详解光耦在电力电子通信、传统工业中的广泛应用

时间： 2024-02-26 来源：先进光半导体知乎

技术问答

在电动汽车中，牵引逆变器、CAN总线接口、信号传感、暖通空调（HVAC）和电源管理系统等等部分都会广泛用到光耦，来进行隔离通信、驱动以及反馈。运用到IGBT、隔离放大电路的地方，一般都有光耦大展身手的机会。

大电路的地方，一般都有光耦大展身手的机会。如图一，为光耦应用于驱动电源。在电动汽车使用的充电桩方面，直流快速充电站包括交流输入、DC/DC转换（包括电池对接）、功率因数校正（FPC）电感等，电能转换和传输过程当中，需要对晶体管的栅极进行电流检测和电压检测并进行信号通信，也是光耦的潜在应用。随着电动汽车的规范逐渐完善与提升，对于光耦器件的要求也更明确，即工作频率要快，驱动电流要大。

此外，光耦在电力电子通信、传统工业中应用非常广泛。电子系统需要解决：高压安全性、在具备相对较高接地电位差的子系统之间进行有效通讯、保证信号灵敏度等问题。光耦可以完美的解决这些问题，可于绝缘闸上耦合电子数据或控制讯号，因此能在传输讯号的同时阻挡噪=噪声并保护设备和操作人员免受高压影响。因此，自70年代以来，光耦广泛用于各种电路中。在电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口等电路中。作为基础电子元器件，光耦广泛应用于工业设备，因其众多市场需求，需求数量庞大，光耦占据了隔离器市场的绝大部分，甚至在高性能市场（数据速率至少为1Mbps的隔离器产品和闸极驱动器等特定产品）也是如此。随着产业发展，对于光耦的要求逐步向着高集成度（通道数；受绝缘要求限制）、LED上的突破（开发活化层在下、向下发光的LED，从而减小体积）方面靠拢。

光电耦合器（OC）亦称光电隔离器或光耦合器，简称光耦，是一种以光作为媒介、把输入端的电信号耦合到输出端去的新型半导体“电—光—电”转换器件。

输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。实现单向传输功能，并能够有效隔离噪声、抑制干扰，实现输入与输出之间的电绝缘。这种信号传递方式是所有采用变压器和电磁继电器作隔离来进行信号传递的一般解决方案所不能相比的。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大提高计算机工作的可靠性。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

光耦按光路径分，可分为外光路光电耦合器（又称光电断续检测器）和内光路光电耦合器。外光路光电耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器。

高速光耦响应速度快，它的结构是光敏二极管+放大驱动电路，普通光耦的结构是光敏三极管（+放大驱动电路）。光敏二极管的响应速度是纳秒级，光敏三极管的响应速度是微秒级。普通光耦工作在线性区，受限于截至频率Fc，达到百KHZ需要满足一定的条件。

高速光耦具有可单向传递信息、通频带宽、寄生反馈小、消噪能力强、抗电磁干扰性能好等特点，因而无论在数字电路还是在模拟电路中均得到了越来越广泛的应用，并且还具有有体积小、耦合密切、驱动功率小、动作速度快、工作温度范围宽等优点。具备强稳的抗噪声能力、高弹性的供电电压运作范围以及多种小巧的封装选择，并具备高共模拒斥和短传播延迟，提供强稳有效率的运作，可减少PCB板的空间，应用于AC和DC无刷马达驱动器、工业变频器、空调机等。因其短传播延迟，可提供快速开关速度，进而降低停滞时间并提高移动的效率和精密度，高速光耦极大的拓展了光电耦合器在数字信号处理中的应用。

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