ACPL-K30T采用汽车级光伏驱动器和离散式光伏驱动器mosfet形成一个光隔离的固态继电器

简介
固态继电器由于其更高的可靠性、更快的开关时间、没有开关弹跳和更小的尺寸而取代了机械继电器。然而，一些设计者不愿从机械继电器转换到其固态等效器，因为一些固态继电器具有较高的相对接通电阻和成本更高。解决这两个问题的另一种替代方案是使用光伏驱动器和离散的mosfet的组合来形成一个固态继电器。 
 
有了光伏驱动器，设计者可以从广泛的汽车级MOSFETs组合中进行选择，来构建满足所需的电压和电流额定值的光隔离固态继电器。鉴于当今市场上MOSFETs的竞争性价格，使用一个光伏驱动器结合一个或两个离散的MOSFETs来形成一个固态继电器是替代机械继电器的一个很好的选择。 
 
当与两个背靠背的mosfet结合时，该组合形成了一个双向开关。图1所示的配置由两个增强模式n通道MOSFET组成，形成一个1形式的a（单极，单掷，通常OFF）继电器。配置如图2所示，由两个耗尽模式的n通道MOSFETs组成，形成一个1-形式的B（单极，单投，通常为ON）继电器。 
 

图1。1-形式的A与两个增强的NMOS

 

 

图2。1-形式的B与两个消耗的NMOS

 

光伏驱动器的基础建设

光伏驱动器的输入侧是一个发光二极管（LED），并使用TTL或缓冲的CMOS逻辑进行驱动。需要一个限流电阻来限制通过LED的电流。建议的输入电流为10 mA至20mA。光伏驱动器的探测器侧由串联连接的光电二极管组成。 

当电流被驱动到输入侧的LED时，来自LED的光会产生通向为mosfet的栅极充电的光电二极管串的光电流。由此产生的光电压与开关和保持电源设备打开所需的光电二极管的数量成正比。

图3。ACPL-K30T基础施工 

 

开路电压

ACPL-K30T驱动器由一串12个光电二极管组成，产生一个典型的开路电压（VOC）为7V。这足以驱动大多数逻辑门级MOSFETs，其阈值电压（VTH）为4V或更小。VOC的典型温度系数为-24mV/°C。设计人员应该考虑最坏情况下的角条件，这是在高温下，因为MOSFET的温度漂移职业是比第v.见图4。在125°C，最小职业ACPLK30T驱动程序仍然高于最大值VGS (TH)mosfet的BSP300、BSS127和BSP125。这意味着ACPL-K30T驱动程序可以在-40°C到+125°C的温度范围下工作。

图4。VOC vsVGS (TH)

 

对于高压mosfet，这需要更高的第v，两个ACPL-K30T驱动程序可以串联连接，使其增加两倍职业.见图5。当两个ACPL-K30T驱动器串联连接时，两个继电器的输入LED也必须串联起来，以使两个部分具有相同的LED驱动电流，并更好地匹配ISC.另一个设计考虑因素是确保继电器开关并保持其接通状态。光伏驱动器的短路电流（ISC）必须克服MOSFET栅极漏电流免疫金银染色法).请注意，具有齐纳二极管栅极保护的mosfet往往有更高的保护免疫金银染色法.

图5。两个ACPL-K30T系列

 

关闭继电器并保持关闭状态

当LED驱动电流关闭时，探测器中的光伏堆栈会坍塌，MOSFET栅极会放电。对于ACPL-K30T驱动器，一个内部关闭电路有助于在此放电中实现快速关闭时间（TOFF）。 

某些事件可能会导致继电器无意中打开。一个例子是，当一个快速的瞬态电流峰值穿过MOSFET的排水管时，通过寄生电容给MOSFET门充电。对于ACPLK30T驱动器，内部电路将光伏驱动器的输出夹紧在最小MOSFET阈值以下，第v.这将使ACPL-K30T驱动程序处于关闭状态，并防止设备无意中打开。图6显示了当LED关闭时，ACPL-K30T输出的I-V曲线。

继电器可能被意外打开的另一个原因是，当LED驱动器的泄漏电流，通过输入的LED，产生低Isc。这最终会导致输出的mosfet被打开。 

为了防止这种情况发生，在电路中添加一个简单的分流电阻，与ACPL-K30T驱动器的LED并行。这将改变输入阈值电流，并将需要一个较高的电阻值，以最小化的影响ISC. 

图6。LED关闭时的I-V曲线

 

切换

接通时间（TON），由短路电流（ISC）和MOSFET的栅极电荷决定。通过增加LED驱动电流（IF）来提高ISC是生产的，并将使继电器打开得更快。大的mosfet（具有较高的击穿电压，较低的电阻，或两者都有）往往有较高的栅极电荷。最坏的情况下吨将处于低LED驱动电流(lF)和在高温条件下（见图7）。

图7。TON与不同温度下的IF

 

ACPL-K30T的关闭时间（TOFF）是一个因子如果、温度和负载电容。有钱人在低LED驱动电流下的最坏角，如果，和低温，如图9所示。有钱人与高达10uF的负载电容无关(图8）。有钱人当负载电容为100nF或更高时会增加。 

图8。TOFF与CLOAD

 

图9. TOFF与温度的对比图

               

结论

将ACPL-K30T光伏驱动器与mosfet结合起来，形成一个固态继电器，是取代传统机械开关的一个很好的替代方案。固态继电器除了具有更高的可靠性、更好的性能和更小的尺寸外，还消除了机械开关的开关弹跳和高压电弧问题。使用ACPL-K30T光伏驱动器，设计者现在可以灵活地从基于额定电压、额定电流和ON电阻的MOSFET中选择，以形成固态继电器。一些推荐用于汽车应用的mosfet有： BSS127（600V）和BSP300（800V）。许多AEC Q101 MOSFETs的额定功率为TJ=175°C，因此与ACPL-K30Tdriver一起，隔离固态继电器可以很容易地配置用于汽车应用。

审核编辑 黄昊宇