光半导体——光耦的类型与安全标准

光耦的作用和类型

很多人可能要问，为什么需要光耦？在光耦中，一次侧（LED侧）和二次侧（受光器件侧）是电绝缘的。因此，即使一次侧和二次侧的电位（甚至GND电位）不同，也可以将一次侧电信号传输到次级侧。由于光耦器件体积小,响应速度快,隔离效果好和具有较强的抗干扰能力，因此它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、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中。如图1所示的逆变器应用中，控制单元（如微控制器）通常在低直流电压下工作。另一方面，IPM和IGBT将驱动高电压负载（比如需要200V交流电）。高压系统部件可通过耦合器直接由微控制器控制。

图1 逆变器应用

在光耦中，LED用于光耦的输入。另一方面，有各种器件可用于输出。根据输出的类型不同会有不同的应用区分。

晶体管输出：光电晶体管是一种探测器，也可使用达林顿类型。
IC输出：东芝有光电二极管作为受光器件的产品、逻辑等输出产品、用于IGBT和MOSFET栅极驱动的大电流输出产品、以及隔离放大器等高功能产品。
可控硅／晶闸管输出：光电晶闸管或光电可控硅用于输出。它们主要用于交流线路的控制。
光继电器（MOSFET输出）：光伏阵列（光电二极管阵列）驱动MOSFET的栅极来打开／关闭输出。通过这种操作，它可以用作MOSFET输出的继电器开关。

图2 输出类型不同的光耦

除了输出类型不同之外，按照封装不同光耦也存在很多不同类型的产品。光耦必须具有符合安全标准的封装形状和介电强度。根据安全标准进行设计时，需要检查以下各项。需要检查的参数主要有：

绝缘爬电距离——两个导体之间沿绝缘体表面的最短距离（初级和次级）；
间隙——通过空气测量的两个导体之间的最短距离；
绝缘厚度——两个导体之间绝缘体的最小距离；
隔离电压——两个导体之间的隔离电压，根据UL规定，即使施加1分钟也不会破坏绝缘的交流电压。

另一方面，由于要求的绝缘性能、封装尺寸和内部芯片尺寸等限制，光耦具有不同类型的内部封装结构。

单模透射型：框架式LED和框架式光电探测器采用面对面的模压封装。LED与光电探测器之间的透光部件采用硅树脂材料。

带膜的单模透射型：为了提高隔离电压，可在LED和光电探测器之间插入聚酰亚胺薄膜。

双模透射型：在这种透射结构中，内模为白色，外模为黑色。红外线透光率高的树脂用于透光部件的白色模具。

反射型：框架式LED和框架式光电探测器位于同一平面。LED光在硅树脂中反射并到达光电探测器。因此，它被称为反射型。

光耦的安全标准

将光耦安装在电气设备中以保护人体免于触电时，光耦可能需要遵守不同安全标准方面的规定。现行有各种确保安全的法规和标准。从设计和制造的角度来看，安全标准可分为“设定标准”和“零件标准”。设定标准是设计和制造电视机、录像机和电源装置等设备的基础。“整机标准”根据设备类型、隔离方法及其等级、驱动电压等不同而异。此外，绝缘部分必须保持的项目（介电强度（绝缘电压）、爬电距离、间隙等）被指定为“零件标准”。

光耦的主要安全标准

零件标准
UL1577（cUL） 隔离电压标准（1分钟）
批准组织：UL（美国保险商实验室公司）EN60747-5-5

最大工作隔离电压和最大过压标准
批准组织：VDE（德国电气工程师协会）

批准组织：TUV（技术监督协会）
整机标准（批准组织：BSI（UK）SEMKO（瑞典）等）

EN60950电信网络设备（工作站、PC机、打印机、传真电阻器、调制解调器等）标准

EN60065家用电器设备标准（电视、收音机、录像机等）