專利名稱：用于門驅(qū)動器的光耦合器電路的制作方法
用于門驅(qū)動器的光耦合器電路相關申請的交叉引用本申請要求于2010年I月19日提交的、題為“0PT0C0UPLER CIRCUIT FOR GATEDRIVER”的美國臨時專利申請No. 61/296，220的優(yōu)先權和權益，該美國臨時專利申請通過引用方式整體納入本文。
背景技術：
本申請總體涉及在具有高壓和/或高功率電路的應用中使用光耦合器(optocoupler).本申請更具體地涉及一種使用光耦合器在可變速驅(qū)動中的門驅(qū)動器電路或板中提供電氣隔離的系統(tǒng)和方法，其中在光I禹合器的輸入和輸出之間出現(xiàn)大的共模電壓 瞬變。光稱合器包括光電發(fā)光二極管(LED)和光電檢測器,或者在LED和光電檢測器之間的光電晶體管。光耦合器可用于隔離兩個電路。當在門驅(qū)動器應用中針對高電壓和/或高功率電路使用光耦合器時，光耦合器的隔離側可被暴露至高壓、共模瞬變。光耦合器具有可在每微秒數(shù)十千伏特(KV/y s)的范圍內(nèi)的共模抗擾額定值。如果共模電壓瞬變超過該共模抗擾額定值，則光耦合器會發(fā)生故障。光耦合器故障可導致光電LED被無意地切換接通或關斷。在敏感應用中，例如，可變速驅(qū)動(VSD)的門驅(qū)動器，光耦合器的無意切換可導致DC鏈路電壓破壞性擊穿選通的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。在光稱合器中，光電LED和光電檢測器不是電氣去稱合的。電容稱合可出現(xiàn)在光電LED和光電檢測器之間。稱合電容可被表不為連接在光電LED的陽極和陰極的每一個與光耦合器的輸出之間的電容器。從而，共模電壓中的大的瞬變可導致電流流向光電LED的陽極或陰極，或者從光電LED的陽極或陰極流出電流。由于共模電壓瞬變引起的額外電流可導致光電LED發(fā)生故障，例如將光電檢測器無意地接通或關斷。所公開的系統(tǒng)和/或方法的預期優(yōu)點滿足這些需要中的一個或多個，或者提供其他有利特征。其他特征和優(yōu)點將從本說明書中變得明了。所公開的教導包括落在權利要求范圍內(nèi)的那些實施方案，而不管它們是否完成上述需要中的一個或多個。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對一種光稱合器電路。所述光稱合器電路被布置用于最小化光電發(fā)光二極管(LED)的意外接通或關斷。所述光耦合器電路包括與光電LED并聯(lián)連接的第一開關。所述光電LED的陽極連接至功率源，當所述第一開關打開時所述光電LED被激勵。所述光電LED的陰極通過第一電阻器連接到地。所述光電LED的陰極還與第二開關、第二電容器以及第二電阻器串聯(lián)連接到地。所述第一開關和所述第二開關被配置為在互補狀態(tài)下工作，以防止所述第二電容器放電。本發(fā)明還針對一種包括互補開關集成電路和光耦合器電路的門驅(qū)動器電路。所述光率禹合器電路包括與光電發(fā)光二極管(LED)并聯(lián)連接的第一開關。所述光電LED的陽極連接至所述功率源，當所述第一開關打開時所述光電LED被激勵。光電LED的陰極通過第一電阻器連接到地。光電LED的陰極還與第二開關、第二電容器以及第二電阻器串聯(lián)連接。所述第一開關和所述第二開關被配置為在互補狀態(tài)下工作，以防止所述第二電容器放電。此外,光稱合器電路包括與一個光電LED并聯(lián)連接的開關，所述光電LED具有陽極和陰極。所述陽極通過一個去耦電容器連接至功率源。所述光耦合器電路被布置使得所述開關在打開位置時接通所述光電LED。當閉合時，所述開關將電流引導通過一個串聯(lián)電阻器到地，并且將電流分流遠離光電LED以關斷所述光電LED。一個第二電容器連接至所述陰極。所述第二電容器與一個第二開關和一個連接到地的限流電阻器串聯(lián)線接。所述第一開關和所述第二開關以互補狀態(tài)工作，從而防止連接陰極的電容器放電。本文所述的實施方案的一個優(yōu)點在于，光電耦合器可在超出它們的額定共?？箶_范圍上工作。本文所述的實施方案的另一個優(yōu)點在于，用光電耦合器代替光學纖維器件。



圖I不出光f禹合器電路的一個不例實施方案。圖2示出一個光耦合器電路，標明了由于輸入-輸出電壓瞬變而進入陽極端子的電流或者從陽極端子出來的電流。圖3不出一個光I禹合器電路,其中光電LED處在接通狀態(tài)，以及由于輸入-輸出電壓瞬變弓I起的從陰極端子獲得的電流。圖4不出一個光I禹合器電路,其中光電LED處在接通狀態(tài)，以及由于輸入-輸出電壓瞬變弓I起的流入陰極端子的電流。圖5示出一個光耦合器電路的替代實施方案，其中光電LED處在接通狀態(tài)，以及由于輸入-輸出電壓瞬變引起的流入陰極端子的電流以及從陰極端子流出的電流。圖6不出在VSD的門驅(qū)動器板電路中的光I禹合器的一個不例實施方案。
具體實施例方式圖I示出光耦合器電路10的示意圖，該光耦合器電路10包括光電LED 20。光耦合器電路10可被表不為包括連接在光稱合器電路10的輸入部分16和光稱合器電路10的輸出部分18之間的寄生電容器12、14。線30代表不存在電接觸的隔離屏障。接下來參照圖2，光耦合器電路10可被一個與光電LED 20并聯(lián)連接的開關(SWl)22控制。在一個實施方案中，當開關22與光電LED20并聯(lián)連接時，使用開關22控制光電LED 20提供了對共模瞬變的抗擾和/或免受共模瞬變的保護。光耦合器電路10包括光電LED 20的陽極24，該陽極24通過去耦電容器28 (C4i5)連接至功率源26。在一個實施方案中，去耦電容器28可具有約0. I微法(Uf)的電容。將開關22打開導致電流流入光電LED 20和串聯(lián)電阻器32到地34，將光電LED 20切換到激勵或“通”態(tài)。將開關22閉合導致電流流經(jīng)開關22和串聯(lián)電阻器32 (R^r)到地34，并且將電流分流遠離光電LED20，從而將光電LED 20切換到斷態(tài)。在一個實施方案中，串聯(lián)電阻器32可具有約169歐姆的電阻值，但是對于串聯(lián)電阻器32也可使用更高或更低的電阻值，只要電流被引導經(jīng)過串聯(lián)電阻器32而非光電LED20。無論開關22是在通態(tài)還是在斷態(tài)，由于過量共模電壓瞬變而感生(induce)進入陽極24中的任何電流都被提供一條到達功率源26和去耦電容器28的直接路徑。由此防止了光電LED 20的意外激勵或去激勵。由于過量共模電壓瞬變而感生進入陰極36中的任何電流，可導致光耦合器10發(fā)生故障。光耦合器電路10可在兩種不同情況下被分析，一種是在電流流入陰極36的情況下，另一種是當電流從光電LED 20的陰極36流出時。參照圖3，電壓瞬變從光電LED 20的陰極36中感生電流Ito JIeathtxie from)。如果開關22打開，則光電LED 20處在導通狀態(tài)，電流流經(jīng)光電LED 20。從陰極36流出經(jīng)過耦合電容器14的電流I丨能夠向光電LED20增加電流，該光電LED 20已經(jīng)處于導通狀態(tài)。因此，從陰極36流出經(jīng)過耦合電容器14的電流I S3ftI不能導致光耦合器電路10的錯誤觸發(fā)。然而，如果開關22處在閉合狀態(tài)，則從光電LED的陰極36獲得的電流I&可流經(jīng)開關22。開關22可具有數(shù)百毫歐姆范圍內(nèi)的電阻，這在電氣開關中是常見的。由于閉合開關22的低電阻值，從陰極36流出的電流必須大，才能使光電LED 20被I to —^敫勵。換言之，由I j引起的開關22兩端的壓降必須與光電LED 20的正向偏壓Vf—樣高，才能使光電LED 20被無意地激勵。經(jīng)過寄生 輸入-輸出電容器14的電流必須極高，例如，在數(shù)安培的范圍內(nèi)，才能使光耦合器電路錯誤觸發(fā)，即，使得開關22降低的電壓如同光電LED 20的VF—樣高。用于光稱合器的寄生輸入-輸出電容的典型值在PF范圍內(nèi)。因此，共模電壓瞬變或許必須在數(shù)千KV/ii s的范圍內(nèi)才使光電LED 20發(fā)生意外錯誤觸發(fā)。圖4示出電壓瞬變感生的一個電流I _ —A(I——int。)流入光電LED 20的陰極36。電流I入流入串聯(lián)電阻器32并且增加串聯(lián)電阻器32兩端的壓降，以減少光電LED20兩端的壓降并且可導致光電LED20關斷。因此，對于處于通態(tài)的光電LED 20，可存在無意地切換到斷態(tài)的一種趨勢。例如，串聯(lián)電阻器32兩端的十分之幾伏特范圍內(nèi)的壓降的增加可導致光電LED無意地關斷。經(jīng)過寄生輸入-輸出電容器14的數(shù)毫安范圍內(nèi)的電流可導致串聯(lián)電阻器32兩端出現(xiàn)這種額外的壓降。光耦合器的寄生輸入-輸出電容的典型值在數(shù)皮法(PF)的范圍內(nèi)。相對小的共模電壓瞬變——例如，數(shù)KV/ii s——可導致數(shù)毫安的電流并且可導致一個已接通的光電LED 20的意外關斷。當光電LED接通時電流流入光電LED 20的陰極36的情形是個需要關注的問題，這是因為相對小的共模電壓瞬變可導致光耦合器10故障。如果開關22閉合，流入光電LED 20的陰極36的電流可流經(jīng)開關22且流入去耦電容器28。由Isw A感生的開關22兩端的電壓降，可增加光電LED 20上的反向偏壓，從而不影響光電LED 20的關斷狀態(tài)。圖5示出提供額外或增加的對共模電壓瞬變的抗擾或免受共模電壓瞬變的保護的光耦合器電路10的實施方案。第二電容器或陰極電容器38 (Csw)連接至光電LED 20的陰極36。電容器38與第二開關40 (SW2)和連接到地34的限流電阻器42 (Rp_)串聯(lián)線接。在一個示例實施方案中，陰極電容器38可具有約0. I微法(y f)的電容值，限流電阻器42可具有約15歐姆(Q )的電阻值。使用電容器38、第二開關40和限流電阻器42，可防止光耦合器電路10由于共模電壓瞬變而意外關斷。為了增加在光電LED 20接通時光耦合器電路10的共?？箶_，陰極電容器38不能直接連接在光電LED 20的陰極端子36和地34之間，這是因為每次光電LED切換狀態(tài)時陰極電容器都會重復充電和放電。僅在當光電LED 20處于通態(tài)且開關22打開時需要陰極電容器38。從而，陰極電容器38與如下一個開關40串聯(lián)連接，該開關40與開關22互補工作，即，開關40在開關22閉合時打開(光電LED斷)，開關40在開關22打開時閉合(光電LED通)，從而防止電容器放電。開關22、40可以是任意類型的機械或電氣開關。在至少一個實施方案中，開關22、40可以是具有共同輸入和互連的互補晶體管對，使得一個晶體管在另一個晶體管關斷時接通，反之亦然。當開關40閉合時，可使用額外的切換式R-C串聯(lián)電路，即，陰極電容器38和限流電阻器42。在第一切換事件中，開關22處于打開位置，開關40處于閉合位置。陰極電容器38在光電LED 20的初始激勵期間充電。為了限制在初始充電期間可流經(jīng)光電LED 20和陰極電容器38的峰值電流，限流電阻器42與陰極電容器38和地34串聯(lián)連接。如果開關22、40不是先斷后合(break-before-make)類型的開關，則限流電阻器42可具有這樣一個電阻值，該電阻值被選擇以將經(jīng)過開關22、40的峰值電流限制到一個預期水平。陰極電容器38的充電最初可在光電LED 20中形成峰值電流，該峰值電流可導致光電LED 20發(fā)生故障或失效。電阻器42的電阻值應被選擇為將光電LED 20中的峰值電流限制在光電LED 20的規(guī)定額定值內(nèi)。在陰極電容器38充電之后，陰極電容器38可保持充電。然后，通過串聯(lián)電阻器32確定流經(jīng)光電LED 20的電流。在一個實施方案中，陰極電容器38可以是具有低泄漏電流的電容器。 當開關22打開時，電流I陳丨從功率源26、去耦電容器28和陰極電容器38流出，經(jīng)過寄生電容器14。由于光電LED 20提供了具有最小阻抗的路徑，由此從陰極電容器38流出的電流將被最小化，因為大部分電流經(jīng)過已激勵的光電LED 20被取自功率源26和電容器28。這種情況下的共?？箶_將不受串聯(lián)R-C電路44的影響，光耦合器電路10將保持高共模瞬變抗擾額定值。在相反情況下，電流I A從寄生電容14流入陰極端子36。光耦合器電路10包括當開關22打開時被激勵的光電LED 20，同時電流流入陰極36。當電流Isw入流入陰極36時，圖2至4中示出的光耦合器電路具有對共模電壓瞬變較低的抗擾，即，流入光電LED20的陰極36的任何電流將會流經(jīng)串聯(lián)電阻器32并增加串聯(lián)電阻器兩端的壓降，潛在地導致光電LED 20關斷。在那種情況下，數(shù)KV/ii s的共模電壓瞬變將導致光電LED 20的意外關斷。由于增加了串聯(lián)R-C電路44，流入光電LED的陰極36的電流具有兩個路徑到地34，一個路徑經(jīng)過串聯(lián)電阻器32，另一個路徑經(jīng)過串聯(lián)R-C電路44，S卩，陰極電容器38、開關40以及限流電阻器42。大部分電流流過串聯(lián)R-C電路44，由陰極電容器38、開關40和限流電阻器42限定的具有較低阻抗的路徑。串聯(lián)R-C電路44可具有串聯(lián)電阻器32的特性阻抗的約1/100 (l/100th)的特性阻抗。從而，如圖5中所示的與串聯(lián)電阻器32并聯(lián)連接的串聯(lián)R-C電路44會要求一個大于原始電路圖2-4的電流I 入約100倍的I 人電流，以產(chǎn)生導致故障的相同壓降。因此，圖5的光耦合器電路10提供大于圖2-4中所示的電路約100倍的對共模電壓瞬變的抗擾。由此，具有連接在陰極36和地34之間的串聯(lián)R-C電路44的光耦合器電路10提供增強的對共模瞬變的抗擾，從數(shù)KV/ u s增加至數(shù)百KV/ y S。由此，串聯(lián)R-C電路44為光耦合器電路10提供了在增加的共模電壓瞬變水平下工作的能力。 接下來參照圖6，用于VSD中的門驅(qū)動器板電路50示出了具有串聯(lián)R-C電路44的光耦合器電路10的一個示例實施方案和實現(xiàn)方式。在電路50中，使用一個互補開關集成電路(IC) 52，例如，由馬薩諸塞州 Norwood 的 Analog Devices, Inc. Inc.制造的〈I Q CMOS1.8V至5.5V，雙SPST開關，型號No.ADG823。IC 52中的開關可具有非常低的通態(tài)電阻，并且是具有如32毫微秒(ns)—樣小的延遲的先斷后合類型的開關。在替代實施方案中，使用其他互補開關1C，例如，由Analog Devices, Inc.制造的CMOS低壓4 Q雙SPST開關，型號 No.ADG723;由加利福尼亞 Sunnyvale 的 Maxim Integrated Products 制造的高速、低壓、4 Q、雙SPST CMOS模擬開關，型號No. MAX4643 ;或其他類似的互補開關1C。在IC 52中，一個在引腳5&6兩端的常閉合的開關連接在光稱合器電路10的光電LED 20兩端,一個在引腳1&2兩端的常打開的開關連接在陰極電容器38和限流電阻器42之間。在至少一個示例實施方案中，光稱合器電路可以是加利福尼亞Palo Alto的Hewlett-Packard Company制造的單通道高速光耦合器，型號No. HCNW4503，但是本發(fā)明不限于任一種光耦合器電路，且可使用其他類似器件。在至少一個示例實施方案中，串聯(lián)電阻器32可以是(169歐姆)，限流電阻器42可以是15歐姆，去耦電容器28可以是0. luF，陰極電容器38可以是0. IuF0應理解，本申請不限于下列說明中列出的或者附圖中示出的細節(jié)或方法。還應理解，此處使用的措詞和術語僅用于說明目的并且不應認為是限制。 盡管附圖中示出和本文所述的示例實施方案是目前優(yōu)選的，但應理解這些實施方案僅通過示例方式給出。從而，本申請不限于具體實施方案。重要地是，注意，不同示例實施方案中所示的光耦合器電路的構造和布置僅是示例性的。盡管在本公開文本中僅詳細描述了一些實施方案，但閱讀本公開文本的人員將能快速明了，在沒有實質(zhì)偏離本公開內(nèi)容中所述的主題的新穎教導和優(yōu)勢的情況下，許多改型都是可行的(例如，改變各種元件的大小、尺寸、結構、形狀以及比例；參數(shù)值；安裝布置；使用的材料、顏色、定向等)。例如，視為整體形成的元件可由多個部分或元件構成，元件的位置可顛倒或以其他方式改變，分立元件的性質(zhì)或數(shù)目或者位置可被修改或改變。從而，所有這些改型都意在包括在本申請的范圍內(nèi)。根據(jù)替代實施方案，任何過程或方法步驟的順序或次序可改變或重新排列。在本公開文本中，任何裝置加功能的句子都意在覆蓋本文所述的執(zhí)行所述功能的結構，以及不僅包括結構等同物還包括等同結構。在不偏離本申請的范圍的情況下，可對示例實施方案的設計、工作條件以及布置做出其他替代、改型、變化和省略。
權利要求
1.一種光耦合器電路，包括 第一開關和光電發(fā)光二極管(LED),所述第一開關與所述光電LED并聯(lián)連接； 所述光電LED的陽極連接至所述第一開關，所述第一開關被配置為當所述第一開關打開時激勵所述光電LED;以及 所述光電LED的陰極通過第一電阻器連接到地； 所述光電LED的陰極還與第二開關、第二電容器以及第二電阻器串聯(lián)連接到地； 其中所述第一開關和所述第二開關被配置為在互補狀態(tài)工作，以防止所述第二電容器放電。
2.根據(jù)權利要求I所述的光耦合器電路，其中所述第一開關被配置為將來自所述光電LED的電流分流，以去激勵所述光電LED。
3.根據(jù)權利要求2所述的光耦合器電路，其中經(jīng)過所述第一開關的一個分流電流流經(jīng)所述第一電阻器到地。
4.根據(jù)權利要求I所述的光耦合器電路，進一步包括，所述第二電容器直接連接至所述光電LED的陰極。
5.根據(jù)權利要求4所述的光耦合器電路，進一步包括，所述第二電容器連接至所述第二開關，所述第二開關與所述第二電阻器串聯(lián)，所述第二電阻器被配置為限制通過所述第二開關流到地的電流。
6.根據(jù)權利要求I所述的光耦合器電路，其中所述第二電容器具有約0.I微法的電容。
7.根據(jù)權利要求6所述的光耦合器電路，其中所述第二電阻器具有約15歐姆的電阻。
8.根據(jù)權利要求I所述的光耦合器電路，其中所述第一開關和所述第二開關的互補工作狀態(tài)被配置為防止所述第二電容器的重復充電和放電。
9.根據(jù)權利要求I所述的光耦合器電路，其中當所述第一開關打開以及所述第二開關閉合時，所述第二電容器在所述光電LED的初始激勵期間充電；以及 所述第二電阻器被配置為限制在光電LED的初始激勵期間流經(jīng)所述光電LED和所述第二電容器的峰值電流。
10.根據(jù)權利要求I所述的光耦合器電路，其中所述第一開關和所述第二開關中的每一個被配置為在該第一開關和該第二開關中的另一個開關斷開之前關閉。
11.根據(jù)權利要求10所述的光耦合器電路，其中所述第二電阻器具有一個電阻，該電阻被預先選擇以將經(jīng)過所述第一開關和所述第二開關的峰值電流限制到一預定水平，所述預定水平在所述光電LED的規(guī)定電流額定值內(nèi)。
12.根據(jù)權利要求I所述的光耦合器電路，其中當所述第二電容器被充電時，經(jīng)過所述光電LED的電流水平由所述第一電阻器的電阻值確定。
13.根據(jù)權利要求I所述的光耦合器，其中所述第二電容器包括低泄漏電流型電容器。
14.根據(jù)權利要求I所述的光耦合器，進一步包括 第一電容器，連接至所述光電LED的陽極并且與一個功率源并聯(lián)連接；所述第一電容器被配置為向感生的電流提供一個到地的分流路徑，以防止所述光電LED的意外激勵或去激勵。
15.根據(jù)權利要求14所述的光耦合器，其中所述第一電容器包括約0.I微法(u f)的電容值。
16.一種門驅(qū)動器電路，包括 一個互補開關集成電路，包括第一開關和第二開關，所述第一開關和所述第二開關被配置為在互補狀態(tài)下工作；以及 光耦合器電路，所述光耦合器電路包括 光電發(fā)光二極管(LED)和光電晶體管； 所述光電LED的陽極連接至所述第一開關，所述第一開關被配置為當所述第一開關打開時激勵所述光電LED;以及 所述光電LED的陰極通過第一電阻器連接到地； 所述光電LED的陰極還與第二開關、第二電容器以及第二電阻器串聯(lián)連接到地； 其中所述第一開關和所述第二開關被配置為在互補狀態(tài)工作，以防止所述第二電容器放電。
17.根據(jù)權利要求16所述的門驅(qū)動器電路，其中所述互補開關集成電路包括一對先斷后合類型的互補開關，所述互補開關具有約32毫微秒的工作延遲。
18.根據(jù)權利要求16所述的門驅(qū)動器電路，其中所述光耦合器電路包括單通道高速光率禹合器。
19.根據(jù)權利要求16所述的門驅(qū)動器電路，所述互補開關進一步包括一個常閉合的開關和一個常打開的開關，所述常閉合的開關連接在所述光電LED兩端，所述常打開的開關連接在一個陰極電容器和一個限流電阻器之間。
20.根據(jù)權利要求16所述的門驅(qū)動器電路，進一步包括，一個功率源，所述光電LED的陽極連接至所述功率源。
全文摘要
一種光耦合器電路(10)，包括與光電LED(20)并聯(lián)連接的開關(22)，該光電LED(20)具有陽極和陰極。該陽極通過一個去耦電容器(28)連接至功率源。光耦合器電路被布置使得當所述開關在打開位置時接通該光電LED。當閉合時，開關(22)將引導電流經(jīng)過串聯(lián)電阻器(32)到地，并將電流分流遠離光電LED以關斷該光電LED。第二電容器(38)連接至光電LED的陰極。第二電容器與第二開關(40)和連接到地的限流電阻器(42)串聯(lián)線連。第一開關(22)和第二開關(04)在互補狀態(tài)工作以防止連接陰極的電容器(38)放電。所公開的光耦合器電路(10)提供在增加的共模電壓瞬變水平下工作的能力。
文檔編號H04B10/00GK102714495SQ201180006239
公開日2012年10月3日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權日2010年1月19日
發(fā)明者H·R·施奈茲卡, S·阿蒂加-曼諾 申請人:江森自控科技公司