贵州航天电器股份有限公司 贵州贵阳 550009
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-coupled relay switching time is disscussed
Shu Debing,Zhang he,LI Qiang
(Guizhou Spase Applance CO.,LTD,Guiyang 550009,China)
Abstract：Solid state relays are normally used in light-coupling isolation or transformer isolation,and each has its advantages and disadvantages.Most uses light-coupling isolationg,a solid relay for optical coupling,especially a power type solid relay,the connection time of the product is very important,if the connection time is too long ,the switch power consumption is too big,it is very likely to burn the production instandly,therefore,it makes sense to study the connection time of the relay.Optical coupling is made up of photovoltaic and lighe-emitting diodes,the speed of connection time is related to the drive ability of the light coupled body, the connection time of the relay is affected by the temperature of the environment,the distance between the photovoltaic and the diode.
Key words： light-coupled, connection time,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.
论文作者:舒德兵,张贺,李强
论文发表刊物:《基层建设》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/29
标签：光伏论文; 继电器论文; 时间论文; 电流论文; 光子论文; 能力论文; 距离论文; 《基层建设》2017年第14期论文;