专利名称：用于门驱动器的光耦合器电路的制作方法
用于门驱动器的光耦合器电路相关申请的交叉引用本申请要求于2010年I月19日提交的、题为“0PT0C0UPLER CIRCUIT FOR GATEDRIVER”的美国临时专利申请No. 61/296，220的优先权和权益，该美国临时专利申请通过引用方式整体纳入本文。
背景技术：
本申请总体涉及在具有高压和/或高功率电路的应用中使用光耦合器(optocoupler).本申请更具体地涉及一种使用光耦合器在可变速驱动中的门驱动器电路或板中提供电气隔离的系统和方法，其中在光I禹合器的输入和输出之间出现大的共模电压 瞬变。光稱合器包括光电发光二极管(LED)和光电检测器,或者在LED和光电检测器之间的光电晶体管。光耦合器可用于隔离两个电路。当在门驱动器应用中针对高电压和/或高功率电路使用光耦合器时，光耦合器的隔离侧可被暴露至高压、共模瞬变。光耦合器具有可在每微秒数十千伏特(KV/y s)的范围内的共模抗扰额定值。如果共模电压瞬变超过该共模抗扰额定值，则光耦合器会发生故障。光耦合器故障可导致光电LED被无意地切换接通或关断。在敏感应用中，例如，可变速驱动(VSD)的门驱动器，光耦合器的无意切换可导致DC链路电压破坏性击穿选通的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。在光稱合器中，光电LED和光电检测器不是电气去稱合的。电容稱合可出现在光电LED和光电检测器之间。稱合电容可被表不为连接在光电LED的阳极和阴极的每一个与光耦合器的输出之间的电容器。从而，共模电压中的大的瞬变可导致电流流向光电LED的阳极或阴极，或者从光电LED的阳极或阴极流出电流。由于共模电压瞬变引起的额外电流可导致光电LED发生故障，例如将光电检测器无意地接通或关断。所公开的系统和/或方法的预期优点满足这些需要中的一个或多个，或者提供其他有利特征。其他特征和优点将从本说明书中变得明了。所公开的教导包括落在权利要求范围内的那些实施方案，而不管它们是否完成上述需要中的一个或多个。
发明内容
本发明针对一种光稱合器电路。所述光稱合器电路被布置用于最小化光电发光二极管(LED)的意外接通或关断。所述光耦合器电路包括与光电LED并联连接的第一开关。所述光电LED的阳极连接至功率源，当所述第一开关打开时所述光电LED被激励。所述光电LED的阴极通过第一电阻器连接到地。所述光电LED的阴极还与第二开关、第二电容器以及第二电阻器串联连接到地。所述第一开关和所述第二开关被配置为在互补状态下工作，以防止所述第二电容器放电。本发明还针对一种包括互补开关集成电路和光耦合器电路的门驱动器电路。所述光率禹合器电路包括与光电发光二极管(LED)并联连接的第一开关。所述光电LED的阳极连接至所述功率源，当所述第一开关打开时所述光电LED被激励。光电LED的阴极通过第一电阻器连接到地。光电LED的阴极还与第二开关、第二电容器以及第二电阻器串联连接。所述第一开关和所述第二开关被配置为在互补状态下工作，以防止所述第二电容器放电。此外,光稱合器电路包括与一个光电LED并联连接的开关，所述光电LED具有阳极和阴极。所述阳极通过一个去耦电容器连接至功率源。所述光耦合器电路被布置使得所述开关在打开位置时接通所述光电LED。当闭合时，所述开关将电流引导通过一个串联电阻器到地，并且将电流分流远离光电LED以关断所述光电LED。一个第二电容器连接至所述阴极。所述第二电容器与一个第二开关和一个连接到地的限流电阻器串联线接。所述第一开关和所述第二开关以互补状态工作，从而防止连接阴极的电容器放电。本文所述的实施方案的一个优点在于，光电耦合器可在超出它们的额定共模抗扰范围上工作。本文所述的实施方案的另一个优点在于，用光电耦合器代替光学纤维器件。
图I不出光f禹合器电路的一个不例实施方案。图2示出一个光耦合器电路，标明了由于输入-输出电压瞬变而进入阳极端子的电流或者从阳极端子出来的电流。图3不出一个光I禹合器电路,其中光电LED处在接通状态，以及由于输入-输出电压瞬变弓I起的从阴极端子获得的电流。图4不出一个光I禹合器电路,其中光电LED处在接通状态，以及由于输入-输出电压瞬变弓I起的流入阴极端子的电流。图5示出一个光耦合器电路的替代实施方案，其中光电LED处在接通状态，以及由于输入-输出电压瞬变引起的流入阴极端子的电流以及从阴极端子流出的电流。图6不出在VSD的门驱动器板电路中的光I禹合器的一个不例实施方案。
具体实施例方式图I示出光耦合器电路10的示意图，该光耦合器电路10包括光电LED 20。光耦合器电路10可被表不为包括连接在光稱合器电路10的输入部分16和光稱合器电路10的输出部分18之间的寄生电容器12、14。线30代表不存在电接触的隔离屏障。接下来参照图2，光耦合器电路10可被一个与光电LED 20并联连接的开关(SWl)22控制。在一个实施方案中，当开关22与光电LED20并联连接时，使用开关22控制光电LED 20提供了对共模瞬变的抗扰和/或免受共模瞬变的保护。光耦合器电路10包括光电LED 20的阳极24，该阳极24通过去耦电容器28 (C4i5)连接至功率源26。在一个实施方案中，去耦电容器28可具有约0. I微法(Uf)的电容。将开关22打开导致电流流入光电LED 20和串联电阻器32到地34，将光电LED 20切换到激励或“通”态。将开关22闭合导致电流流经开关22和串联电阻器32 (R^r)到地34，并且将电流分流远离光电LED20，从而将光电LED 20切换到断态。在一个实施方案中，串联电阻器32可具有约169欧姆的电阻值，但是对于串联电阻器32也可使用更高或更低的电阻值，只要电流被引导经过串联电阻器32而非光电LED20。无论开关22是在通态还是在断态，由于过量共模电压瞬变而感生(induce)进入阳极24中的任何电流都被提供一条到达功率源26和去耦电容器28的直接路径。由此防止了光电LED 20的意外激励或去激励。由于过量共模电压瞬变而感生进入阴极36中的任何电流，可导致光耦合器10发生故障。光耦合器电路10可在两种不同情况下被分析，一种是在电流流入阴极36的情况下，另一种是当电流从光电LED 20的阴极36流出时。参照图3，电压瞬变从光电LED 20的阴极36中感生电流Ito JIeathtxie from)。如果开关22打开，则光电LED 20处在导通状态，电流流经光电LED 20。从阴极36流出经过耦合电容器14的电流I丨能够向光电LED20增加电流，该光电LED 20已经处于导通状态。因此，从阴极36流出经过耦合电容器14的电流I S3ftI不能导致光耦合器电路10的错误触发。然而，如果开关22处在闭合状态，则从光电LED的阴极36获得的电流I&可流经开关22。开关22可具有数百毫欧姆范围内的电阻，这在电气开关中是常见的。由于闭合开关22的低电阻值，从阴极36流出的电流必须大，才能使光电LED 20被I to —^敫励。换言之，由I j引起的开关22两端的压降必须与光电LED 20的正向偏压Vf—样高，才能使光电LED 20被无意地激励。经过寄生 输入-输出电容器14的电流必须极高，例如，在数安培的范围内，才能使光耦合器电路错误触发，即，使得开关22降低的电压如同光电LED 20的VF—样高。用于光稱合器的寄生输入-输出电容的典型值在PF范围内。因此，共模电压瞬变或许必须在数千KV/ii s的范围内才使光电LED 20发生意外错误触发。图4示出电压瞬变感生的一个电流I _ —A(I——int。)流入光电LED 20的阴极36。电流I入流入串联电阻器32并且增加串联电阻器32两端的压降，以减少光电LED20两端的压降并且可导致光电LED20关断。因此，对于处于通态的光电LED 20，可存在无意地切换到断态的一种趋势。例如，串联电阻器32两端的十分之几伏特范围内的压降的增加可导致光电LED无意地关断。经过寄生输入-输出电容器14的数毫安范围内的电流可导致串联电阻器32两端出现这种额外的压降。光耦合器的寄生输入-输出电容的典型值在数皮法(PF)的范围内。相对小的共模电压瞬变——例如，数KV/ii s——可导致数毫安的电流并且可导致一个已接通的光电LED 20的意外关断。当光电LED接通时电流流入光电LED 20的阴极36的情形是个需要关注的问题，这是因为相对小的共模电压瞬变可导致光耦合器10故障。如果开关22闭合，流入光电LED 20的阴极36的电流可流经开关22且流入去耦电容器28。由Isw A感生的开关22两端的电压降，可增加光电LED 20上的反向偏压，从而不影响光电LED 20的关断状态。图5示出提供额外或增加的对共模电压瞬变的抗扰或免受共模电压瞬变的保护的光耦合器电路10的实施方案。第二电容器或阴极电容器38 (Csw)连接至光电LED 20的阴极36。电容器38与第二开关40 (SW2)和连接到地34的限流电阻器42 (Rp_)串联线接。在一个示例实施方案中，阴极电容器38可具有约0. I微法(y f)的电容值，限流电阻器42可具有约15欧姆(Q )的电阻值。使用电容器38、第二开关40和限流电阻器42，可防止光耦合器电路10由于共模电压瞬变而意外关断。为了增加在光电LED 20接通时光耦合器电路10的共模抗扰，阴极电容器38不能直接连接在光电LED 20的阴极端子36和地34之间，这是因为每次光电LED切换状态时阴极电容器都会重复充电和放电。仅在当光电LED 20处于通态且开关22打开时需要阴极电容器38。从而，阴极电容器38与如下一个开关40串联连接，该开关40与开关22互补工作，即，开关40在开关22闭合时打开(光电LED断)，开关40在开关22打开时闭合(光电LED通)，从而防止电容器放电。开关22、40可以是任意类型的机械或电气开关。在至少一个实施方案中，开关22、40可以是具有共同输入和互连的互补晶体管对，使得一个晶体管在另一个晶体管关断时接通，反之亦然。当开关40闭合时，可使用额外的切换式R-C串联电路，即，阴极电容器38和限流电阻器42。在第一切换事件中，开关22处于打开位置，开关40处于闭合位置。阴极电容器38在光电LED 20的初始激励期间充电。为了限制在初始充电期间可流经光电LED 20和阴极电容器38的峰值电流，限流电阻器42与阴极电容器38和地34串联连接。如果开关22、40不是先断后合(break-before-make)类型的开关，则限流电阻器42可具有这样一个电阻值，该电阻值被选择以将经过开关22、40的峰值电流限制到一个预期水平。阴极电容器38的充电最初可在光电LED 20中形成峰值电流，该峰值电流可导致光电LED 20发生故障或失效。电阻器42的电阻值应被选择为将光电LED 20中的峰值电流限制在光电LED 20的规定额定值内。在阴极电容器38充电之后，阴极电容器38可保持充电。然后，通过串联电阻器32确定流经光电LED 20的电流。在一个实施方案中，阴极电容器38可以是具有低泄漏电流的电容器。 当开关22打开时，电流I陳丨从功率源26、去耦电容器28和阴极电容器38流出，经过寄生电容器14。由于光电LED 20提供了具有最小阻抗的路径，由此从阴极电容器38流出的电流将被最小化，因为大部分电流经过已激励的光电LED 20被取自功率源26和电容器28。这种情况下的共模抗扰将不受串联R-C电路44的影响，光耦合器电路10将保持高共模瞬变抗扰额定值。在相反情况下，电流I A从寄生电容14流入阴极端子36。光耦合器电路10包括当开关22打开时被激励的光电LED 20，同时电流流入阴极36。当电流Isw入流入阴极36时，图2至4中示出的光耦合器电路具有对共模电压瞬变较低的抗扰，即，流入光电LED20的阴极36的任何电流将会流经串联电阻器32并增加串联电阻器两端的压降，潜在地导致光电LED 20关断。在那种情况下，数KV/ii s的共模电压瞬变将导致光电LED 20的意外关断。由于增加了串联R-C电路44，流入光电LED的阴极36的电流具有两个路径到地34，一个路径经过串联电阻器32，另一个路径经过串联R-C电路44，S卩，阴极电容器38、开关40以及限流电阻器42。大部分电流流过串联R-C电路44，由阴极电容器38、开关40和限流电阻器42限定的具有较低阻抗的路径。串联R-C电路44可具有串联电阻器32的特性阻抗的约1/100 (l/100th)的特性阻抗。从而，如图5中所示的与串联电阻器32并联连接的串联R-C电路44会要求一个大于原始电路图2-4的电流I 入约100倍的I 人电流，以产生导致故障的相同压降。因此，图5的光耦合器电路10提供大于图2-4中所示的电路约100倍的对共模电压瞬变的抗扰。由此，具有连接在阴极36和地34之间的串联R-C电路44的光耦合器电路10提供增强的对共模瞬变的抗扰，从数KV/ u s增加至数百KV/ y S。由此，串联R-C电路44为光耦合器电路10提供了在增加的共模电压瞬变水平下工作的能力。 接下来参照图6，用于VSD中的门驱动器板电路50示出了具有串联R-C电路44的光耦合器电路10的一个示例实施方案和实现方式。在电路50中，使用一个互补开关集成电路(IC) 52，例如，由马萨诸塞州 Norwood 的 Analog Devices, Inc. Inc.制造的〈I Q CMOS1.8V至5.5V，双SPST开关，型号No.ADG823。IC 52中的开关可具有非常低的通态电阻，并且是具有如32毫微秒(ns)—样小的延迟的先断后合类型的开关。在替代实施方案中，使用其他互补开关1C，例如，由Analog Devices, Inc.制造的CMOS低压4 Q双SPST开关，型号 No.ADG723;由加利福尼亚 Sunnyvale 的 Maxim Integrated Products 制造的高速、低压、4 Q、双SPST CMOS模拟开关，型号No. MAX4643 ;或其他类似的互补开关1C。在IC 52中，一个在引脚5&6两端的常闭合的开关连接在光稱合器电路10的光电LED 20两端,一个在引脚1&2两端的常打开的开关连接在阴极电容器38和限流电阻器42之间。在至少一个示例实施方案中，光稱合器电路可以是加利福尼亚Palo Alto的Hewlett-Packard Company制造的单通道高速光耦合器，型号No. HCNW4503，但是本发明不限于任一种光耦合器电路，且可使用其他类似器件。在至少一个示例实施方案中，串联电阻器32可以是(169欧姆)，限流电阻器42可以是15欧姆，去耦电容器28可以是0. luF，阴极电容器38可以是0. IuF0应理解，本申请不限于下列说明中列出的或者附图中示出的细节或方法。还应理解，此处使用的措词和术语仅用于说明目的并且不应认为是限制。 尽管附图中示出和本文所述的示例实施方案是目前优选的，但应理解这些实施方案仅通过示例方式给出。从而，本申请不限于具体实施方案。重要地是，注意，不同示例实施方案中所示的光耦合器电路的构造和布置仅是示例性的。尽管在本公开文本中仅详细描述了一些实施方案，但阅读本公开文本的人员将能快速明了，在没有实质偏离本公开内容中所述的主题的新颖教导和优势的情况下，许多改型都是可行的(例如，改变各种元件的大小、尺寸、结构、形状以及比例；参数值；安装布置；使用的材料、颜色、定向等)。例如，视为整体形成的元件可由多个部分或元件构成，元件的位置可颠倒或以其他方式改变，分立元件的性质或数目或者位置可被修改或改变。从而，所有这些改型都意在包括在本申请的范围内。根据替代实施方案，任何过程或方法步骤的顺序或次序可改变或重新排列。在本公开文本中，任何装置加功能的句子都意在覆盖本文所述的执行所述功能的结构，以及不仅包括结构等同物还包括等同结构。在不偏离本申请的范围的情况下，可对示例实施方案的设计、工作条件以及布置做出其他替代、改型、变化和省略。
权利要求
1.一种光耦合器电路，包括 第一开关和光电发光二极管(LED),所述第一开关与所述光电LED并联连接； 所述光电LED的阳极连接至所述第一开关，所述第一开关被配置为当所述第一开关打开时激励所述光电LED;以及 所述光电LED的阴极通过第一电阻器连接到地； 所述光电LED的阴极还与第二开关、第二电容器以及第二电阻器串联连接到地； 其中所述第一开关和所述第二开关被配置为在互补状态工作，以防止所述第二电容器放电。
2.根据权利要求I所述的光耦合器电路，其中所述第一开关被配置为将来自所述光电LED的电流分流，以去激励所述光电LED。
3.根据权利要求2所述的光耦合器电路，其中经过所述第一开关的一个分流电流流经所述第一电阻器到地。
4.根据权利要求I所述的光耦合器电路，进一步包括，所述第二电容器直接连接至所述光电LED的阴极。
5.根据权利要求4所述的光耦合器电路，进一步包括，所述第二电容器连接至所述第二开关，所述第二开关与所述第二电阻器串联，所述第二电阻器被配置为限制通过所述第二开关流到地的电流。
6.根据权利要求I所述的光耦合器电路，其中所述第二电容器具有约0.I微法的电容。
7.根据权利要求6所述的光耦合器电路，其中所述第二电阻器具有约15欧姆的电阻。
8.根据权利要求I所述的光耦合器电路，其中所述第一开关和所述第二开关的互补工作状态被配置为防止所述第二电容器的重复充电和放电。
9.根据权利要求I所述的光耦合器电路，其中当所述第一开关打开以及所述第二开关闭合时，所述第二电容器在所述光电LED的初始激励期间充电；以及 所述第二电阻器被配置为限制在光电LED的初始激励期间流经所述光电LED和所述第二电容器的峰值电流。
10.根据权利要求I所述的光耦合器电路，其中所述第一开关和所述第二开关中的每一个被配置为在该第一开关和该第二开关中的另一个开关断开之前关闭。
11.根据权利要求10所述的光耦合器电路，其中所述第二电阻器具有一个电阻，该电阻被预先选择以将经过所述第一开关和所述第二开关的峰值电流限制到一预定水平，所述预定水平在所述光电LED的规定电流额定值内。
12.根据权利要求I所述的光耦合器电路，其中当所述第二电容器被充电时，经过所述光电LED的电流水平由所述第一电阻器的电阻值确定。
13.根据权利要求I所述的光耦合器，其中所述第二电容器包括低泄漏电流型电容器。
14.根据权利要求I所述的光耦合器，进一步包括 第一电容器，连接至所述光电LED的阳极并且与一个功率源并联连接；所述第一电容器被配置为向感生的电流提供一个到地的分流路径，以防止所述光电LED的意外激励或去激励。
15.根据权利要求14所述的光耦合器，其中所述第一电容器包括约0.I微法(u f)的电容值。
16.一种门驱动器电路，包括 一个互补开关集成电路，包括第一开关和第二开关，所述第一开关和所述第二开关被配置为在互补状态下工作；以及 光耦合器电路，所述光耦合器电路包括 光电发光二极管(LED)和光电晶体管； 所述光电LED的阳极连接至所述第一开关，所述第一开关被配置为当所述第一开关打开时激励所述光电LED;以及 所述光电LED的阴极通过第一电阻器连接到地； 所述光电LED的阴极还与第二开关、第二电容器以及第二电阻器串联连接到地； 其中所述第一开关和所述第二开关被配置为在互补状态工作，以防止所述第二电容器放电。
17.根据权利要求16所述的门驱动器电路，其中所述互补开关集成电路包括一对先断后合类型的互补开关，所述互补开关具有约32毫微秒的工作延迟。
18.根据权利要求16所述的门驱动器电路，其中所述光耦合器电路包括单通道高速光率禹合器。
19.根据权利要求16所述的门驱动器电路，所述互补开关进一步包括一个常闭合的开关和一个常打开的开关，所述常闭合的开关连接在所述光电LED两端，所述常打开的开关连接在一个阴极电容器和一个限流电阻器之间。
20.根据权利要求16所述的门驱动器电路，进一步包括，一个功率源，所述光电LED的阳极连接至所述功率源。
全文摘要
一种光耦合器电路(10)，包括与光电LED(20)并联连接的开关(22)，该光电LED(20)具有阳极和阴极。该阳极通过一个去耦电容器(28)连接至功率源。光耦合器电路被布置使得当所述开关在打开位置时接通该光电LED。当闭合时，开关(22)将引导电流经过串联电阻器(32)到地，并将电流分流远离光电LED以关断该光电LED。第二电容器(38)连接至光电LED的阴极。第二电容器与第二开关(40)和连接到地的限流电阻器(42)串联线连。第一开关(22)和第二开关(04)在互补状态工作以防止连接阴极的电容器(38)放电。所公开的光耦合器电路(10)提供在增加的共模电压瞬变水平下工作的能力。
文档编号H04B10/00GK102714495SQ201180006239
公开日2012年10月3日 申请日期2011年1月12日 优先权日2010年1月19日
发明者H·R·施奈兹卡, S·阿蒂加-曼诺 申请人:江森自控科技公司