光耦隔离逆变器驱动电路



光耦/光隔离器：特性、类型、优缺点、以及应用！-先进光半导体

光耦/光隔离器

特性：

电流转移率：被定义为输出集电极电流（Ic）与输入正向电流（If）的比率（CTR=Ic/If*100%）。其值取决于用作源探测器的设备。隔离电压：在不影响电气隔离电压的情况下，输入和输出之间可以存在差异的最大电压，单位为kVrms，相对湿度为40-60%。响应时间：表示光耦改变输出状态的速度。响应时间很大程度上取决于探测器晶体管、输入电流和负载电阻。共模抑制：由于输入和输出之间存在电容Cf，脉冲输入信号（突然变化的信号）可产生位移电流ic=Cf*dv/dt，该电流可以在输入和输出之间流动，使得噪声出现在输出中。

类型：

LED–LDR光耦：使用光敏电阻（LDR）作为探测器。LED-光电二极管光耦：使用光电二极管作为探测器，具有线性度高的优点。当输入端的脉冲变高时，LED亮起并发光，光聚焦在光电二极管上，产生光电流。LED–光电晶体管光耦：使用光电晶体管作为探测器，是最常用的光耦类型，因为它不需要任何额外的放大。当输入端的脉冲变高时，LED亮起并发光，光聚焦在光电晶体管的CB结上，作为光电晶体管的基极电流，使集电极电流开始流动。

优缺点：

优点：

由于电气隔离，控制电路得到了很好的保护。宽带信号传输是可能的。由于单向信号传输，来自输出端的噪声不会耦合到输入端。与逻辑电路的接口很容易实现。它体积小，重量轻。

缺点：

速度相对较慢。对于高功率信号的信号耦合可能存在一定挑战。

应用：

光耦合器主要用于隔离低功率电路和高功率电路，并将控制信号从控制电路耦合到大功率电路。具体应用场景包括：

交直流变换器：用于直流电动机速度控制。大功率斩波器：用于斩波操作。大功率逆变器：用于逆变操作。DC-DC斩波器中的功率晶体管：光耦的重要应用之一是将基极驱动信号耦合到功率晶体管。

此外，先进光半导体的光耦继电器、光耦合器等主要产品还广泛应用于蓄电系统、智能电表、自动检测设备、电信设备、测量仪器、医疗设备、通信设备、PC端、安防监控、O/A设备、PLC控制器、I/O控制板等领域。依托于光半导体综合的设计技术和芯片制造技术优势，先进光半导体在光电控制领域有着广阔的发展前景。

电源常用电路—驱动电路详解

驱动电路在电源系统中起着核心作用，其主要功能是将数字控制核心产生的PWM信号放大，以驱动功率开关器件的开断，从而提高电源系统的可靠性和效率，降低EMI/EMC影响。

驱动电路根据功率器件的接地类型可分为直接接地驱动和浮动接地驱动。直接接地驱动中，功率器件的接地端电位恒定，常采用推挽驱动或图腾柱驱动。浮动接地驱动则通过电平位移电路实现，如自举驱动电路，自举电容器、图腾柱双极驱动器和常规栅极电阻器都可作为电平位移电路的关键组成部分。一些驱动芯片内置自举电路，可直接提供自举信号。

驱动电路按电路结构可分为隔离型和非隔离型。隔离型驱动电路包含光耦、变压器和隔离电容等，以实现电气隔离。而非隔离型驱动电路则多采用电阻、二极管、三极管或非隔离型驱动芯片。

常见驱动电路形式包括直接驱动、隔离驱动和专用驱动集成芯片。直接驱动电路由单一电子元器件构成，多用于小功率场合，但因集成度低、故障率高等原因已逐渐被淘汰。隔离驱动电路包含隔离器件，如光耦驱动、变压器驱动和隔离电容驱动，具有简单、可靠、开关性能好的特点。专用驱动集成芯片广泛应用于数字电源中，集成保护和隔离功能，根据控制功率器件的数量可分为单驱芯片与双驱芯片。

MOSFET驱动电路根据不同需求可采用三极管驱动、推挽驱动或双端变压器耦合栅极驱动。IGBT驱动电路分为正压驱动和负压驱动，负压关断可避免误导通风险，加快关断速度，减小损耗。东芝TLP250和英飞凌1ED020I12-F2芯片分别适用于低性能三相电压源或逆变器和高功率场合的IGBT驱动。

新型功率器件如SiC MOSFET和GaN FET在数字电源中也得到广泛应用。SiC MOSFET具有高阻断电压、高工作频率、耐高温能力强等特点，适用于高频高压场合。氮化镓晶体管与硅管相似，适用于电压驱动，其高频性能优越。

综上所述，电源驱动电路在电源系统中的作用至关重要。通过选择合适的驱动电路形式，设计者可根据实际需求（如功率、频率、保护、驱动电压/电流等）实现电源的高效、可靠运行。

开关电源常用的几种保护电路

开关电源常用的几种保护电路主要包括以下几种：

1. 防浪涌软启动电路

防浪涌软启动电路用于限制电源接通瞬间产生的浪涌电流。由于开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，电容器充电会形成很大的浪涌电流，可能导致输入熔断器烧断、合闸开关触点烧坏或整流桥过流损坏。因此，需要设置防浪涌电流的软启动电路。常见的电路形式有：

采用晶闸管和限流电阻的电路：在电源接通瞬间，输入电压经整流桥和限流电阻对电容器充电，限制浪涌电流。当电容器充电到一定电压时，逆变器正常工作，晶闸管导通并短路限流电阻，使电源进入正常运行状态。采用继电器和限流电阻的电路：电源接通时，输入电压经整流和限流电阻对滤波电容器充电，同时辅助电源经电阻对并接于继电器线包的电容器充电。当电容器上的电压达到继电器的动作电压时，继电器动作，其触点闭合而旁路限流电阻，电源进入正常运行状态。

2. 过压、欠压及过热保护电路

过压、欠压及过热保护电路用于保护开关电源免受输入电源电压异常和功率器件过热造成的损坏。过压和欠压保护通过检测输入电源电压并与设定的阈值进行比较，当电压超出正常范围时，封锁PWM驱动信号，使电源停止工作。过热保护则通过检测功率器件的温度，当温度超过设定阈值时，同样封锁PWM驱动信号。常见的电路形式为使用一个比较器及几个分立元器件构成的过压、欠压、过热保护电路。

3. 缺相保护电路

缺相保护电路用于检测电网缺相并采取相应的保护措施。由于电网自身原因或电源输入接线不可靠，开关电源有时会出现缺相运行的情况，这会导致整流桥某一臂无电流，而其它臂会严重过流造成损坏。因此，需要对缺相进行保护。常见的缺相保护电路有电子缺相保护电路，通过检测三相电流的平衡状态来判断是否缺相，当检测到缺相时，封锁PWM驱动信号，使电源停止工作。

三相四线制的缺相保护电路：通过检测三相电流的平衡状态，当某一相缺失时，输出高电平封锁PWM驱动信号。三相三线制的缺相保护电路：同样通过检测三相电流的平衡状态来判断是否缺相，当检测到缺相时，封锁PWM驱动信号。该电路采用光耦隔离强电，安全可靠。

4. 短路保护电路

短路保护电路用于检测开关电源中的短路故障并采取相应的保护措施。短路是最严重的故障之一，必须采取有效的保护措施来避免损坏功率器件和产生电磁干扰。常见的短路保护方法包括直接检测IGBT的电流或与IGBT串联的电阻上的电压降，并与设定的阈值进行比较。当检测到过流或短路时，首先进入降栅压保护程序，以降低故障电流的幅值并延长IGBT的短路承受时间。在降栅动作后，设定一个固定延迟时间用以判断故障电流的真实性。如故障仍然存在，则进行软关断程序，使栅压降至0V以下，关断IGBT的驱动信号。为了避免在原工作频率下连续进行短路保护产生热积累而造成IGBT损坏，可以采用降栅压保护并结合间歇“打嗝”的保护方法，即降低工作频率并间歇性地封锁电路，故障消除后即恢复正常工作。

综上所述，开关电源的保护电路对于提高电源的可靠性和安全性至关重要。在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的保护方案和电路结构，并灵活组合使用以简化电路结构和降低成本。

高阶干货---一文搞懂电机控制器硬件电路芯片选型！

高阶干货：一文搞懂电机控制器硬件电路芯片选型

电机控制器的硬件电路设计是电机控制系统的核心部分，涉及多个模块和复杂的电路结构。本文将从系统架构、功率电路模块、主控电路模块以及实际应用中需要注意的问题等方面，详细介绍电机控制器硬件电路的芯片选型。

一、系统架构

电机控制器的硬件设计主要包括功率电路和控制电路两部分。功率电路负责电机驱动，而控制电路则负责信号处理和电机控制。

功率电路：包括逆变器、滤波器和保护电路等模块。逆变器负责将直流电转换为交流电，驱动电机运转；滤波器用于滤除高频噪声；保护电路则用于防止过流、过压等异常情况对系统造成损害。控制电路：主要由主控模块、驱动模块、信号检测模块和保护模块等组成。主控模块负责信号处理和控制算法的实现；驱动模块用于驱动功率器件；信号检测模块用于检测电机的电流、电压和位置等参数；保护模块则用于实时监测电机状态，防止故障发生。

二、功率电路模块及芯片选型

1. 逆变模块

核心器件：智能功率模块（IPM）或IGBT、MOSFET等功率器件。作用：接收根据控制需求产生的PWM信号，控制模块内的IGBT或MOSFET功率开关的开关状态，从而产生永磁同步电机需要的定子电流。芯片选型：

IPM：集成了功率器件、驱动电路和保护电路等，具有较高的集成度和可靠性，适用于需要高性能和高可靠性的永磁同步电机控制系统。

IGBT：适用于高压、大功率的应用场景，具有较高的耐压和耐流能力。

MOSFET：适用于低压、高频的应用场景，具有较高的开关速度和效率。

2. 电源管理模块

作用：为功率电路中的各个器件提供稳定的工作电压。芯片选型：如LM317等稳压芯片，可将较高的直流电压稳压到适合功率器件驱动的低电压。

3. 保护模块

作用：实时监测功率电路中的电流、电压和温度等参数，防止过流、过压和过热等异常情况对电路和电机造成损害。芯片选型：保护模块通常集成在智能功率模块内部，或作为独立的保护电路存在，具体选型需根据系统需求确定。

三、主控电路模块及芯片选型

1. 主控模块

作用：处理各种信号、执行控制算法并输出控制信号。芯片选型：

TMS320F28377D-EP：TI公司的高性能DSP，最高主频400MHz，支持多种通信接口，具有强大的计算和控制能力，适合用于永磁同步电机控制等领域。

TC39X：英飞凌公司的高性能32位多核微控制器，基于先进的TriCore架构，支持信息安全和功能安全，在实际项目中应用广泛。

2. 驱动模块

作用：将主控模块输出的PWM控制信号放大，以驱动功率器件工作。芯片选型：IGBT驱动芯片，具体型号根据系统需求选择，如TLP250等隔离型驱动芯片。

3. 信号检测模块

作用：检测电机的电流、电压和位置等参数，并将这些参数转换为数字信号，供主控模块处理。芯片选型：

霍尔传感器：用于电流检测，具体型号根据系统需求选择。

高精度ADC：如TI公司的ADS127L01，用于电压和电流信号的数字化转换。

编码器接口芯片：如AVAGO公司的HCTL-2032，用于接收编码器信号。

4. 保护模块

作用：实时监测电机和功率器件的状态，防止过流、过压、过热等异常情况对系统造成损害。芯片选型：

过流保护芯片：如TI公司的TPS25910。

过压保护芯片：如MAXIM公司的MAX811。

温度传感器：如NTC热敏电阻或PT100铂电阻。

四、实际应用中需要注意的问题

1. 电磁干扰问题

措施：使用高速光耦将功率电路与控制电路进行隔离；在控制电路中使用滤波器和屏蔽措施；合理布局和布线，避免信号线与控制线之间的交叉干扰。

2. 散热问题

措施：使用散热片或散热风扇等散热装置；合理选择功率器件的封装形式；在布局和布线时，避免功率器件过于集中。

3. 电源问题

措施：使用高质量的电源模块；对电源进行滤波和稳压处理；避免电源线与信号线之间的交叉干扰。

4. 可靠性问题

措施：选择高可靠性的元器件；对关键元器件进行冗余设计；遵循可靠性设计原则进行布局和布线。

五、总结

电机控制器的硬件设计涉及多个模块和复杂的电路结构。在硬件设计中，需要合理选择元器件和器件，优化布局和布线，采取必要的隔离、滤波和散热措施，以提高系统的稳定性和可靠性。同时，还需要关注电磁干扰、电源和可靠性等关键问题，确保系统能够在实际应用中稳定运行。

以上内容提供了电机控制器硬件电路芯片选型的全面指导，希望对您的设计和开发工作有所帮助。

光耦电路怎么设计？电路设计步骤+设计实例，这一文手把手教你

光耦电路设计

光耦电路设计涉及理解光耦合器的电流传输比（CTR）以及遵循一系列设计步骤。以下是详细的设计步骤及设计实例。

一、什么是光耦合器的 CTR？

CTR（Current Transfer Ratio，电流传输比）是集电极电流 Ic 与正向电流 If 的比率，用%表示：

CTR = (Ic / If) x 100%

集电极电流 Ic：流向光耦合器晶体管侧集电极的电流。正向电流 If：流向光耦合器二极管侧的电流。

在设计光耦合器电路时，可以使用基尔霍夫电压定律（KVL）、基尔霍夫电流定律（KCL）、欧姆定律等。

二、光耦合器电路设计步骤1、选择电路结构简化电路：组件数量越少越好，以降低成本和故障率，提高可靠性。

逆变器配置（反相电路）：

同相配置：

反相电路：通常用于使晶体管饱和。同相配置：与BJT的共集电极配置相似，但更复杂。2、选择光耦合部件交换机应用：选择CTR较高的设备。线性应用：选择CTR变化范围较小的设备。高温环境：选择CTR受环境温度影响较小的光耦。3、设置电路操作定义输出电平：根据电路是工作在线性区域还是饱和区域来定义。定义 Rf 值：考虑数字电路的电流额定值。

If = (Udd – Uf) / Rf

Rf > (Udd – Uf) / (80% x I额定值)

确定 Rc 值：

对于饱和度设置：Rc > [ (Ucc –UCEsat) / (CTR设备 x If) ]

对于线性设置：Rc = [ (Ucc –UCE) / (CTR设备 x If) ]

三、设计开关-光耦合器电路设计示例1

要求：输出应提供逻辑低电平和逻辑高电平。逻辑低电平是低于0.8V的电压，逻辑高电平等于Ucc。电源Ucc为5V，由具有4mA拉电流和灌电流能力的MCU提供。光耦CTR为80%，二极管压降为0.7V。

电路图：

设计步骤：

选择Rf值：

Rf > [ (5V – 0.7V) / (80% x 4mA) ] = 1.34 kohm

Rf设置为1.5kΩ。

求解If：

If = [ (5V – 0.7V) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA

确定Rc：

Rc > [ (5V – 0V) / (80% x 2.87mA) ] = 2.18 kohm

最终电路：

设计检查：

验证If不超过MCU的最大拉电流和灌电流。检查光耦是否能输出低信号（晶体管侧必须饱和）。四、光耦合器电路设计示例2-线性

要求：使Uout节点具有3V电平。使用与上一示例相同的供应水平和其他参数。

电路图：

设计步骤：

选择Rf值：

Rf > [ (5V – 0.7V) / (80% x 4mA) ] = 1.34 kohm

Rf设置为1.5kΩ。

求解If：

If = [ (5V – 0.7V) / 1.5 kohm ] = 2.87 mA

确定Rc：

Uout的指定电平为3V，使得UCE等于2V。

Rc = [ (5V – 2V) / (80% x 2.87 mA) ] = 1.31 kohm

使用1.3kΩ作为Rc值。

检查：

If = [ (5V – 0.7V) / 1.5 kohm ] = 2.87 mAIc = CTR x If = 80% x 2.87 mA = 2.296 mAUout = Ic x Rc = 2.296 mA x 1.3 kohm = 2.984 V

结果Uout并不完全等于3V，因为使用了1.3kΩ作为Rc值，而不是计算出的1.31kΩ。但这种方法提供了设计光耦电路的实用指导。

通过以上步骤和实例，可以设计出满足特定需求的光耦电路。

光耦的选择与使用！

光耦的选择与使用

光耦，作为一种重要的电子器件，因其电气隔离、抗干扰能力强、信号传输稳定以及寿命长等优点，在工业控制、电源管理、通信系统、家电产品和汽车电子等领域得到了广泛应用。下面将详细介绍光耦的选择与使用。

一、光耦的类型

直流光耦（DCCoupler）：主要用于直流信号的传输。交流光耦（ACCoupler）：适用于交流信号，通常在输入端增加整流电路。高频光耦：用于高频信号的传输，响应速度快，适用于高速数据通信。线性光耦：具有线性输出特性，常用于模拟信号传输。逻辑光耦：用于数字信号的传输，输入和输出都是数字电平。

二、光耦的选择

在选择光耦时，需要考虑以下几个关键参数：

隔离电压：光耦的隔离电压决定了其能承受的最大电压差。选择时需要根据应用场景中的电压等级选择合适的隔离电压。例如，在高压电路中，应选择具有高隔离电压的光耦，以确保电路的安全性。

传输速率：不同光耦的传输速率不同，高速光耦适用于高速数据传输，而低速光耦则适用于一般控制信号。在选择时，应根据实际需求选择合适的传输速率，以确保信号的准确传输。

输入电流：光耦的输入电流决定了驱动LED所需的电流大小。选择时应考虑驱动电路的电流能力，确保驱动电路能够提供足够的电流来驱动光耦的LED。

输出类型：光耦的输出可以是开集电极、达林顿管等，选择时需根据后级电路的要求选择合适的输出类型。例如，在需要驱动大负载时，可以选择具有较大驱动能力的输出类型。

三、光耦的使用

在实际使用中，光耦的安装和使用也需要注意一些问题：

电气隔离：确保光耦的输入和输出电路之间有良好的电气隔离，避免因安装不当导致的隔离失效。电气隔离是光耦的重要特性之一，也是其能够广泛应用于各种复杂电路中的关键原因。

热设计：在高功率应用中，注意光耦的散热问题，确保其工作在安全温度范围内。过高的温度会导致光耦性能下降甚至损坏，因此在使用时应合理设计散热措施，如增加散热片、使用风扇等。

抗干扰措施：在干扰较强的环境下，可以在光耦的输入端和输出端增加滤波电容，进一步提高抗干扰能力。滤波电容可以吸收和抑制干扰信号，从而保护光耦和后级电路的正常工作。

四、光耦的应用实例

光耦在各个领域都有广泛的应用，以下是一些典型的应用实例：

工业控制：在工业自动化系统中，光耦用于隔离和驱动控制信号，保护控制电路免受高压和干扰的影响。例如，在PLC控制器中，光耦用于隔离输入和输出信号，确保系统的稳定性和安全性。

电源管理：光耦常用于开关电源、逆变器等电源设备中，实现初级和次级电路之间的隔离，确保安全性和稳定性。通过光耦的隔离作用，可以有效地防止高压电路对低压电路的干扰和损坏。

通信系统：在数据通信领域，光耦用于高速数据传输、信号隔离和抗干扰。例如，在光纤通信系统中，光耦用于将电信号转换为光信号进行传输，同时实现信号的隔离和抗干扰。

家电产品：在家电控制电路中，光耦用于隔离控制信号和功率驱动部分，提高安全性和抗干扰能力。例如，在微波炉、洗衣机等家电中，光耦用于隔离和控制电机的启动和停止。

五、光耦的发展趋势

随着电子技术的不断发展，光耦也在不断进步。未来光耦的发展趋势主要体现在以下几个方面：

更高的隔离电压：随着应用场景的复杂化，对隔离电压的要求也越来越高。未来光耦的发展将会朝着更高的隔离电压方向发展，以满足高压电路的需求。

更快的传输速度：在高速数据通信领域，对光耦的传输速率提出了更高的要求。未来光耦的发展将会追求更高的传输速度，以适应高速数据传输的需求。

更低的功耗：在低功耗应用中，光耦的功耗也是一个重要的考虑因素。未来光耦将朝着更低功耗的方向发展，以适应电池供电和低功耗系统的需求。

集成化和小型化：随着电子设备的集成度越来越高，光耦也将朝着集成化和小型化方向发展，以适应电子设备小型化和高集成度的需求。

六、总结

光耦作为一种重要的电子器件，在各个领域都有广泛的应用。在选择和使用光耦时，需要考虑多个因素，包括类型、关键参数、安装和使用注意事项等。通过合理选择和使用光耦，可以确保电路的稳定性和安全性，提高系统的整体性能。未来，随着电子技术的不断发展，光耦将会朝着更高的隔离电压、更快的传输速度、更低的功耗和更高的集成度方向发展，为电子技术的发展做出更大的贡献。

以上内容仅供参考，如需更多信息，请访问先进光半导体官网或关注“先进光半导体”微信公众号。

光电耦合器的工作原理以及应用

光电耦合器的工作原理：

光电耦合器（Optical Coupler，简称光耦）以光为媒介传输电信号，实现输入与输出电路间的电器隔离。其工作原理主要基于光电效应，具体过程如下：

光的发射：光电耦合器的输入端通常包含一个发光器件，如发光二极管（LED）。当在发光器件上加上正向电压时，它能够将电能转化为光能而发光。发光的强度取决于激励电流的大小。

光的传输：发光器件发出的光照射到封装在一起的受光器上。这个过程中，光作为媒介传输了电信号的信息。

光的接收与信号放大：受光部分主要由光敏器件构成，如光敏晶体管。光敏晶体管在光线照射下，其反向电阻会由大变小，从而产生光电流。这个光电流经过电子电路的放大后，从输出端引出，实现了电-光-电的转换。

由于光电耦合器输入与输出电路间互相隔离，且电信号在传输时具有单向性等优点，因此光电耦合器具有良好的抗电磁波干扰能力和电绝缘能力。

光电耦合器的应用：

光电耦合器因其独特的性能，在各种电路中得到了广泛的应用，主要包括以下几个方面：

高压隔离：光电耦合器是理想的绝缘体，因此常被用于需要高压隔离的场合。例如，在电力系统中，为了安全起见，需要将高压部分与低压部分进行隔离，此时就可以使用光电耦合器来实现。

信号传输：由于光电耦合器能够实现电-光-电的转换，因此它也可以用于信号的传输。特别是在需要长距离传输信号时，使用光电耦合器可以有效地减少信号的衰减和干扰。

电平转换：在某些电路中，需要将不同电平的信号进行转换。光电耦合器可以通过调整其输入和输出端的电路参数，来实现不同电平信号之间的转换。

开关控制：光电耦合器还可以作为开关控制元件使用。例如，在电机控制电路中，可以使用光电耦合器来控制电机的启动和停止。当输入端加上一定的电信号时，发光器件发光，使受光器件产生光电流并驱动电机启动；当输入端信号消失时，发光器件停止发光，电机也随之停止。

电路保护：在某些电路中，为了保护主电路不受损坏，可以使用光电耦合器进行电路保护。例如，在过流保护电路中，当电流超过设定值时，可以通过光电耦合器将信号传输到控制电路，从而切断主电路的电源。

以下是两款具体的光耦合器产品示例：

MPH-314系列光耦合器：非常适合驱动电源逆变器和用于电机控制的逆变器。它包含一个LED光学耦合到一个具有功率输出级的集成电路。在-40°C~+110°C的温度范围内保证其工作参数。

MPH-341系列光耦合器：同样适合驱动逆变器和用于电机控制。它包含一个砷化铝镓LED光学耦合到一个具有功率输出级的集成电路。3.0A峰值输出电流能够直接驱动最高额定值高达1200V/200A的大多数IGBT。对于具有较高额定值的IGBT，MPH-341系列可用于驱动驱动IGBT门的离散功率级。同样在-40°C~+110°C的温度范围内保证其工作参数。

综上所述，光电耦合器以其独特的性能和广泛的应用领域，在电子电器产品中发挥着重要的作用。

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