Toshiba光耦和MOSFET替代机械式继电器之应用设计

 一般电磁继电器都是机械触点,靠导通电流流过线圈使其变成具有磁性的磁铁吸合触点,从而控制开关状态。机械继电器通常用于各种设备中的电路切换,主要有隔离,高耐受电压和对浪涌的瞬变有高抗扰度的优点。继电器有两种切换模式,一种模式称为热切换,在这种模式下,继电器在打开和关闭时,输入和输出端子之间存有电压降。另一种为冷开关,在打开和关闭时,输入和输出端子之间没有电压。机械继电器在热切换模式下会导致触点磨损,因为触点闭合时会电流流向负载。另外,触点断开时会有电弧,而触点的电弧和磨损最终会导致触点失效,从而降低触点的寿命。

在工业设备应用中,通常需要具有高可靠性的继电器,来减少维护频率,如冷暖气空调或安全系统等等就很重要。在这些应用中的机械继电器正在被固态继电器所取代。固态继电器是一种全部由固态电子组件组成的无触点开关器件,利用电子组件来达到无触点无火花地接通和断开电路,因此又称为无触点开关。固态继电器在工作稳定性和使用寿命方面大大优于传统机械式继电器,主要有寿命长、可靠性高、速度快、静音运行等优点。

固态继电器中常见的有光电耦合器,在输入初级和输出次级侧之间提供电气隔离。一般电磁继电器靠电流经过线圈使铁芯变成有磁性的磁铁吸合衔铁,从而使相关的触点动作操控负载的通断,而光电耦合器没有机械触点, 其内部的发光二极管用来向光电元件放射光线,光电元件接受光线并操控输出场效应管导通或截止。相对于电磁继电器,因为没有触点引起的磨损,使用寿命大幅提高。而光电耦合器又分为两种类型: 1. 光继电器,由光电耦合器和内置MOSFET组成,集成于同一个封装中。2. 光电耦合器加上外部的MOSFET组成,为分立方案。如下图所示 :







       光继电器将光电耦合器和MOSFET集成在一个封装中,因此,与光电耦合器和外部MOSFET的分立组合相比,所需的Layout空间要少很多。具有小体积的优点,然而,因受到芯片尺寸的限制,小型SMD贴片封装中的光放大器的最大电流仅有几安培,比较适用于电流较小及小型化的产品。反之,光电耦合器和外部MOSFET组成的方案尽管存在空间上的缺点,但提供了较大设计的灵活性,可依不同电流可配置不同的MOSFET。  

       东芝在光继电器和光电耦合器外置MOSFET分立的两种方案都有。

光继电器产品

       本文主要介绍第二种分立方案,对于MOSFET的栅极驱动,不仅需要在栅极中存储电荷,同时也需要释放在栅极中存储电荷。东芝提供了带或不带放电电路的两种类型的光电耦合器,如下表。在没有放电电路的光伏输出光电耦合器需要有外部电源与输出级并联的放电电阻。反之,带有放电电路的不需要加外部放电电阻。两种类型都各有优缺点。一般建议使用带有放电电路的光电输出光电耦合器,可以简化继电器的电路配置。

 

TLP3906光电耦合器提供了0.3ms的最短典型关闭时间(toff),同时因为它不需要外部电阻节省了电路板空间,简化了系统设计。

TLP3906規格書



应用电路設計 : 



使用TLP3906光电耦合器和MOSFET的组合来代替传统机械继电器

TLP3906带有放电电路,不需要外部放电电阻。

在Ta=25°C时,TLP3906的最小Voc为7V

假设该电路在环境温度85°C下工作,我们可以由表推得

在Ta=85°C时,TLP3906的Voc为5V







接下来,需选择一个光电耦合器驱动的MOSFET。漏源极电压VDSS额定值对MOSFET的选择非常重要,因为应用超过VDSS的电压可能导致MOSFET的损坏。一般会选择一个VDSS比实际使用电压高的MOSFET。然而,具有高VDSS的MOSFET往往具有较大的漏源导通电阻RDSon,造成传导损耗增加。
因Voc=5V,在此选择VGS=4.5V的作为测试条件,推荐东芝具有低RDSon的MOSEFT TPH1R306PL

 TPH1R306PL規格書


下面为由TLP3906和TPH1R306PL组成的电路的实测波型





CH3和CH4分别代表VDS和ION,其相交面积代表MOSFET开关的切换损失,三角形面积可近似为0.71倍的矩形面积,为了确保MOSFET的温度不超过额定温度 ,可以推算如下
   
  

测试条件为Ta=25°C、 IF=10mA、VDD=24V、 IDS(on)=3.5mΩ(最大值)、 RL=2.4Ω ( ION≈5A)
导通时脉冲宽度(ton)为880μs。这个三角形的面积是近似等于宽度为矩形脉冲880μs×0.71= 625μs,因此,在ton期间的瞬态热阻Rth(ch-a)可以由下图得到为0.21°C/W。
同样,toff期间的瞬态热阻可以近似为等于宽度为矩形脉冲 960μs×0.71= 682μs,在ton期间的瞬态热阻Rth(ch-a)可以由下图得到为0.22°C/W。













  因此,我们可由以上公式推得TPH1R306PL的通道温度(Tch),不超过其最大额定值通道温度175°C。满足在TPH1R306PL的安全操作区(SOA)内






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