随着工业控制和自动化、再生能源发电、新能源汽车等行业的快速发展，中高端光电耦合器的需求比例逐步提升，对光电行业的技术实力与研发水平提出了更高的要求。宁波群芯微电子有限责任公司加大了研发投入，研发出了三个系列国际领先水平的的高端光电耦合器：电流电压传感器，栅极驱动光电耦合器，高速CMOS光电耦合器。

 

一、电流电压传感器(Current Sense/Voltage Sense)

 

1、 产品介绍

隔离放大器QX7840，采用8PIN DIP封装，是一款可用来检测电流/电压的光电耦合器，非常合适马达相位和轨电流检测、逆变器电流检测，是传统电流传感器的替代品。相比传统的霍尔效应电流传感器，QX7840不受外部磁场影响，线性好，CMR高，体积小，成本低等优点。下图为功能框图，2、3脚采样信号输入，6、7脚差分输出。

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QX7840功能框图

 

内部工作过程：输入信号经Σ-Δ调制器转换成高速串行比特流，然后经过编码器进行编码，进行模数转换，然后驱动LED将信号传送到输出端，输出端讲信号进行解码数模转换后输出。

 

2、 产品主要性能指标和主要技术指标

1）QX7840的主要性能：

(1)集成Σ∆ ADC、编码及高速LED驱动芯片;

(2)集成高速光敏信号检测及解码混合集成电路芯片;

(3)多芯片DIP8/宽体SO8封装的高可靠性设计；

(4)高线性的差分输出电压；

(5)光耦高瞬态共模抑制技术。

 

2）QX7840主要技术指标：

(1)输入/输出电源电压VDD1/VDD2：    4.5V~5.5V

(2)输入失调电压VOS：      –3.0~+3.0mV

(3)增益G：       8.0V/V

(4)输入电压VIN+，VIN–：      –200mV~+200mV

(5)200 mV非线性NL200：    0.4%

(6)100 mV非线性NL100：    0.2%

(7)输出共模电压VOCM：    2.5V

(8)工作温度：          -40~+85℃

(9)共模抑制CMR：     15kV/µs


二、栅极驱动光电耦合器(Gate Drive Optocoupler)

 

1、 产品介绍

QX3120/QXW341栅极驱动光电耦合器包含AlGaAs LED，光耦合到具有功率输出级的集成电路。此栅极驱动光电耦合器非常适合驱动 IGBT 和用于电机控制逆变器应用的MOSFET，输出级的高工作电压范围提供门控器件所需的驱动电压，提供的电压和高峰值输出电流使其非常适合直接驱动IGBT，栅极驱动器额定电压高达1200V / 100A。对于额定值较高的IGBT，产品可用于驱动IGBT的分立功率级门。功能框图如下。

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QX3120功能框图

 

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QXW341功能框图

 

栅极驱动光电耦合器主要应用在IGBT/MOSFET栅极驱动器、AC/无刷直流电机驱动器、可再生能源逆变器、工业逆变器、开关电源（SPS）等。

 

2、 产品主要性能指标和主要技术指标

1）产品主要性能

（1）0.6A～2.5A IGBT/MOSFET栅极驱动芯片

（2）集成光敏输入驱动芯片

（3）光电耦合瞬态共模抑制技术

（4）多芯片超小、超薄的封装高可靠性

（5）大功率超高工作绝缘电压（15mm SSO8）封装

（6）带欠压锁定（UVLO）保护

 

2）产品主要技术指标：

（1）峰值输出电流：        0.6A～2.5A

（2）输出工作电压范围:     15～30V/ 10～30V

（3）输出上升沿时间（常温） ≤400ns

（4）输出下降沿时间（常温） ≤400ns

（5）工作绝缘电压            630V-2262V

 

三、高速CMOS光电耦合器(High Speed Optocoupler)

 

1、 产品介绍

QX7723高速光电耦合器具有三个核心部件：高速红外发光二极管芯片、高速红外发光二极管驱动芯片和高速光敏接收器集成电路芯片，其中的高速光敏接收集成电路芯片，是一种把光敏接收器件和高速信号处理集成电路设计在一个芯片上的光敏器件和集成电路一体化的集成器件。高速光电耦合器的封装采用专用光耦平面工艺技术，传输速度：≥50MBd以上，高共模抑制比：Vcm=50V/1000V，30KV/μs，提高共模抑制比则提供了瞬变免疫性噪声抑制、EMI，并且消除了接地环路。下图为功能方块图。

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QX7723功能框图

 

高速光电耦合器应用范围广泛，如：线路接收器隔离；电脑-外围电路界面；微处理器系统界面；A/D，D/A转换的数据隔离；开关电源；仪器的输入/输出隔离；消除噪声接地回路；替代脉冲变压器；马达驱动器中的高压三极管隔离；高速逻辑系统的隔离。

 

2、 产品主要性能指标和主要技术指标

   1）产品主要性能：

（1）集成CMOS输入兼容高速LED驱动芯片;

（2）集成高速光敏混合集成电路芯片;

（3）光电耦合瞬态共模抑制技术;

（4）多通道抗光电干扰及多通道一致性技术

（5）多芯片超小、超薄的封装高可靠性

 

2)产品主要技术指标：

（1）数据传输速率：50MBd

（2）供电电压：3V～5.5V

（3）工作温度：-40 ～ 85℃

（4）传播延迟时间：20ns (max)

（5）脉宽失真：8ns (max)

（6）隔离电压：5000 Vrms (min)

 

四、光电耦合器应用

 

1、 电机控制系统

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光电耦合器在AC伺服电机控制中的应用示意图

 

2、 再生能源发电系统

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光电耦合器在光伏发电三相中央逆变器中的应用示意图

 

五、群芯光电耦合器，为再生能源发电系统提供可靠的保护

 

群芯的电流电压传感器、栅极驱动光电耦合器、高速光电耦合器等安全隔离和驱动器件，可以避免短路、过载和过电压等错误情况所造成变频器、逆变器中最昂贵的器件—绝缘栅双极晶体管(IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor)的损坏和故障，电流电压传感器对过电流、过载和直流母线过电压的检测和反馈可以防止变频器、电机温度过高过热而损坏及避免错误情况造成微控制器过载而引发故障，这些保护是确保如电机驱动以及太阳能和风能发电系统等进行安全稳定电源转换运作的重要关键。

 

六、群芯光电产品在新能源领域的规划

 

在全球“碳中和”目标、清洁能源转型及绿色复苏的大背景下，中国国家主席习近平提出我国将争取在2060年前实现“碳中和”的宏伟目标。新能源产业发展空间打开了，届时，核能的装机容量是现在的5倍，风电的装机容量是现在的12倍，而太阳能的装机容量是现在的70倍。

 

对于新能源领域，碳中和的赋能，将使行业成为未来确定性极高的超级赛道。未来以“光伏、风电和核能等新能源+储能+特高压输电+电动智能汽车”的能源闭环将取代“黑色系化石燃料+远洋运输（本地开采）+火力发电+内燃机汽车”的能源闭环。以新能源电力为核心的能源方式将引领产业经济转型升级。

 

在这个替换的过程中，新能源汽车产业也将迎来高速增长，应用于牵引动力传动系统、变频器、电池充电器、空调、充电桩等的车用高端光电耦合器需求会大量增长。这是一个全新的赛道，博通公司从2005年开始研发汽车光耦，目前只有美国博通和日本东芝能量产车规级光耦。下图为工业级光电耦合器和车规级光电耦合器的等级比较。

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工业级光电耦合器和车规级光电耦合器的等级比较

 

对于历史赋予的使命和任务，群芯在已研发出部分高端光电耦合器的基础上，全力抓住机遇和迎接挑战，我们的口号是“Toshiba 有的我们都有，Toshiba 没有的，我们还有”，在未来3年内，将加快高端光电耦合器和车规级光电耦合器的研发和量产速度，实现对国外公司同类光电耦合器产品的全面取代，确保供应链安全，以“中国芯”助力碳中和。

来源： 群芯微 作者：