TWI527376B - 用於閘極驅動器的光耦合器電路 - Google Patents

Description

用於閘極驅動器的光耦合器電路 參考相關申請案

本申請案主張美國臨時專利申請案61/296,220號的優先權和利益，該61/296,220號於2010年1月19日申請，名稱為"OPTOCOUPLER CIRCUIT FOR GATE DRIVER"，且其在此被併入本案以為參考資料。

本申請案一般來說是關於在具有高電壓及/或高功率之電路的應用中使用一光耦合器。更特定來說，本申請案是關於在變速驅動器中的閘極驅動器電路或板子中使用光耦合器以提供電氣隔離的系統和方法，其中介於光耦合器的輸入和輸出之間發生大的共模電壓暫態。

發明背景

一光耦合器包括一光學發光二極體(LED)以及一光偵測器，或介於該LED和光偵測器之間的光電晶體。該光耦合器可用於隔離兩個電路。當一光耦合器是使用於高電壓及/或高功率電路中的閘極驅動器的應用時，光耦合器的隔離側可能暴露於高壓的共模暫態。

一光耦合器具有可在每微秒數十千伏(KV/μs)範圍中的一共模抗擾等級。如果共模電壓暫態超過共模抗擾等級，則光耦合器可能故障。光耦合器的故障可能造成光學LED無預期地被切換為開啟或關閉。在靈敏的應用中，例如，一變速驅動器(VSD)的一閘極驅動器，一光耦合器的無預期切換可能產生直流鏈電壓穿過閘控絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的破壞性擊穿。

在一光耦合器中，光學LED以及光偵測器不是非電耦合的。介於光學LED和光偵測器之間的電容性耦合可能發生。該耦合電容可以連接於該光學LED之陽極和陰極中的每一個與該光耦合器之輸出間的電容器來表示。從而，在共模電壓中的大暫態可能產生來自或至該光學LED之陽極或陰極的電流流動。由於共模電壓暫態的此額外的電流可能造成一光學LED發生故障，例如無預期的開啟或關閉光偵測器。

在此揭露之系統及/或方法的預期好處是滿足一或多個此等需求或提供其他有利的特徵。其他特徵和優點將自本說明書中而變得明顯。所揭露的教示擴及到落入申請專利範圍之範圍中的那些實施例，且無論它們是否完成前述所提及之一或多個需求。

發明概要

本發明是針對一種光耦合器電路。該光耦合器電路被安排以使光學發光二極體(LED)的突然導通或不導通降到最少。該光耦合器電路包括與該光學LED並聯的一第一開關。該光學LED之陽極連接到電源，且當該第一開關打開時，該光學LED被啟動。該光學LED之陰極是經由一第一電阻器連接到地。該光學LED之陰極也與一第二開關、一第二電容器和一第二電阻器串聯到地。該第一開關和該第二開關被安排以在互補狀態下運作以避免第二電容器放電。

本發明也針對包括一互補開關積體電路和一光耦合器電路的一種閘極驅動器電路。該光耦合器電路包括與該光學發光二極體(LED)並聯的一第一開關。該光學LED之陽極連接到電源，且當該第一開關打開時，該光學LED被啟動。該光學LED之陰極是經由一第一電阻器連接到地。該光學LED之陰極也與一第二開關、一第二電容器和一第二電阻器串聯。該第一開關和該第二開關被安排以在互補狀態下運作以避免第二電容器放電。

此外，一種光耦合器電路是包括與一光學LED並聯的一開關，該光學LED具有一陽極和一陰極。該陽極經由一解耦電容器連接到一電源。該光耦合器電路被安排使得當該開關在打開位置時導通該光學LED。當該開關關上時，該開關引導電流流經一串聯電阻器到地，且將電流分流以離開光學LED來不導通該光學LED。一第二電容器連接於陰極。第二電容器與一第二開關和一連接到地的限流電阻器串聯。第一開關和第二開關以互補狀態運作以防止連接至陰極的電容器放電。

本文所描述之實施例的一優勢是該等光耦合器可在超過其等額定的共模抗擾範圍下運作。

本文所描述之實施例的另一優勢是以光耦合器取代光纖裝置。

圖式簡單說明

第1圖顯示一光耦合器電路的一示範性實施例。

第2圖顯示出一光耦合器電路，該光耦合器電路指示出由於輸入-輸出的電壓暫態，流進陽極端或自陽極端流出的電流。

第3圖顯示一光耦合器電路，該光耦合器電路具有在導通狀態下的光學LED，且由於輸入-輸出的電壓暫態，電流自陰極端流出。

第4圖顯示一光耦合器電路，該光耦合器電路具有在導通狀態下的光學LED，且由於輸入-輸出的電壓暫態，電流流至陰極端。

第5圖顯示一光耦合器電路的另一實施例，且該光耦合器電路具有在導通狀態下的光學LED，且由於輸入-輸出的電壓暫態，電流流至陰極端或自陰極端流出。

第6圖顯示在一VSD之一閘極驅動器板電路的光耦合器的一示範性實施例。

較佳實施例之詳細說明

第1圖顯示包含一光學LED 20之一光耦合器電路10的示意圖。光耦合器電路10可表示為包括連接於光耦合器電路10之輸入部16和光耦合器電路10之輸出部18間的寄生電容器12、14。線30代表一隔離屏障，橫跨該隔離屏障沒有電性接觸。

參考第2圖，光耦合器電路10可由與該光學LED 20並聯的一開關(SW1)22控制。在一實施例中，當開關22是與光學LED 20並聯時，使用開關22來控制光學LED 20以提供對共模暫態的抗擾及/或保護。光耦合器電路10包括經由一解耦電容器28(C_decoupler)連接於一電源26之光學LED 20的陽極24。在一實施例中，解耦電容器28可具有約0.1微法拉(μf)的電容值。打開開關22會造成電流流至光學LED 20以及串聯電阻器32並到地34，切換光學LED 20到一主動或「導通」狀態。關上開關22造成電流流經開關22和串聯電阻器32(R_series)並到地34，且分路電流自光學LED 20流走，從而，切換光學LED 20為不導通狀態。在一實施例中，串聯電阻器32可具有約169歐姆的電阻值，雖然串聯電阻器32也可使用更高或較低的電阻值，只要電流可被引導經串聯電阻器而非流經光學LED 20即可。

無論開關22是在導通或不導通狀態，由於過度的共模電壓暫態引起的至陽極24的任何電流被提供至電源26和解耦電容器28的直接路徑。從而可避免光學LED 20的意外啟動或不啟動。

由於過度的共模電壓暫態引起的至陰極36的任何電流可能造成光耦合器10故障。光耦合器電路10可在兩種不同的情況下予以分析，其中一種是電流流至陰極36，而另一種是當電流流出光學LED 20的陰極36。參考第3圖，電壓暫態引發來自光學LED 20之陰極36的電流I_{cathode_from}。如果開關22打開，則光學LED 20是在導通狀態且電流流經光學LED 20。自陰極36流出並通過耦合電容器14的電流I_{cathode_from}可能增加到光學LED 20的電流，而光學LED 20已經是在導通狀態。從而，自陰極36流出並通過耦合電容器14的電流I_{cathode_from}不會造成光耦合器電路10的錯誤觸發。然而，如果開關22是在關上的狀態，自光學LED之陰極36流出的電流I_{cathode_from}可能流經開關22。開關22可能具有在幾百毫歐姆之範圍中的電阻值，而這在電子開關中是普遍的。因為此關上之開關22的低電阻值，要使光學LED 20被I_{cathode_from}啟動，自陰極36流出的電流必須要大。換句話說，要使光學LED 20無預期地被啟動，由I_{cathode_from}造成的橫跨開關22的電壓降必須與光學LED 20之正向偏壓VF一樣高。對於一光耦合器電路要產生錯誤的觸發，即對於開關22降下與光學LED 20之VF一樣高的電壓，流經寄生輸入-輸出電容器14的電流必須非常高，例如在幾安培的範圍中。光耦合器的寄生輸入-輸出電容值一般是在pF的範圍中。從而，對於光學LED 20來說，要發生一意外的錯誤觸發，共模電壓暫態必須在幾千KV/μs的範圍中。

第4圖顯示電壓暫態導致一電流I_{cathode_into}流至光學LED 20之陰極36。電流I_{cathode_into}流至串聯電阻器32且增加橫跨串聯電阻器32的電壓降以減少橫跨光學LED 20的電壓降，且可能造成光學LED 20不導通。從而，處於導通狀態之光學LED 20可能趨向無預期地切換到不導通狀態。例如，橫跨串聯電阻器32的十分之幾伏特範圍內的電壓降的增加可能造成光學LED無預期地不導通。流經寄生的輸入-輸出電容器14且在一些毫安培範圍下的電流可能造成橫跨串聯電阻器32上的額外電壓降。光耦合器之寄生的輸入-輸出電容的典型值是在幾微微法拉(pF)的範圍中。相當小的共模電壓暫態，例如幾KV/μs，可能產生毫安培的電流且對導通的光學LED 20造成意外的不導通。當光學LED是導通時，這種電流流至光學LED 20的情形是很嚴重的，因為相當小的共模電壓暫態可能造成光耦合器10故障。如果開關22是關上，流至光學LED 20之陰極36的電流可能流經開關22且流至解耦電容器28，由I_{cathode_into}造成的橫跨開關22的電壓降可能增加光學LED 20上的反向偏壓，且因而不會影響光學LED 20的不導通狀態。

第5圖顯示了對共模電壓暫態提供額外的或增加的抗擾度或保護的一光耦合器電路的實施例。一第二電容器或陰極電容器38(C_Cathode)連接在光學LED 20之陰極36。電容器38是與一第二開關40(SW2)和一連接到地34的限流電阻器42(R_limit)串聯。在一示範性實施例中，陰極電容器38可具有約0.1微法拉(μf)的電容值，以及限流電阻器42可具有約15歐姆(Ω)的電阻值。使用電容器38、第二開關40以及限流電阻器42可避免光耦合器電路10由於共模電壓暫態而產生無預期的不導通。

當光學LED是導通時，為了增加光耦合器電路10的共模抗擾度，陰極電容器38不能直接連接於光學LED 20之陰極端36和地34之間，因為每次光學LED切換狀態時其將反覆充電和放電。只有當光學LED 20是在導通狀態且開關22是打開時，才需要陰極電容器38。因此陰極電容器38是與和開關22互補的開關40串聯，即：當開關22是關上時(光學LED是不導通的)，開關40是打開的，且當開關22是打開時(光學LED是導通的)，開關40是關上的，從而避免電容器放電。開關22和40可是任何類型的機械式或電子式開關。在至少一實施例中，開關22和40可是具有共同輸入和互連的互補電晶體對，使得當另一電晶體是不導通時，一電晶體是導通的，且反之亦然。

當開關40是關上時，額外切換的R-C串聯電路，即：陰極電容器38和限流電阻器42可予以使用。在第一切換事件期間，開關22是在打開的位置且開關40是在關上的位置。在光學LED 20之一初始的啟動期間，陰極電容器38充電。為了限制流經光學LED 20和陰極電容器38的峰值電流，限流電阻42是與陰極電容器38和地34串聯。如果開關22和40不是先斷後接類型的開關，則限流電阻器42可具有被選擇的電阻值以限制流經開關22和40的峰值電流到一想要的位準。陰極電容器38的充電初始可能產生在光學LED 20的峰值電流，而其可能造成光學LED 20故障或失靈。電阻器42的電阻值應該予以選擇以限制光學LED 20中的峰值電流在光學LED 20的指定額度值內。在陰極電容器38充電之後，陰極電容器38可能依然是充電的。之後，流經光學LED 20的電流由串聯電阻器32決定。在一實施例中，陰極電容器38可是具有低洩漏電流的電容器。

當開關22是打開時，一電流I_{cathode_from}自電源26、解耦電容器28和陰極電容器38流經寄生電容器14。來自陰極電容器38的電流將是最小的，因為大部分的電流將自電源26和電容器28引出而通過該啟動的光學LED 20，因為光學LED 20提供具有最小阻抗的路徑。在此情況下的共模抗擾度將不受串聯的R-C電路44影響，且光耦合器電路10將仍有高的共模暫態抗擾等級。

在相反的情形中，電流自寄生電容器14流至陰極端36。光耦合器電路10包括當開關打開時啟動的光學LED 20，有電流流至陰極36。第2至4圖中顯示的光耦合器電路當電流I_{cathode_into}流至陰極36時，對共模電壓暫態有較低的抗擾度，即：任何流至光學LED 20之陰極36的電流將流經串聯電阻器32且增加橫跨電阻器32上的電壓降，可能造成光學LED 20不導通。在此情形下，幾KV/μs的共模電壓暫態可能造成光學LED 20的意外不導通。

在串聯R-C電路44的加入下，流至光學LED之陰極36的電流有兩個到地34的路徑，一條路徑通過串聯電阻器32以及另一條路徑通過串聯的R-C電路44，即：陰極電容器38、開關40以及限流電阻器42。大部分的電流流經串聯的R-C電路44，此路徑具有由陰極電容器38、開關40以及限流電阻器42所界定出的較低阻抗。串聯的R-C電路44可具有約為串聯電阻32之1/100的特性阻抗。因而，如第5圖所示與串聯電阻器32並聯的串聯R-C電路44將需要較第2-4圖之原始電路的電流I_{cathode_into}高大約100倍的電流I_{cathode_into}才能產生導致故障的相同的電壓降。從而，第5圖的光耦合器電路10相較於第2-4圖中所顯示的電路，提供了約100倍的對共模電壓暫態的抗擾度。具有介於陰極36和地34之間的串聯R-C電路44的光耦合器電路10因而提供了改良的共模暫態抗擾度，且從幾KV/μs增加到幾百KV/μs。

串聯R-C電路44從而提供光耦合器電路10在增加的共模電壓暫態位準下運作的能力。

接著參考第6圖，在一VSD中使用的一閘極驅動器板電路50說明了一示範性實施例以及具有串聯R-C電路44之光耦合器電路10的實施。在電路50中，一互補的開關積體電路(IC)52，例如：使用<1Ω、CMOS、1.8 V到5.5 V、雙SPST的開關，且其型號為ADG823，並由馬薩諸塞州之諾伍德的類比裝置公司所製造。在IC 52中的這些開關可具有非常低的導通狀態電阻且是具有與32奈秒(ηs)一樣小之延遲的先斷後接型開關。在另一些實施例中，其他互補型的開關IC，例如：CMOS、低電壓、4Ω、雙SPST、型號ADG723且由類比裝置公司製造；高速、低電壓、4Ω、雙SPST、CMOS類比開關、型號MAX4643，且由加利福尼亞州之森尼韋爾市的美信積體產品公司製造；或其他相似的互補開關IC。在IC 52中，跨於接腳5和6之間且通常關上的開關跨接光耦合器電路10之光學LED 20，且跨於接腳1和2之間且通常打開的開關連接於陰極電容器38和限流電阻器42之間。在至少一示範性實施例中，光耦合器電路可是一單一通道高速光耦合器，其型號為HCNW4503並由加利福尼亞州之帕羅奧多市的惠普公司製造，雖然此揭露不限於任何一種光耦合器電路且其他相似的裝置可予以使用。在至少一示範性實施例中，串聯電阻器32可是169歐姆，限流電阻器42可是15歐姆，解耦電容器28可是0.1 uF，以及陰極電容器38可是0.1 uF。

應理解的是，本申請案不限於說明或圖式中所描述的這些細節或方法。也應理解的是，本文中所使用的措辭和術語僅是出於描述的目的且不應被視為具有限制性。

在圖式中所說明以及本文所描述的示範性實施例目前而言是較佳的，但應理解的是這些實施例僅是示範性地被提出。因而，本申請案不限於一特定的實施例。

需注意的是，在各種示範性實施例中所顯示的光耦合器電路的結構和配置僅僅是說明性的。雖然只有一些實施例在此揭露中被詳細描述，但對於詳閱本揭露的人而言將輕易地瞭解到許多修改是可行的(例如：各種元件的尺寸、大小、結構、形狀以及比例上的變化、參數值、安裝的配置、使用的材料、顏色、方位等等)，而沒有脫離在此揭露中所列舉之標的的新穎教示和優勢。例如，以整體方式所顯示出的元件可分解成多個部件或元件，元件的位置可相反或改變，以及離散元件的本質或者數目或位置可以變更或改變。因而，所有此等修改意欲納入本申請案之範圍中。任何流程或方法步驟的排序或順序可以依據其他實施例改變或重新排序。在此揭露中，任何手段功能用語意欲涵蓋本文所描述之執行所列舉之功能的結構，且不只涵蓋結構上的等效物也涵蓋等效的結構。其他替換、修改、變化以及省略可在此設計中予以做出，本示範性實施例的操作條件以及配置沒有脫離本申請案的範圍。

10．．．光耦合器電路

12、14．．．寄生電容器/耦合電容器

16．．．輸入部

18．．．輸出部

20．．．光學LED

22．．．開關

24．．．陽極

26．．．電源

28．．．解耦電容器

30．．．線

32．．．串聯電阻器

34．．．地

36．．．陰極

38．．．第二電容器/陰極電容器

40．．．第二開關

42．．．限流電阻器

44．．．R-C電路

50．．．閘極驅動器板電路

52．．．互補的開關積體電路

第1圖顯示一光耦合器電路的一示範性實施例。

第2圖顯示出一光耦合器電路，該光耦合器電路指示出由於輸入-輸出的電壓暫態，流進陽極端或自陽極端流出的電流。

第3圖顯示一光耦合器電路，該光耦合器電路具有在導通狀態下的光學LED，且由於輸入-輸出的電壓暫態，電流自陰極端流出。

第4圖顯示一光耦合器電路，該光耦合器電路具有在導通狀態下的光學LED，且由於輸入-輸出的電壓暫態，電流流至陰極端。

第5圖顯示一光耦合器電路的另一實施例，且該光耦合器電路具有在導通狀態下的光學LED，且由於輸入-輸出的電壓暫態，電流流至陰極端或自陰極端流出。

第6圖顯示在一VSD之一閘極驅動器板電路的光耦合器的一示範性實施例。

10．．．光耦合器電路

14．．．寄生電容器/耦合電容器

20．．．光學LED

22．．．開關

26．．．電源

28．．．解耦電容器

30．．．線

32．．．串聯電阻器

34．．．地

36．．．陰極

38．．．第二電容器/陰極電容器

40．．．第二開關

42．．．限流電阻器

Claims (20)

1. 一種光耦合器電路，其包含：一第一開關以及一光學發光二極體(LED)，該第一開關與該光學LED並聯；連接到該第一開關的該光學LED之一陽極，該第一開關組配來在該第一開關開路時啟動該光學LED；以及經由一第一電阻器連接到地的該光學LED之陰極；該光學LED之該陰極也與一第二開關、一第二電容器和一第二電阻器串聯到地；其中該第一開關和該第二開關組配來在互補狀態下運作，用以阻止該第二電容器放電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合器電路，其中該第一開關組配來分流來自該光學LED的電流以停用該光學LED。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光耦合器電路，其中流經該第一開關的一分流電流流經該第一電阻器到地。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合器電路，更包含該第二電容器直接連接到該光學LED之該陰極。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光耦合器電路，更包含該第二電容器連接到與該第二電阻器串聯的該第二開關，該第二電阻器組配來限制經由該第二開關流向地的電流。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合器電路，其中該第二電容器具有約0.1微法拉的電容值。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光耦合器電路，其中該第二電阻器具有約15歐姆的電阻值。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合器電路，其中該第一和第二開關的互補運作狀態組配來防止該第二電容器反覆的充電和放電。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合器電路，其中當該第一開關開路且該第二開關閉路時，該第二電容器在該光學LED之一初始啟動期間充電；以及該第二電阻器組配來限制於該光學LED之初始啟動期間流經該光學LED和第二電容器的一峰值電流。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合器電路，其中該第一開關和該第二開關各組配來在該第一和第二開關中之另一開關中斷之前先接上。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光耦合器電路，其中該第二電阻器具有預先選定來限制流經該第一和第二開關的一峰值電流到一預定位準的電阻值，且該預定位準是在該光學LED之指定電流額定內。
12. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合器電路，其中當該第二電容器被充電時，流經該光學LED之一電流位準是由該第一電阻器之一電阻值所決定。
13. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合器電路，其中該第二電容器包含一低洩漏電流類型的電容器。
14. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合器電路，更包含：連接到該光學LED之該陽極且與一電源並聯的一第 一電容器；該第一電容器組配來為引生的電流提供到地的一分流路徑，以防止該光學LED的意外啟動或停用。
15. 如申請專利範圍第14項所述之光耦合器電路，其中該第一電容器包含約0.1微法拉(μf)的電容值。
16. 一種閘極驅動器電路，其包含：一互補的開關積體電路，包含一第一開關和一第二開關，該第一開關和第二開關組配來在互補狀態下運作；以及一光耦合器電路，該光耦合器電路包含：一光學發光二極體(LED)以及一光電晶體；連接到該第一開關的該光學LED之一陽極，該第一開關組配來在該第一開關開路時啟動該光學LED；以及經由一第一電阻器連接到地的該光學LED之一陰極；該光學LED之該陰極也與一第二開關、一第二電容器和一第二電阻器串聯到地；其中該第一開關和該第二開關組配來在互補狀態下運作，用以避免該第二電容器放電。
17. 如申請專利範圍第16項所述之閘極驅動器電路，其中該互補開關積體電路包含一對先斷後接型互補開關，該等互補開關具有約32奈秒的一操作延遲。
18. 如申請專利範圍第16項所述之閘極驅動器電路，其中該耦合器電路包含一單一通道高速光耦合器。
19. 如申請專利範圍第16項所述之閘極驅動器電路，該等互補開關更包含：一常閉開關和一常開開關，該常閉開關跨接於該光學LED上，以及該常開開關連接於一陰極電容器和一限流電阻器之間。
20. 如申請專利範圍第16項所述之閘極驅動器電路，更包含一電源，該光學LED之該陽極連接於該電源。