李建華，閆軍政，洪浩，郭建章

（貴州振華群英電器有限公司，貴陽 550018）

1 引言

在固體繼電器產(chǎn)品中，經(jīng)常會使用到磁隔離、電容隔離及光隔離等隔離方式。其中光隔離產(chǎn)品主要使用到一種既能起到隔離作用又有一定驅(qū)動能力的光電池器件。

光電池器件可以提供驅(qū)動電壓，但是有些固體繼電器產(chǎn)品對輸入電流的大小有嚴格要求，要求光電池在較小的輸入電流下能夠輸出足夠的驅(qū)動電壓來驅(qū)動后續(xù)開關(guān)器件的正常工作。固體繼電器的開關(guān)器件接通電壓一般在2～4 V，所以只有光電池在較小輸入電流下的輸出電壓能力在5 V 以上，才能使得開關(guān)器件處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。目前所使用的光電池器件在較小輸入電流下的輸出電壓能力不足，其輸出電壓一般不大于5 V，使部分固體繼電器的輸出開關(guān)處于非飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

為了改善光電池器件的輸出電壓能力，本文提出了對封裝前的光電池器件內(nèi)部填充光學(xué)膠的結(jié)構(gòu)性優(yōu)化設(shè)計，使光電池器件的輸出電壓達到使用要求。

2 光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理

最簡單的光電池器件的電路原理如圖1 所示，器件主要由1 個發(fā)光二極管和1 個光伏二極管陣列組成。給發(fā)光二極管輸入電流，則發(fā)光二極管發(fā)光，光伏二極管陣列接收到光照后，產(chǎn)生電壓并提供給后面的開關(guān)器件使用。

圖1 光電池器件的電路原理

優(yōu)化前的光電池結(jié)構(gòu)如圖2 所示。將發(fā)光二極管安裝在上陶瓷基片上，將光伏二極管陣列安裝在下陶瓷基片上。發(fā)光二極管的發(fā)光面朝向光伏二極管陣列的接收面，保證兩方中心對齊，并且保持合適的距離以使隔離電壓足夠大。

圖2 優(yōu)化前的光電池結(jié)構(gòu)

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與計算分析

3.1 增加光電池輸出電壓的方法

根據(jù)光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，增加光電池器件輸出電壓的方法有：

1）增大發(fā)光二極管芯片的輸入電流；

2）減小發(fā)光二極管芯片和光電池陣列芯片之間的間距；

3）更換具有更高轉(zhuǎn)換效率的發(fā)光二極管芯片；

4）優(yōu)化結(jié)構(gòu)或者使用其他方法將發(fā)光二極管發(fā)出的光更多地聚焦到光電池陣列上。

對于方法1 來說，由于固體繼電器要求降低輸入電流，限制了光電池輸入電流的增大，所以發(fā)光二極管的輸入電流應(yīng)盡可能減小而不是增大；對于方法2來說，由于鍵合絲的限制，發(fā)光二極管芯片和光電池陣列芯片之間的間距減小的空間不大，否則其隔離電壓的能力將下降，而采用倒裝形式則需要開發(fā)芯片，是下一步發(fā)展的方向，在短期內(nèi)難以實現(xiàn)；對于方法3來說，由于當(dāng)前選擇的發(fā)光二極管芯片已經(jīng)是眾多芯片中轉(zhuǎn)換效率較高的，從成本和時間角度考慮，重新選擇芯片或者設(shè)計開發(fā)發(fā)光二極管芯片均不能在短期內(nèi)實現(xiàn)。前3 種方法在短期內(nèi)均無法實現(xiàn)，因此采用對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計的方法來增加光電池的輸出電壓。

3.2 優(yōu)化后的光電池結(jié)構(gòu)設(shè)計

優(yōu)化后的光電池結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3 所示。在光電池器件外圍增加了陶瓷基片的圍框，將發(fā)光二極管芯片和光伏二極管陣列芯片圍在一個密閉空間內(nèi)，在內(nèi)部填充光學(xué)膠。優(yōu)化后的光電池結(jié)構(gòu)和優(yōu)化前的光電池結(jié)構(gòu)相比，由于其內(nèi)部填充了光學(xué)膠，光線從發(fā)光二極管進入光學(xué)膠后發(fā)生了折射，折射方向如圖3 箭頭所示（實際的折射位置在發(fā)光二極管芯片的發(fā)光位置，為了方便理解，將光線的折射角位置分布得比較分散）。

圖3 優(yōu)化后的光電池結(jié)構(gòu)設(shè)計

在光電池中填充的是型號為BEEP6113 的雙組分光學(xué)膠。光學(xué)膠的折射率是1.46，其透光率大于95%，典型值是98%。由于透光率比較高，在以下計算中可忽略不計。

3.3 光電池光伏二極管陣列芯片的受光范圍計算

優(yōu)化前的光電池結(jié)構(gòu)尺寸及受光角度如圖4 所示。光伏二極管陣列芯片可近似為直徑1.2 mm 的圓形，發(fā)光二極管芯片可近似為點光源，光源到光伏二極管陣列芯片的垂直距離為0.8 mm。通過計算可以得到，光伏二極管陣列芯片的受光角度β 為37°。為了使計算不受發(fā)光二極管芯片到光伏二極管陣列芯片光傳輸距離變化的影響，以發(fā)光二極管芯片到光伏二極管陣列芯片的垂直距離為半徑R 畫圓，計算受光球冠的面積S，

圖4 優(yōu)化前的光電池結(jié)構(gòu)尺寸及受光角度

將上述參數(shù)按照式（1）計算，優(yōu)化前的光電池球冠面積S1=0.81 mm2。

優(yōu)化后的光電池結(jié)構(gòu)尺寸及受光角度如圖5 所示。由于光學(xué)膠的折射率為1.46，設(shè)入射角為α，折射角為β，且β=37°。由于sin α/sin β=1.46，可以計算出光的入射角α 約為61°，則進一步計算出光伏二極管陣列芯片的受光范圍為122°的圓錐形。同樣按照式（1）計算，可得優(yōu)化后的受光球冠的面積S2=2.07 mm2。

圖5 優(yōu)化后的光電池結(jié)構(gòu)尺寸及受光角度

優(yōu)化后的光電池和優(yōu)化前的光電池的有效受光面積的比值S2/S1=2.07 mm2/0.81 mm2=2.56。

3.4 發(fā)光二極管的發(fā)光強度分布測試

為了分析發(fā)光二極管的發(fā)光強度與角度的關(guān)系，本文設(shè)計了發(fā)光二極管的發(fā)光強度分布測試裝置，如圖6 所示。在裝置中遮擋光伏二極管陣列的大部分受光區(qū)域，只留下中心直徑為0.3 mm 的圓形部分。固定光伏二極管陣列，且發(fā)光二極管可以沿著轉(zhuǎn)動軸進行轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)動過程中可以通過轉(zhuǎn)動軸測試轉(zhuǎn)動角度。輸入1 mA 電流的光伏二極管陣列的輸出電壓比較小，不易測試，因此將輸入電流增大到5 mA，光電池輸出接10 mΩ 的負載電阻，并同時使用高阻抗電壓表測試光電池的輸出電壓。不同的電壓代表了不同的發(fā)光強度，輸出電壓的測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 輸出電壓的測試數(shù)據(jù)

圖6 發(fā)光二極管的發(fā)光強度分布測試裝置

由表1 可知，發(fā)光二極管的發(fā)光強度并不均勻，垂直方向的光強較大，偏離垂直方向的光強越來越小。將輸出電壓的測試數(shù)據(jù)進行歸一化處理（Vo=3 V 歸一化為1），得出光強分布規(guī)律大致符合式（2）：

3.5 優(yōu)化后光電池受光量的綜合計算

光伏二極管陣列的受光范圍如圖7 所示，光伏二極管陣列的受光區(qū)域是以半徑為R、角為β 確定的球冠部位，對此區(qū)域面積利用式（2）進行積分計算，設(shè)受光量為q，

圖7 光伏二極管陣列的受光范圍

優(yōu)化前β 為37°（即0.205 6π），代入式（3）計算出優(yōu)化前受光量結(jié)果q1為

優(yōu)化后β 為61°（即0.338 9π），代入式（3）計算出優(yōu)化后受光量結(jié)果q2為

光電池優(yōu)化后的受光量與優(yōu)化前的受光量比值為

理論上光電池優(yōu)化后與優(yōu)化前的輸出電壓比值就是式（6）的計算結(jié)果，并不是在3.3 節(jié)中計算的光電池優(yōu)化后和優(yōu)化前有效受光面積的比值。

4 試驗驗證

4.1 優(yōu)化前光電池的輸出電壓測試結(jié)果

按照圖2 所示的結(jié)構(gòu)組裝了5 只樣品，測試結(jié)果如表2 所示，其輸出電壓的均值V1=4.46 V。

表2 優(yōu)化前光電池樣品的測試結(jié)果

而固體繼電器的開關(guān)器件需要光電池在輸入電流為1 mA 的情況下輸出電壓大于5 V，因此優(yōu)化前光電池的輸出電壓不能滿足固體繼電器的需求。

4.2 優(yōu)化后光電池的輸出電壓測試結(jié)果

按照圖3 所示的優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，裝配了5只光電池器件樣品進行測試，光電池的輸入電流與優(yōu)化前相同，測試結(jié)果如表3 所示，其輸出電壓的均值V2=6.64 V。

表3 改進后光電池樣品的測試結(jié)果

光電池優(yōu)化后和優(yōu)化前的輸出電壓比值V2/V1=1.49。光電池優(yōu)化后與優(yōu)化前受光量的比值與輸出電壓比值接近，驗證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計及填充光學(xué)膠對輸出電壓影響的理論分析的正確性。

最后，將改進后的光電池器件安裝到固體繼電器中進行測試，其滿足工作電路使用要求，固體繼電器可以正常工作。

5 結(jié)論

本文通過優(yōu)化光電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計及填充光學(xué)膠的方法來改善光電池的輸出電壓，并對優(yōu)化前后光電池的輸出電壓進行了理論分析和計算，得出優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計后光電池的輸出電壓約為優(yōu)化前的1.59 倍。通過試驗驗證，光電池的輸出電壓由原來的低于5 V 提高到6 V 以上，測試平均值是優(yōu)化前的1.49 倍，與理論分析結(jié)果大體接近。隨著具有更高折射率的光學(xué)膠成本的不斷降低及被投入使用，以及新型發(fā)光二極管的開發(fā)，光電池的成本及性能將越來越具有優(yōu)勢，并在固體繼電器及其他產(chǎn)品中得到更多應(yīng)用。