汽车高压光电继电器的应用和耐压性能研究

RC 网络用于控制可能会误导通晶闸管的电压瞬态。这类网络称为缓冲器。简单缓冲器由串联电阻和围绕晶闸管放置的电容组成。这些元器件与负载电感一同形成串联CRL 电路。缓冲器理论的基础是电路的微分方程解。许多 RC 组合都能提供可接受的性能。然而，若缓冲器使用不当，则会造成电路工作不稳定，并损坏半导体器件。出于可靠性考虑，可能需同时采取导通和关断保护。有时，晶闸管必须要能在某个负载范围内工作。使用的晶闸管类型、电路配置和负载特性都有影响。缓冲器设计时需要权衡取舍。这些权衡包括成本、额定电压、峰值电压和导通应力。实际解决方案取决于器件和电路的物理特性。

高压光电继电器的特点

TLX9160T是一种隔离电压5kVrms的光电继电器，由发射控制信号的红外发光二极管（LED）、接收控制信号的光电二极管阵列（PDA）和1500V的高阻塞电压MOSFET组成。

图1光电继电器工作原理

图2 TLX9160T内部结构图当电流流过

当PDA接收到灯时，PDA产生电力（光伏发电）。MOSFET通过充电连接电源的MOSFET门充电。

如果到led的电流低于一定水平，pda的光伏功率将不足以给MOSFET的门充电，从而导致关闭状态。此时，MOSFET的栅极电荷通过pda芯片中的控制电路迅速被拉出。

此外，TLX9160T已被开发出来，以适应环境友好型车辆中的更高电压，并假定工作电压高达1000V。在工作电压为1000V下使用，至少需要5mm的爬电距离（CTI>600，污染程度2环境）。TLX9160T通过消除输出侧的四个端子，确保了5mm的爬电。

TLX9160T在抑制电压增强和雪崩电流性能增加方面也优于TLX9175J。我们的车载光电继电器产品的比较表如下所示。

表1产品对比情况表

*塔=25℃，除非另有规定

产品名称	TLX9175J	tlx9160吨
AEC-Q101	ü	ü *1
Tstg（最小至最大值）	-55至125℃	~55至150℃
Topr（最小至最大值）	-55至105℃	-40至125℃
BV（最小值）	3750Vrms	5000Vrms
Iav（最大）*2	-	0.6mA
推荐操作VDD（最大值）	450V	1000V
V从…落下	600V双向	1500V双向
I英尺最高的	3mA	3mA
R上最高的	335Ω @ IF=10mA, ION=15mA	250Ω @ IF=10mA, ION=50mA
I上山峰	15mA (80mA @ 1ms)	50mA (150mA @ 1ms)
国际集装箱运输（比较跟踪指标）	≥500	>600
销至销的间隙辅助侧	2.14mm	> 5mm *3
包装

1在1200V条件下进行了高压应用的可靠性试验。

2作为一种终身积累，它可以在最长的连续1 min和Duty cycle=0.1%上应用5次。

3当工作电压为1000V时，爬电距离要求在5mm或以上。

在高压光电继电器中的应用

高压光电继电器不能像机械继电器那样控制高负载。另一方面，光电继电器没有接触磨损、接触焊接和接触开/合限制，这使得在控制低电流的应用中可以提供比机械继电器更好的可靠性。特别适用于具有机械继电器焊接检测电路

(1) 蓄电池总电压监测电路

(2) 和接地故障检测电路

(3) 的蓄电池管理系统（BMS）

(4) 它广泛应用于电路应用中，经常同时保持高电池电压的开关。

图3高压电阻光电继电器应用方框图

机械继电器焊接检测电路

通常使用具有优异特性的机械继电器，因为为电池充电和放电的主电路采用了几百伏特和几十到几百安培。然而，虽然开启特性极好，但在机械继电器中存在发生接触粘接和焊接的风险。如果机械继电器焊缝，充放电电路不能关闭，这是非常危险。因此，有必要检查机械继电器是否存在焊接现象。由于焊接的检测不需要一个巨大的电流流，它已被确认使用一个高耐压光电继电器，没有粘接风险。

图4机械继电器焊缝检测电路（示例）

总电池电压监测电路

环保车辆（电动汽车、PHEV）只能随时或经常在电机上运行。此时，特别是在启动时，最好用巨大的电力驱动电机。因此，了解单个电池单元和整个车载电池的总电压状态是很重要的，因此需要监测该总电池电压。

由于需要进行全电压监测，因此，当车辆正在运行或停止运行时，经常需要进行电压监测。因此，具有接触开/关闭限制和慢开关速度的机械继电器不合适。此外，对于电压监测，通常通过并联电阻等进行精确测量，并且只施加最小的电流。从这些背景下，光电继电器是一个非触式继电器，被用作该电路的开/断开关。

图5蓄电池总电压监测电路（示例）

接地故障检测电路

在汽车电气化方面，车辆驾驶能力和车载舒适性有所提高，而高压需要乘客和周边设备的安全。应避免电池电压流入机箱。特别是，在接地故障或短路的情况下，会存在严重的触电风险，从而导致通过最小电阻与外壳的连续性。因此，需要一个接地故障检测电路，以确认配备高压蓄电池的车辆需要绝缘。

在各种事件中，如在驾驶、停车、充电等时，以及在不同事件之间，都要检查有无接地故障。另外，如果电路开关仍处于接通状态，则无法进行正常检测。因此，接地故障检测电路上的开关采用无接触磨损和焊接风险的高耐压光电继电器。

图6接地故障检测电路（示例）

电动汽车需要进行的耐压试验

当采用60V及以上的电池系统，需要采取绝缘措施时，需要确认电动汽车和车内设备是否具有适当的绝缘功能。本应用说明描述了以下标准，专门用于保护人员免受电气危害。

国际标准ISO 6469-3、日本工业标准JIS D5305-3、中国国家标准GB/T 18384-3等。

这些标准是IEC 60664；低压系统内设备的绝缘协调，适用于1000 VAC或1500 VDC以下的设备，以及IEC 61140；触电保护。以JIS D5305-3为例，一种设备大致分为危险带电部分可能与人接触的II类设备，以及危险带电部分不与人接触的I类设备。并且在每个设备中，都需要每个绝缘电阻。检查此绝缘电阻的程序是耐压试验。

对于一级和二级设备，耐压试验的定义如下。但是，本申请说明假设该设备为I类设备。

耐压试验电压

一级设备：基本绝缘 2U+1000Vrms（注）

二级设备：辅助绝缘 2U+2250Vrms双绝缘/增强绝缘 2U+3250Vrms

U：电路的最大工作电压

（注）本测试要求在50到60Hz的交流电压下，将1000到两倍的电池电压施加1分钟。如果采用直流电进行测试，则测试电压必须是交流电压的1.41倍。

当一级设备*1，电池电压(U) =800V

(2U + 1000) = 2×800 + 1000 = 2600Vrms/ 1min.⇔2600 × 1.41 = 3666Vdc/ 1min.

如上示例所示，在承受电压测试时，对车载设备施加明显高于电池电压的电压。当然，这种测试也适用于绝缘装置。当使用光电继电器时，需要配置一个电路，其中即使在承受电压测试中，光电继电器也不会被损坏。

机械继电器焊接检测电路和蓄电池总电压监测电路

在正常运行期间，在MOSFET之间只施加电池电压，因此使用低于推荐的运行电压不会破坏光电继电器。

此外，当根据市场上常见的400V以下和800V以下的电池系统计算耐压试验电压时，

电池电压= 400V : 2×400 + 1000 = 1800 Vrms/1min.⇔Approximately 2538Vdc/ 1min.电池电压= 800V : 2×800 + 1000 = 2600 Vrms/1min.⇔Approximately 3666Vdc/ 1min.

测试电压等于或低于相应的隔离电压（BVs）3750Vrms、5000Vrms。因此，在机械继电器焊接检测电路和电池总电压监测电路中，无需采用特殊的电路配置，即可使用光电继电器。

表2正常运行/耐压测试（机械继电器焊缝检测电路、蓄电池总电压监测电路）

正常运行

耐压试验期间

接地故障传感电路

同样，接地故障检测器在正常运行时只施加MOSFET之间的电池电压。因此，如果使用低于推荐工作电压，光电继电器不会损坏。

另一方面，在耐压测试期间，

电池电压= 400V : 1800 Vrms/1min.⇔Approximately 2538Vdc/ 1min.电池电压= 800V

2600 Vrms/1min.⇔Approximately 3666Vdc/ 1min.

上述电压施加于MOSFET之间。这些电压明显超过了TLX9175J、TLX9160T的阻塞电压。因此，有必要配置一个电路，通过串联多个单元或插入一个巨大的电阻，或两者都配置，以便光电继电器在承受电压测试中不会被损坏。

正常运行

耐压试验期间

表3正常运行/耐压试验（接地故障检测电路）

TLX9160T的应用

一般来说，光电继电器的阻塞电压是由直流电压来保证。在承受电压测试时，需要检查光电继电器是否能保持交流测试电压的峰值电压或直流测试电压。如上所述，接地故障检测电路通常由几个串联连接的光电继电器组成。因此，以下假设TLX9160T在800V电池系统中串联2个电脑。

图7接地故障检测电路（蓄电池电压：800V)

由于电池电压为800V，耐压试验为2600Vrms/1min或3666Vdc/1min。该电压必须保持在TLX9160T 2片上。

数据表所示，TLX9160T的阻塞电压为1500（min），3666V-1500V×2=666V即使两个单元串联连接，666V也不能保持耐压试验电压。此时，如果保护光电继电器的限制性电阻不在电路上，则对光电继电器施加过大的电流并被破坏。不能保留的电压必须划分为限位电阻器。极限电阻的设置是根据数据表中描述的雪崩电流计算出来的。

TLX9160T数据表保证了雪崩电流。与典型的MOSFET有时保证的雪崩电流不同，如果即使MOSFET中断，电流被限制在小于这个电流，设备在一分钟的连续通电（寿命：多达5倍）内也不会损坏。

由于TLX9160T的雪崩电流保证值为0.6 mA，666V/0.6 mA=1.11MΩ通过将1.11MΩ或更多的极限电阻与产品串联连接，TLX9160T即使在承受电压测试下也不会被破坏。

TLX9175J的应用

由于TLX9175J用于400V或更少的系统中，因此假定它也用于地面故障检测器中。

图8接地故障检测电路（蓄电池电压：400V)

对于400V电池系统，耐压试验为1800Vrms/1分钟。或者大约是2538V/1分钟。该电压必须保持在TLX9175J上。

根据数据表中的绝对最大额定值，TLX9175J的阻塞电压为600V。必须至少5个TLX9175J串联以保持2538 V。在TLX9175J中，MOSFET不得施加高于600V的电压。因此，齐纳二极管等保护装置必须与各自的光电继电器并联连接，以保护TLX9175J。

在阻塞电压以上使用的注意事项

当电压高于阻塞电压时，请勿操作产品的开关。由于耐压试验只是一种光电继电器始终处于关闭状态的试验，即使施加的电压高于光电继电器的封锁电压，也可分为其他产品和电阻器使用。然而，在施加高于阻塞电压的环境中，开/关的开关操作可能导致由于测试之间的开关失调而携带过高的电压，这可能导致光电继电器或保护装置故障，或光电继电器寿命缩短。

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