光半導體——光耦的類型與安全標準

光耦的作用和類型

很多人可能要問，為什么需要光耦？在光耦中，一次側（LED側）和二次側（受光器件側）是電絕緣的。因此，即使一次側和二次側的電位（甚至GND電位）不同，也可以將一次側電信號傳輸到次級側。由于光耦器件體積小,響應速度快,隔離效果好和具有較強的抗干擾能力，因此它廣泛用于電平轉換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器(SSR）、儀器儀表、通信設備及微機接口中。如圖1所示的逆變器應用中，控制單元（如微控制器）通常在低直流電壓下工作。另一方面，IPM和IGBT將驅動高電壓負載（比如需要200V交流電）。高壓系統部件可通過耦合器直接由微控制器控制。

圖1 逆變器應用

在光耦中，LED用于光耦的輸入。另一方面，有各種器件可用于輸出。根據輸出的類型不同會有不同的應用區分。

晶體管輸出：光電晶體管是一種探測器，也可使用達林頓類型。
IC輸出：東芝有光電二極管作為受光器件的產品、邏輯等輸出產品、用于IGBT和MOSFET柵極驅動的大電流輸出產品、以及隔離放大器等高功能產品。
可控硅／晶閘管輸出：光電晶閘管或光電可控硅用于輸出。它們主要用于交流線路的控制。
光繼電器（MOSFET輸出）：光伏陣列（光電二極管陣列）驅動MOSFET的柵極來打開／關閉輸出。通過這種操作，它可以用作MOSFET輸出的繼電器開關。

圖2 輸出類型不同的光耦

除了輸出類型不同之外，按照封裝不同光耦也存在很多不同類型的產品。光耦必須具有符合安全標準的封裝形狀和介電強度。根據安全標準進行設計時，需要檢查以下各項。需要檢查的參數主要有：

絕緣爬電距離——兩個導體之間沿絕緣體表面的最短距離（初級和次級）；
間隙——通過空氣測量的兩個導體之間的最短距離；
絕緣厚度——兩個導體之間絕緣體的最小距離；
隔離電壓——兩個導體之間的隔離電壓，根據UL規定，即使施加1分鐘也不會破壞絕緣的交流電壓。

另一方面，由于要求的絕緣性能、封裝尺寸和內部芯片尺寸等限制，光耦具有不同類型的內部封裝結構。

單模透射型：框架式LED和框架式光電探測器采用面對面的模壓封裝。LED與光電探測器之間的透光部件采用硅樹脂材料。

帶膜的單模透射型：為了提高隔離電壓，可在LED和光電探測器之間插入聚酰亞胺薄膜。

雙模透射型：在這種透射結構中，內模為白色，外模為黑色。紅外線透光率高的樹脂用于透光部件的白色模具。

反射型：框架式LED和框架式光電探測器位于同一平面。LED光在硅樹脂中反射并到達光電探測器。因此，它被稱為反射型。

光耦的安全標準

將光耦安裝在電氣設備中以保護人體免于觸電時，光耦可能需要遵守不同安全標準方面的規定。現行有各種確保安全的法規和標準。從設計和制造的角度來看，安全標準可分為“設定標準”和“零件標準”。設定標準是設計和制造電視機、錄像機和電源裝置等設備的基礎。“整機標準”根據設備類型、隔離方法及其等級、驅動電壓等不同而異。此外，絕緣部分必須保持的項目（介電強度（絕緣電壓）、爬電距離、間隙等）被指定為“零件標準”。

光耦的主要安全標準

零件標準
UL1577（cUL） 隔離電壓標準（1分鐘）
批準組織：UL（美國保險商實驗室公司）EN60747-5-5

最大工作隔離電壓和最大過壓標準
批準組織：VDE（德國電氣工程師協會）

批準組織：TUV（技術監督協會）
整機標準（批準組織：BSI（UK）SEMKO（瑞典）等）

EN60950電信網絡設備（工作站、PC機、打印機、傳真電阻器、調制解調器等）標準

EN60065家用電器設備標準（電視、收音機、錄像機等）