路

在汽車(chē)電氣化方面，車(chē)輛駕駛能力和車(chē)載舒適性有所提高，而高壓需要乘客和周邊設備的安全。應避免電池電壓流入機箱。特別是，在接地故障或短路的情況下，會(huì )存在嚴重的觸電風(fēng)險，從而導致通過(guò)最小電阻與外殼的連續性。因此，需要一個(gè)接地故障檢測電路，以確認配備高壓蓄電池的車(chē)輛需要絕緣。

在各種事件中，如在駕駛、停車(chē)、充電等時(shí)，以及在不同事件之間，都要檢查有無(wú)接地故障。另外，如果電路開(kāi)關(guān)仍處于接通狀態(tài)，則無(wú)法進(jìn)行正常檢測。因此，接地故障檢測電路上的開(kāi)關(guān)采用無(wú)接觸磨損和焊接風(fēng)險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(chē)需要進(jìn)行的耐壓試驗

當采用60V及以上的電池系統，需要采取絕緣措施時(shí)，需要確認電動(dòng)汽車(chē)和車(chē)內設備是否具有適當的絕緣功能。本應用說(shuō)明描述了以下標準，專(zhuān)門(mén)用于保護人員免受電氣危害。

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

這些標準是IEC 60664；低壓系統內設備的絕緣協(xié)調，適用于1000 VAC或1500 VDC以下的設備，以及IEC 61140；觸電保護。以JIS D5305-3為例，一種設備大致分為危險帶電部分可能與人接觸的II類(lèi)設備，以及危險帶電部分不與人接觸的I類(lèi)設備。并且在每個(gè)設備中，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。

對于一級和二級設備，耐壓試驗的定義如下。但是，本申請說(shuō)明假設該設備為I類(lèi)設備。

耐壓試驗電壓

一級設備： 基本絕緣 2U+1000Vrms（注）

二級設備： 輔助絕緣 2U+2250Vrms雙絕緣/增強絕緣 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。

當一級設備*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(chē)載設備施加明顯高于電池電壓的電壓。當然，這種測試也適用于絕緣裝置。當使用光電繼電器時(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(huì )被損壞。

機械繼電器焊接檢測電路和蓄電池總電壓監測電路

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

此外，當根據市場(chǎng)上常見(jiàn)的400V以下和800V以下的電池系統計算耐壓試驗電壓時(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的隔離電壓（BVs）3750Vrms、5000Vrms。因此，在機械繼電器焊接檢測電路和電池總電壓監測電路中，無(wú)需采用特殊的電路配置，即可使用光電繼電器。

表2正常運行/耐壓測試（機械繼電器焊縫檢測電路、蓄電池總電壓監測電路）

接地故障傳感電路

同樣，接地故障檢測器在正常運行時(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(huì )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(guò)了TLX9175J、TLX9160T的阻塞電壓。因此，有必要配置一個(gè)電路，通過(guò)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(huì )被損壞。

表3正常運行/耐壓試驗（接地故障檢測電路）

TLX9160T的應用

一般來(lái)說(shuō)，光電繼電器的阻塞電壓是由直流電壓來(lái)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TLX9160T在800V電池系統中串聯(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，耐壓試驗為2600Vrms/1min或3666Vdc/1min。該電壓必須保持在TLX9160T 2片上。

數據表所示，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電壓。此時(shí)，如果保護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(guò)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。極限電阻的設置是根據數據表中描述的雪崩電流計算出來(lái)的。

TLX9160T數據表保證了雪崩電流。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，設備在一分鐘的連續通電（壽命：多達5倍）內也不會(huì )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(guò)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(huì )被破壞。

TLX9175J的應用

由于TLX9175J用于400V或更少的系統中，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，耐壓試驗為1800Vrms/1分鐘?；蛘叽蠹s是2538V/1分鐘。該電壓必須保持在TLX9175J上。

根據數據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，齊納二極管等保護裝置必須與各自的光電繼電器并聯(lián)連接，以保護TLX9175J。

在阻塞電壓以上使用的注意事項

當電壓高于阻塞電壓時(shí)，請勿操作產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)。由于耐壓試驗只是一種光電繼電器始終處于關(guān)閉狀態(tài)的試驗，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(kāi)/關(guān)的開(kāi)關(guān)操作可能導致由于測試之間的開(kāi)關(guān)失調而攜帶過(guò)高的電壓，這可能導致光電繼電器或保護裝置故障，或光電繼電器壽命縮短。