DE3546524C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörperrelais der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.The invention relates to a solid state relay in Preamble of claim 1 Art.
Reed-Relais sind gut bekannte elektromechanische Relais, die weite Verwendung gefunden haben. Derartige Relais weisen eine begrenzte Lebensdauer auf, beispielsweise in der Größenordnung von ungefähr einer Million Betätigungen, und sie sind relativ groß und aufwendig. Es wurden Anstrengungen gemacht, Reed-Relais durch Relais unter Verwendung von Festkörperbauteilen zu ersetzen. Es ist jedoch bisher kein Bauteil bekannt, das mit einem Bauteil vom Reed-Relais-Typ hinsichtlich der Betriebseigenschaften und der Wirtschaftlichkeit wettbewerbsfähig ist.Reed relays are well known electromechanical relays that are have found widespread use. Such relays have a limited lifespan, for example in the order of magnitude of about a million operations, and they're relative large and complex. Efforts have been made to reed relays to be replaced by relays using solid-state components. However, no component is known to date that has a Reed relay type component in terms of operational characteristics and is competitive in terms of economy.
Es sind Festkörperrelais bekannt, die Thyristoren oder Triacs als Ausgangsbauteile verwenden. Thyristoren stellen jedoch eine schlechte Entsprechung eines idealen elektromechanischen Schalters dar. Beispielsweise haben Thyristoren einen Durchlaßspannungsabfall von mindestens 0,6 Volt, sie benötigen eine Polaritätsumkehr zum Abschalten, sie benötigen eine Abschaltzeit von einer Halbperiode und sie weisen hohe Halteströme und hohe Sperr-Leckströme auf. Daher sind Thyristor-Bauteile für viele Anwendungen ungeeignet, wie beispielsweise für allgemeine Instrumenten-Schalteinrichtungen, die daher weiterhin Reed- Schalter benötigen. Die Verwendung von antiparallel geschalteten Thyristoren ist in der US-PS 42 96 331 beschrieben.Solid state relays are known, the thyristors or triacs use as starting components. However, thyristors represent one poor correspondence of an ideal electromechanical switch For example, thyristors have a forward voltage drop of at least 0.6 volts, they need a polarity reversal to switch off, you need a switch off time of a half period and they have high holding currents and high ones Reverse leakage currents. Therefore, thyristor devices are for many Unsuitable applications, such as for general Instrument switching devices, which therefore continue to reed Need switches. The use of anti-parallel Thyristors are described in US Pat. No. 4,296,331.
Festkörperrelais unter Verwendung von MOS-Feldeffekttransistoren bilden eine ausgezeichnete Festkörper-Entsprechung der idealen Leitfähigkeits-Sperr-Eigenschaften von zwei mechanischen Kontakten. Eine bidirektionale Leitfähigkeit aufweisende MOS-Feldeffekttransistoren können entweder Wechselspannungs- oder Gleichspannungsschaltungen steuern, so daß sie einen tatsächlich universell verwendbaren Kontakt bilden. Solid state relays using MOS field effect transistors form an excellent solid-state equivalent of the ideal Conductivity blocking properties of two mechanical contacts. A bi-directional conductivity MOS field effect transistors can either be AC or Control DC circuits so that they actually do form universally usable contact.
Aus der US-PS 42 27 098 ist weiterhin ein Festkörperrelais bekannt, bei dem die Eingangsenergie zum Schalten des MOS-Feldeffekttransistors von einer Eingangsspannungsquelle in Form eines Photospannungs-Generators abgeleitet wird, der durch eine geeignete Leuchtdiode oder eine andere Strahlungsquelle beleuchtet werden kann, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der das Schalten des MOS-Feldeffekttransistors hervorruft. Hierbei muß der von dem Photospannungs-Generator gelieferte Strom die Gate-Kapazität des MOS-Feldeffekttransistors ausreichend weit aufladen, damit der Feldeffekttransistor einschaltet. Wenn Photospannungs-Generatoren in Form eines Stapels von Solarzellen- Bauteilen verwendet werden, so müssen diese Photospannungs- Generatoren mit einer hohen Impedanz arbeiten, um die Abteilung des Ausgangsstromes von der MOSFET-Gate-Kapazität fort zu verhindern. Die Notwendigkeit einer hohen Impedanz verzögert die Entladung der Gate-Kapazität, wenn das Strahlungs-Eingangssignal an den Photospannungs-Generator abgeschaltet wird und die Ausgangsspannung des Photospannungs-Generators zusammenbricht. Daher bleibt bei diesem bekannten Festkörperrelais der Leistungs- MOS-Feldeffekttransistor nach dem Ende des Eingangssignals für eine Zeit eingeschaltet, die erforderlich ist, um die Gate- Kapazität dieses Leistungs-MOS-Feldeffekttransistors in eine Schaltung mit hoher Impedanz zu entladen. Das bekannte Festkörperrelais ist weiterhin gegenüber Fehl-Einschaltvorgängen aufgrund eines hohen Verhältnisses von dV/dt längs der Anschlüsse des Leistungs-MOS-Feldeffekttransistors empfindlich, weil ein hohes Verhältnis von dV/dt die Drain-Gate-Kapazität des Leistungs-MOS-Feldeffekttransistors auflädt und das Festkörperrelais ohne Vorliegen eines Eingangssignals einschaltet.From US-PS 42 27 098 is a solid state relay known in which the input energy for switching the MOS field-effect transistor from an input voltage source in the form of a photo voltage generator is derived by a suitable light-emitting diode or another radiation source is illuminated can be used to generate an output current that the switching of the MOS field effect transistor causes. Here the current supplied by the photo voltage generator must be the The gate capacitance of the MOS field-effect transistor is sufficiently wide charge so that the field effect transistor turns on. If Photo-voltage generators in the form of a stack of solar cells Components are used, these photo voltage Generators with high impedance work to the department to prevent the output current from the MOSFET gate capacitance. The need for high impedance delays the Discharge of the gate capacitance when the radiation input signal is switched off to the photo voltage generator and the output voltage of the photo voltage generator breaks down. Therefore remains with this known solid state relay the power MOS field effect transistor after the end of the input signal for turned on a time required to complete the gate Capacity of this power MOS field effect transistor in one Discharge high impedance circuit. The well-known solid state relay is still against faulty start-up processes due to a high ratio of dV / dt along the connections of the power MOS field effect transistor sensitive, because a high ratio of dV / dt the drain-gate capacitance of the power MOS field effect transistor charges and the solid state relay turns on without an input signal.
Aus der US-PS 43 90 790 ist ein Festkörperrelais bekannt, dessen Schaltung ein schnelleres Entladen der Gate-Kapazität hervorruft, so daß ein Hochgeschwindigkeits-Abschalten erzielt werden kann. Diese Schaltung verwendet eine zweite Photospannungs-- Quelle, die dazu verwendet wird, das Vorhandensein oder Fehlen eines Licht-Eingangssignals festzustellen. Die zweite Photospannungs- Quelle, die dazu verwendet wird, das Vorhandensein oder Fehlen eines Licht-Eingangssignals festzustellen. Die zweite Photospannungs- Quelle schaltet einen MOSFET vom Verarmungs-Typ ein, wenn die Eingangsbeleuchtung beim Abschalten des Eingangssignals für das Festkörperrelais abgeschaltet wird. Die Leistungs-MOS- Feldeffekttransistor-Gate-Kapazität kann sich dann schneller durch den leitenden MOSFET vom Verarmungstyp entladen, so daß eine höhere Abschaltgeschwindigkeit des Relais erzielt wird. Die Verwendung einer zweiten Photospannungs-Quelle stellt jedoch einen erheblichen Aufwand dar.A solid-state relay is known from US-PS 43 90 790, the Circuit causes a faster discharge of the gate capacitance, so that high speed shutdown can be achieved can. This circuit uses a second photo voltage Source that is used for the presence or absence of a light input signal. The second photo voltage Source that is used for the presence or absence of a light input signal. The second photo voltage Source turns on a depletion type MOSFET if the input lighting when switching off the input signal for the solid state relay is switched off. The power MOS Field effect transistor gate capacitance can then increase faster discharged through the depletion type conductive MOSFET so that a higher switch-off speed of the relay is achieved. The However, using a second photo voltage source provides represents a considerable effort.
Aus der Literaturstelle Rodriguez/Sack: Schnelle Ansteuer- und Schutzspaltung für Feldeffekt-Leistungstransistoren, Elektronik 18/9, Sept. 1983, Seiten 125-127 ist ein Festkörperrelais der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Gate-Elektrode des Leistungs-Feldeffekttransistors aus einer Eingangsspannungsquelle angesteuert wird, die durch einen Übertrager mit einer nachgeschalteten Zweiweggleichrichterschaltung gebildet ist. Dieser Übertrager ermöglicht eine Potentialtrennung zwischen der Steuerschaltung und dem den Leistungs-Feldeffekttransistor einschließenden Leistungsabschnitt, der vollständig potentialfrei ist und lediglich über den Übertrager mit dem Steuerteil gekoppelt ist, wie dies bei Festkörperrelais erforderlich ist. Um ein schnelles Abschalten des Leistungs-Feldeffekttransistors ohne große Verlustleistung im eingeschalteten Zustand zu ermöglichen, ist ein bipolarer Schaltertransistor vorgesehen, dessen Kollektor-Emitterstrecke parallel zur Gate-Source-Strecke des Leistungs-Feldeffekttransistors angeschaltet ist, wobei die Basiselektrode direkt mit dem einen Anschluß der Eingangsspannungsquelle verbunden ist, so daß die zwischen dieser Eingangsspannungsquelle und der Gate-Elektrode des Leistungs- Feldeffekttransistors eingeschaltete Diode außerdem zwischen der Emitterelektrode und der Basiselektrode dieses Transistors liegt. Die Basiselektrode ist weiterhin mit einem als Konstantstromquelle bzw. als niederohmiger Widerstand wirkenden Feldeffekttransistor verbunden, der die Basiselektrode des Schaltertransistors im abgeschalteten Zustand der Eingangsspannungsquelle mit der Kollektorelektrode des Schaltertransistors verbindet und diesen Schaltertransistor damit in den leitenden Zustand bringt. Auch dieses Festkörperrelais ist gegenüber Fehl-Einschaltungen aufgrund eines hohen Verhältnisses von dV/dt längs der Anschlüsse des Leistungs-Feldeffekttransistors sehr empfindlich. Weiterhin würde die an die Basiselektrode angeschaltete Konstantstromquelle bei Verwendung dieser Schaltung in Verbindung mit einer Eingangsspannungsquelle in Form eines Photospannungs-Generators eine relativ hohe Belastung dieses Photospannungs-Generators bewirken, die eine entsprechend stärkere Auslegung des Photospannungs-Generators erforderlich machen würde.From the Rodriguez / Sack reference: Fast control and Protection gap for field effect power transistors, electronics 18/9, Sept. 1983, pages 125-127 is a solid state relay of the known type, in which the gate electrode of Power field effect transistor from an input voltage source is controlled by a transformer with a downstream Two-way rectifier circuit is formed. This The transformer enables electrical isolation between the Control circuit and the power field effect transistor including power section that is completely potential free is and only via the transformer with the control section is coupled, as is required for solid-state relays. To quickly turn off the power field effect transistor without large power dissipation when switched on, a bipolar switch transistor is provided, the Collector-emitter path parallel to the gate-source path of the Power field effect transistor is turned on, the Base electrode directly with one connection of the input voltage source is connected so that between this Input voltage source and the gate electrode of the power Field effect transistor diode also switched between the emitter electrode and the base electrode of this transistor lies. The base electrode is also used as a constant current source or as a low-resistance resistor field effect transistor connected to the base electrode of the switch transistor when the input voltage source is switched off connects to the collector electrode of the switch transistor and this switch transistor in the conductive Condition. This solid-state relay is also opposite Incorrect start-ups due to a high ratio of dV / dt along the connections of the power field effect transistor very sensitive. It would also attach to the base electrode switched on constant current source when using this circuit in connection with an input voltage source in the form a photo voltage generator a relatively high load of this photo voltage generator, which cause a corresponding stronger design of the photo voltage generator required would do.
Aus der Literaturstelle Herfurth: Ansteuerschaltungen für SIPMOS-Transistoren im Schaltbetrieb, Siemens Components 18 (1980), Heft 5, Seiten 218-224, ist weiterhin eine Ansteuerschaltung für Leistungs-Feldeffekttransistoren bekannt, bei der ein fehlerhaftes Einschalten aufgrund eines hohen Verhältnisses von dV/dt dadurch sicher vermieden wird, daß parallel zur Gate-Sourcestrecke dieses Leistungs-Feldeffekttransistors die Kollektor-Emitter-Strecke eines bipolaren Transistors angeschaltet ist, der über einen Vorspannungswiderstand dauernd im leitenden Zustand gehalten wird, wenn kein Einschalt-Eingangssignal erzeugt wird. Die das Einschaltsignal liefernde Eingangsspannungsquelle ist daher dauernd mit diesem Vorspannungswiderstand belastet, was bei Photospannungs-Generatoren aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden Leistung untragbar sein würde. Diesem Vorspannungswiderstand kann weiterhin ein Kondensator parallelgeschaltet sein, um die Zeitkonstante zu verkürzen. Diese bekannte Ansteuerschaltung benötigt weiterhin eine getrennte Betriebsspannungsquelle, so daß eine Potentialtrennung nicht ohne weiteres zu erreichen ist, da die Betriebsspannung insgesamt nicht von einem Photospannungsgenerator oder einem Übertrager der vorstehend beschriebenen Art geliefert werden könnte. Die Verwendung dieser Schaltung für Festkörperrelais ist daher nicht möglich.From the Herfurth reference: Control circuits for SIPMOS transistors in switching operation, Siemens Components 18 (1980), Issue 5, pages 218-224, is still a drive circuit known for power field effect transistors, in which an incorrect switch-on due to a high ratio of dV / dt is reliably avoided by parallel to Gate source path of this power field effect transistor Collector-emitter path of a bipolar transistor switched on is that in the conductive via a bias resistor State is maintained when there is no power-on input signal is produced. The input voltage source supplying the switch-on signal is therefore constantly with this bias resistance burdened what with photo-voltage generators due to the low available power would be prohibitive. A capacitor can also provide this bias resistance be connected in parallel to shorten the time constant. This known control circuit still requires a separate one Operating voltage source, so that electrical isolation is not easy to achieve because of the operating voltage overall not from a photo voltage generator or one Transducer of the type described above can be supplied could. The use of this circuit for solid state relays is therefore not possible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Festkörperrelais der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ohne wesentliche Belastung der Eingangsspannungsquelle und ohne die Gefahr von Fehlzündungen durch ein hohes Verhältnis von dV/dt ein schnelles Abschalten des Leistungs-Feldeffekttransistors ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird durch Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.The invention has for its object a solid state relay to create of the type mentioned, in which without essential Load on the input voltage source and without the risk of Misfires due to a high ratio of dV / dt a fast Switching off the power field effect transistor is made possible. This object is achieved by the features of claim 1 solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements and developments of the invention result from the subclaims.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Festkörperrelais wird ein sehr schnelles Ein- und Ausschalten des Leistungs- Feldeffekttransistors ermöglicht, ohne daß die Gefahr von Fehlzündungen durch ein hohes Verhältnis von dV/dt besteht. Da die Klemmschaltung direkt zwischen den Gate- und Sourceelektroden des Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren eingeschaltet ist, wird keine zusätzliche Spannungsquelle benötigt, so daß eine einfache Potentialtrennung möglich ist, ohne daß eine zu hohe Belastung der Eingangsspannungsquelle hervorgerufen wird, die daher als Photospannungs-Generator ausgebildet sein kann.Due to the configuration of the solid-state relay according to the invention a very quick switching on and off of the power Field effect transistor allows without the risk of misfire due to a high ratio of dV / dt. Since the Clamp circuit directly between the gate and source electrodes of the power MOS field effect transistor is turned on no additional voltage source needed, so a simple one Electrical isolation is possible without too high a load of the input voltage source, which is therefore called Photo-voltage generator can be formed.
Der Leistungs-Feldeffekttransistor ist vorzugsweise als bidirektionaler Feldeffekttransistor ausgebildet, so daß er sowohl Wechselspannungen als auch Gleichspannungen mit geringem Leckstrom schalten kann und das Schalten von Analog-Signalen möglich ist.The power field effect transistor is preferably bidirectional Field effect transistor designed so that it both AC voltages as well as DC voltages with low leakage current can switch and the switching of analog signals possible is.
Derartige bidirektionale Leistungs-Feldeffekttransistoren verwenden zwei lateral integrierte Feldeffekttransistoren, die einen gemeinsamen, in der Mitte liegenden Source-Bereich aufweisen. Zwei außenliegende Drain-Bereiche des Bauteils sind mit dem in der Mitte liegenden Source-Bereich über jeweilige Kanalbereiche vom Anreicherungstyp verbunden, die invertiert werden können, um die beiden äußeren, mit Abstand angeordneten Drainbereiche miteinander über einen einen relativ niedrigen Widerstand aufweisenden Leitfähigkeitspfad zwischen den beiden Drain- Elektroden zu verbinden. Beispielsweise kann ein Widerstandspfad von weniger als ungefähr 2 Ohm ausgebildet werden. Dieser Widerstand ist im allgemeinen mit den meisten Anwendungen vereinbar, die Reed-Relais verwenden.Use such bidirectional power field effect transistors two laterally integrated field effect transistors, the have a common, central source region. Two external drain areas of the component are included the central source area over the respective channel areas of the enrichment type, which are inverted can to the two outer, spaced drain areas with each other via a relatively low resistance having a conductivity path between the two drains To connect electrodes. For example, a resistance path less than about 2 ohms. This resistance is generally compatible with most applications, use the reed relays.
Die Eingangsspannungsquelle kann aufgrund des geringen Leistungsbedarfs der Ansteuerschaltungen durch einen Optokoppler gebildet sein, der einen Photospannungs-Generator oder eine Photospannungssäule aufweist, die durch eine Leuchtdiode beleuchtbar ist.The input voltage source can due to the low Power requirements of the control circuits through an optocoupler be formed by a photo voltage generator or a Has photo voltage column, which can be illuminated by a light emitting diode is.
Die Spannung zwischen den Drain-Bereichen des Leistungs-Feldeffekttransistors bei abgeschaltetem Festkörperrelais kann in der Größenordnung von 100-1000 Volt liegen, um das Relais mit allgemeinen Reed-Relais-Anwendungen kompatibel zu machen. Dieser Feldeffekttransistor kann weiterhin durch relativ niedrige Eingangsspannungen mit einer relativ schwachen Stromquelle eingeschaltet werden.The voltage between the drain regions of the power field effect transistor when the solid state relay is switched off on the order of 100-1000 volts to the relay to make it compatible with general reed relay applications. This field effect transistor can continue to be relatively low Input voltages with a relatively weak power source be switched on.
Alle Bauteile der Ansteuerschaltung des Festkörperrelais können abgesehen von der Eingangsspannungsquelle auf dem gleichen Halbleiterplättchen integriert sein.All components of the control circuit of the solid state relay can apart from the input voltage source on the same Semiconductors can be integrated.
Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung stellt sicher, daß die Gate-Spannung immer momentan dem Ausgangssignal des einzigen Photospannungs-Generators folgt. Es gibt zwei Bedingungen, die dazu führen können, daß die Gate-Spannung des Leistungs-Feldeffekttransistors von dem beabsichtigten Ausgangssignal der Eingangsspannungsquelle abweicht. Diese sind die auf der Gate- Source-Kapazität CISS gespeicherte Ladung, und der Strom, der bei hohen Werten von dV/dt durch die Drain-Gate-Kapazität CD-G fließen kann, wodurch das Gate fehlerhaft aufgeladen wird. Wenn das Gate des Leistungs-Feldeffekttransistors direkt mit dem Photospannungs-Generator verbunden ist, ist es unmöglich zu unterscheiden, ob ein Gate-Signal in richtiger Weise durch ein Ausgangssignal des Photospannungs-Generators erzeugt wurde, oder ob es sich aufgrund der Aufladung einer der Streukapazitäten CISS oder CD-G ergibt.The drive circuit according to the invention ensures that the gate voltage always follows the output signal of the only photo voltage generator at the moment. There are two conditions that can cause the gate voltage of the power field effect transistor to deviate from the intended output signal of the input voltage source. These are the charge stored on the gate-source capacitance C ISS , and the current that can flow through the drain-gate capacitance C DG at high values of dV / dt, as a result of which the gate is charged incorrectly. If the gate of the power field effect transistor is directly connected to the photo voltage generator, it is impossible to distinguish whether a gate signal was generated correctly by an output signal of the photo voltage generator or whether it was due to the charging of one of the stray capacitances C ISS or C DG results.
Die zwischen der Eingangsspannungsquelle und der Gate-Elektrode eingeschaltete Diode bildet eine Meß-Impedanz, die zur Betätigung des Schaltertransistors dient, der parallel zur Gate- Kapazität des Leistungs-Feldeffekttransistors angeschaltet ist. Dieser Schaltertransistor wird daher in den eingeschalteten Zustand vorgespannt, wenn die Ausgangsspanne der Eingangsspannungsquelle zusammenzubrechen beginnt. Entsprechend schaltet das Festkörperrelais, sobald ein ausreichender Strom von der Eingangsspannungsquelle erzeugt wird, um die Gate- Kapazität des Leistungs-Feldeffekttransistors auf den erforderlichen Wert aufzuladen. Wenn die Schaltung jedoch abgeschaltet werden soll und die Ausgangsspannung der Eingangsspannungsquelle unter einen vorgegebenen Wert verringert wird, so wird der Schaltertransistor eingeschaltet, um einen Kurzschluß längs der Gate-Kapazität des Leistungs-MOSFET's und längs der Eingangsspannungsquelle zu erzeugen, so daß sowohl die Gate- Kapazität als auch der Ausgang der Eingangsspannungsquelle durch den Schaltertransistor kurzgeschlossen werden. Daher schaltet der Leistungs-Feldeffekttransistor sehr schnell ab.The one between the input voltage source and the gate electrode switched on diode forms a measuring impedance, which is used for actuation of the switch transistor, which is parallel to the gate Capacity of the power field effect transistor is turned on. This switch transistor is therefore turned on State biased when the output span of the input voltage source begins to collapse. Corresponding switches the solid state relay as soon as there is sufficient current generated by the input voltage source to the gate Capacitance of the power field effect transistor to the required Worth charging. However, when the circuit is turned off and the output voltage of the input voltage source is reduced below a predetermined value, so the switch transistor is turned on for a short circuit along the gate capacitance of the power MOSFET and along of the input voltage source so that both the gate Capacitance as well as the output of the input voltage source the switch transistor are short-circuited. Therefore switches the power field effect transistor very quickly.
Die dynamische Klemmschaltung schließt einen weiteren Schaltertransistor ein, der ebenfalls längs der Gate-Source-Elektroden des Leistungs-Feldeffekttransistors angeschaltet ist, und der parallel zu einer Serienschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator geschaltet ist, wobei diese Serienschaltung eine Differenzierschaltung bildet und den zweiten Schaltertransistor einschaltet, um einen Nebenschluß für den Miller-Strom durch die parasitäre Gate-Drain-Kapazität CD-G des Leistungs- Feldeffekttransistors bildet, wenn das Verhältnis dV/dt einen vorgegebenen Wert überschreitet. Diese Klemmschaltung ist zwischen der Diode und der Gate-Elektrode des Leistungs-Feldeffekttransistors angeschaltet.The dynamic clamping circuit includes a further switch transistor, which is also connected along the gate-source electrodes of the power field-effect transistor, and which is connected in parallel with a series circuit comprising a resistor and a capacitor, this series circuit forming a differentiating circuit and the second switch transistor turns on to shunt the Miller current through the parasitic gate-drain capacitance C DG of the power field effect transistor when the ratio dV / dt exceeds a predetermined value. This clamping circuit is connected between the diode and the gate electrode of the power field effect transistor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are described below the drawing explained in more detail.
In der Zeichnung zeigen:The drawing shows:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Festkörperrelais, das in einem einzigen Halbleiterplättchen integriert werden kann, Fig. 1 is a circuit diagram of a solid state relay, which can be integrated into a single semiconductor chip,
Fig. 2 ein Äquivalenzschaltbild des bidirektionalen Leistungs- Feldeffekttransistors nach Fig. 1, Fig. 2 is an equivalent circuit diagram of the bi-directional power field effect transistor according to Fig. 1,
Fig. 3 die charakteristische Ausgangsspannung als Funktion der Zeit für den Photospannungs-Trennschaltungsteil nach Fig. 1, Fig. 3 shows the typical output voltage as a function of time for the photo-voltage isolation circuit part of Fig. 1,
Fig. 4 die Stromübertragungs-Charakteristik der Festkörperrelaisschaltung nach Fig. 1, Fig. 4, the current transmission characteristic of the solid state relay circuit of FIG. 1,
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Schaltung des Festkörperrelais. Fig. 5 shows an embodiment of the circuit of the solid-state relay according to the invention.
In Fig. 1 ist eine zur Erläuterung der Erfindung dienende, jedoch nicht erfindungsgemäß ausgebildete Schaltung eines Festkörperrelais unter Verwendung von bidirektionalen Leistungs- Feldeffekttransistoren gezeigt, die im folgenden als BOSFET bezeichnet werden. Eine Phototrennvorrichtung oder ein Optokoppler ist von der gestrichelten Linie 20 in Fig. 1 umgeben. Die Photospannungs-Trennvorrichtung 20 besteht aus einer Leuchtdiode 21, die mit den Relais-Eingangsanschlüssen 22 und 23 verbunden ist, sowohl aus einem Stapel von Photospannungs-Dioden 19, die einen Ausgangsstrom erzeugen, wenn sie durch die Leuchtdiode 21 beleuchtet werden. Die Leuchtdiode 21 oder Modifikationen hiervon können entweder durch ein Wechselspannungs- oder durch ein Gleichspannungs-Eingangssignal an den Anschlüssen 22 oder 23 angesteuert werden. Bei der dargestellten Ausführungsform wird eine Gleichspannungsquelle mit den Anschlüssen 22 und 23 verbunden, um die Leuchtdiode 21 ein- und auszuschalten. Beispielsweise kann der Eingangskreis so ausgebildet werden, daß der Leuchtdiode 21 ungefähr 10 mA zugeführt werden, um diese anzuregen.In Fig. 1 is an explanatory of the invention but not according to the invention designed circuit is shown a solid state relay using bidirectional power field effect transistors, which are hereinafter referred to as BOSFET. A photo separation device or an optocoupler is surrounded by the dashed line 20 in FIG. 1. The photo voltage isolator 20 consists of a light emitting diode 21 connected to the relay input terminals 22 and 23 , both of a stack of photo voltage diodes 19 which produce an output current when illuminated by the light emitting diode 21 . The light-emitting diode 21 or modifications thereof can be driven either by an AC voltage or by a DC voltage input signal at the connections 22 or 23 . In the illustrated embodiment, a DC voltage source is connected to the terminals 22 and 23 in order to switch the light-emitting diode 21 on and off. For example, the input circuit can be designed such that approximately 10 mA are supplied to the light-emitting diode 21 in order to excite it.
Der Rest der Schaltung nach Fig. 1 schließt Festkörperrelais- Bauteile zum Ein- und Ausschalten des neuartigen BOSFETs 24 ein, der Ausgangsanschlüsse 25 und 26 aufweist. Die Ausgangsanschlüsse 25 und 26 können entweder in einen Wechselspannungs- oder einen Gleichspannungs- Kreis eingeschaltet werden, weil das BOSFET-Bauteil 24 bidirektionale Leitfähigkeitseigenschaften aufweist, obwohl dieses Bauteil ein Hochspannungsbauteil ist. Dieses BOSFET-Bauteil 24 ist äquivalent zu der in Fig. 2 gezeigten Schaltung von zwei in Serie geschalteten, eine vertikale Leitfähigkeit aufweisenden Hochspannungs-MOSFETs 30 und 31, die in ihrer Verbindung zwischen den Anschlüssen 25 und 26 dargestellt sind. Übliche MOSFETs 30 und 31 werden durch eine Gate-Substrat-Steuerspannung ein- und ausgeschaltet, die zwischen den Anschlüssen 32 und 33 angelegt wird. Die Struktur und das Herstellungsverfahren für das BOSFET-Bauteil 24 wird weiter unten ausführlich erläutert.The rest of the circuit of FIG. 1 includes solid state relay components for switching the novel BOSFET 24 on and off, which has output connections 25 and 26 . The output terminals 25 and 26 can be switched into either an AC or a DC circuit because the BOSFET device 24 has bidirectional conductivity properties, although this device is a high voltage device. This BOSFET device 24 is equivalent to the circuit shown in FIG. 2 of two series-connected, vertical conductivity high-voltage MOSFETs 30 and 31 , which are shown in their connection between the terminals 25 and 26 . Conventional MOSFETs 30 and 31 are turned on and off by a gate-substrate control voltage applied between terminals 32 and 33 . The structure and manufacturing method for the BOSFET device 24 is explained in detail below.
Die Steuerbauteile nach Fig. 1 für das BOSFET-Bauteil 24 schließen eine Diode 35, einen PNP-Transistor 36 und einen Eingangswiderstand 37 ein. Der Widerstand 37 weist eine sehr hohe Impedanz auf und kann typischerweise ein Widerstand von 5 MegOhm sein.The control components of FIG. 1 for the BOSFET component 24 include a diode 35, a PNP transistor 36 and an input resistor 37. Resistor 37 has a very high impedance and can typically be a resistance of 5 megohms.
Die Eigenschaften der Festkörperrelais-Schaltung nach Fig. 1 sind bei ihrer Ausführung in der noch weiter unten beschriebenen Weise ähnlich denen von üblichen Festkörperrelais und Reed-Relais, die heute allgemein verwendet werden. Beispielsweise können die Schaltungseigenschaften derart sein, daß die Schaltung einer Spitzenspannung von 400 V zwischen den Anschlüssen 25 und 26 bei einem maximalen Laststrom von ungefähr 200 mA widerstehen kann. Der Durchlaßwiderstand zwischen den Anschlüssen 25 und 26 beträgt maximal 25 Ohm. Die Eingangskapazität des Bauteils beträgt ungefähr 60 bis 80 Picofarad, während die Ausgangskapazität des Bauteils ungefähr 40 Picofarad beträgt. Die Kapazität zwischen den Eingangs- und Ausgangskreisen beträgt ungefähr 2 Picofarad. Die Einschaltzeit der Schaltung mit einem Widerstand 37 von 5 MegOhm beträgt ungefähr 50 µsec bei einer Ansteuerung mit 10 mA, während die Abschaltzeit ungefähr 90 µsec beträgt. Die Detektorempfindlichkeit kann durch Vergrößerung der Eingangsimpedanz 37 vergrößert werden und die Eingangsimpedanz 37 kann weiterhin vergrößert werden, um die Abschaltgeschwindigkeit zu vergrößern.The properties of the solid-state relay circuit according to FIG. 1 are similar to those of conventional solid-state relays and reed relays, which are used today, in their design in the manner described below. For example, the circuit characteristics may be such that the circuit can withstand a 400 V peak voltage between terminals 25 and 26 at a maximum load current of approximately 200 mA. The forward resistance between connections 25 and 26 is a maximum of 25 ohms. The input capacitance of the device is approximately 60 to 80 picofarads, while the output capacitance of the device is approximately 40 picofarads. The capacitance between the input and output circuits is approximately 2 picofarads. The switch-on time of the circuit with a resistor 37 of 5 megohms is approximately 50 µsec when actuated with 10 mA, while the switch-off time is approximately 90 µsec. The detector sensitivity can be increased by increasing the input impedance 37 and the input impedance 37 can also be increased to increase the turn-off speed.
Die Eigenschaften der Photospannungs-Trennschaltung 20 sind in Fig. 3 in vergrößertem Maßstab gezeigt. Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, steigt die Ausgangsspannung des Stapels 19 in ungefähr 4 µsec nach dem Einschalten der Leuchtdiode 21 auf ungefähr 3 V an, wenn eine Eingangsimpedanz von ungefähr 5 MegOhm verwendet wird. Die Ansteuerung für die Leuchtdiode zur Erzeugung der Charakteristik nach Fig. 3 beträgt ungefähr 10 mA. Die Einschaltzeit wird durch Verwendung einer höheren Eingangsimpedanz 37 oder durch Vergrößern der Ansteuerung der Leuchtdiode verkürzt. Die Ausgangsspannung des Stapels 19 beginnt unmittelbar beim Abschalten der Leuchtdiode 21 abzusinken. Dieses Absinken würde normalerweise eine relativ lange Zeit erfordern, wie dies gestrichelt in Fig. 3 gezeigt ist, weil sich die Gate-Kapazität des BOSFET-Bauteils 24 bei bekannten Schaltungen, die nicht die Diode 35 und den PNP-Transistor 36 verwenden, langsam entlädt. Bei Anordnung dieser Bauteile beginnt der PNP-Transistor 36 jedoch zu leiten, wenn die Ausgangsspannung des Stapels 19 um ungefähr 0,6 V gegenüber der MOSFET-Gate-Spannung absinkt. Die Eingangsimpedanz der Schaltung wird dann durch die Verstärkung des Transistors 36 verringert. Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, brechen dadurch die Stapel-Spannung und die Gate- Spannung des BOSFET-Bauteils 24 sehr schnell zusammen, so daß sich ein Abschalten mit relativ hoher Geschwindigkeit ergibt, obwohl eine hohe Eingangsimpedanz 37 für ein schnelles Einschalten verwendet wird.The properties of the photo-voltage isolation circuit 20 are shown in FIG. 3 on an enlarged scale. As shown in FIG. 3, the output voltage of the stack 19 increases to approximately 3 V in approximately 4 microseconds after the LED 21 is switched on when an input impedance of approximately 5 megohms is used. The control for the light-emitting diode for generating the characteristic according to FIG. 3 is approximately 10 mA. The switch-on time is shortened by using a higher input impedance 37 or by increasing the activation of the light-emitting diode. The output voltage of the stack 19 begins to drop immediately when the light-emitting diode 21 is switched off. This decrease would normally take a relatively long time, as shown in dashed lines in FIG. 3, because the gate capacitance of the BOSFET device 24 slowly discharges in known circuits that do not use the diode 35 and the PNP transistor 36 . With these components in place, however, the PNP transistor 36 begins to conduct when the output voltage of the stack 19 drops approximately 0.6 V from the MOSFET gate voltage. The circuit's input impedance is then reduced by the gain of transistor 36 . As a result, as shown in Fig. 3, the stack voltage and the gate voltage of the BOSFET device 24 break down very quickly, resulting in a relatively high speed shutdown, although a high input impedance 37 uses for a fast turn on becomes.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Diode 35 einen Ladeweg mit niedriger Impedanz an den Gate-Kreis des BOSFET- Bauteils 24 bildet, um ein schnelles Einschalten des Bauteils mit der vollen Eingangsimpedanz des Widerstandes 37 zu ermöglichen. Die Diode 35 ist tatsächlich eine Meß- Impedanz, die durch irgendwelche anderen Impedanzen ersetzt werden könnte.It should be noted that the diode 35 forms a low impedance charge path to the gate circuit of the BOSFET device 24 in order to enable the device to be switched on quickly with the full input impedance of the resistor 37 . Diode 35 is actually a measurement impedance that could be replaced by any other impedance.
Die Schaltung nach Fig. 1 arbeitet wie folgt: . The circuit of Figure 1 operates as follows:
Um das Relais einzuschalten, wird die Leuchtdiode 21 angesteuert und ein Ladestrom fließt von dem Stapel 19. Dieser Ladestrom fließt durch die Diode 35, um die Gate- Kapazität des BOSFET-Bauteils 24 aufzuladen. Wenn die Schwellwertspannung der BOSFET-Gate-Kapazität 24 überschritten wird (ungefähr 1 V), so schaltet das neuartige BOSFET-Bauteil ein, und es ist bei ungefähr 2 bis 2,5 V vollständig eingeschaltet. Ein Leitfähigkeitspfad wird dann zwischen den Anschlüssen 25 und 26 ausgebildet. Aufgrund des geringen Strom- und Spannungsbedarfs des BOSFET-Bauteils 24 kann ein relativ kleiner Photospannungs- Stapel 19 das BOSFET-Bauteil 24 einschalten.In order to switch on the relay, the light-emitting diode 21 is activated and a charging current flows from the stack 19 . This charging current flows through the diode 35 in order to charge the gate capacitance of the BOSFET component 24 . When the threshold voltage of the BOSFET gate capacitance 24 is exceeded (approximately 1 V), the novel BOSFET device turns on and is fully turned on at approximately 2 to 2.5 V. A conductivity path is then formed between the terminals 25 and 26 . Due to the low current and voltage requirements of the BOSFET component 24 , a relatively small photo-voltage stack 19 can switch on the BOSFET component 24 .
Es ist darauf hinzuweisen, daß ein sehr schnelles Ansprechverhalten mit dem Photospannungs-Stapel 19 erzielt wird, weil der Strom dieses Stapels einen eine hohe Eingangsimpedanz aufweisenden Kreis aufweist, der durch den Widerstand 37 gebildet ist. Unter üblichen Umständen würde diese gleiche hohe Eingangsimpedanz ein schnelles Abschalten des Bauteils verhindern, weil es zum Abschalten des BOSFET-Bauteils erforderlich ist, die Gate-Kapazität durch die gleiche Impedanz zu entladen. Aufgrund der Verwendung des ausgezeichnete Betriebseigenschaften aufweisenden PNP-Transistors 36, der die Eigenschaften einer hohen Verstärkung von beispielsweise einem Transistor mit statischer Induktion (SIT) aufweist, ergibt sich eine Verbesserung der Einschaltgeschwindigkeit im Verhältnis von 20 : 1. Wie dies weiter unten gezeigt wird, ist die Verwendung eines PNP-Transistors mit der Konstruktion des BOSFET-Bauteils 24 kompatibel. Es sei insbesondere darauf hingewiesen, daß der Transistor 36 nicht zum Klemmen der Photospannungs- Trennschaltung 20 verwendet wird, sondern deren Ausgangsspannung folgt. Wenn die Ausgangsspannung des Stapels 19 auf ungefähr 0,6 V unterhalb der Gate-Spannung absinkt, so schaltet der Transistor 36 ein. Die effektive Eingangsimpedanz der Schaltung entspricht dann dem Widerstandswert des Widerstandes 37 dividiert durch den Stromverstärkungsfaktor des Transistors 36, der ungefähr 400 beträgt. Entsprechend wird die wirksame Eingangsschaltung zu einer Schaltung mit relativ niedriger Impedanz, die die Gate-Kapazität des BOSFET-Bauteils 24 relativ schnell entladen kann, um dieses Bauteil sehr schnell abzuschalten.It should be noted that a very fast response is achieved with the photo voltage stack 19 because the current of this stack has a circuit with a high input impedance, which is formed by the resistor 37 . Under common circumstances, this same high input impedance would prevent the device from quickly turning off because it is necessary to turn off the BOSFET device by discharging the gate capacitance by the same impedance. The use of the excellent operating characteristics PNP transistor 36 , which has the characteristics of high gain of, for example, a transistor with static induction (SIT), results in an improvement in the switch-on speed in the ratio of 20: 1. As will be shown below, the use of a PNP transistor is compatible with the construction of the BOSFET device 24 . It should be noted in particular that the transistor 36 is not used for clamping the photo-voltage isolation circuit 20 , but rather follows its output voltage. When the output voltage of the stack 19 drops to about 0.6 V below the gate voltage, the transistor 36 turns on. The effective input impedance of the circuit then corresponds to the resistance of resistor 37 divided by the current gain of transistor 36 , which is approximately 400. Accordingly, the effective input circuit becomes a relatively low impedance circuit that can discharge the gate capacitance of the BOSFET device 24 relatively quickly to turn this device off very quickly.
Die Stromübertragungseigenschaften der Schaltung nach Fig. 1 sind in Fig. 4 gezeigt. Wenn in Fig. 4 die Gate- Spannung, die die Spannung des positiven Ausgangsanschlusses des Stapels 19 abzüglich des Durchlaßspannungsabfalls der Diode 35 ist, ungefähr 1 V erreicht, so beginnt das BOSFET-Bauteil 24 einzuschalten. Wenn ungefähr 2 V erreicht sind, ist das Bauteil nahezu vollständig eingeschaltet, und der zu diesem Zeitpunkt erreichte Laststrom könnte beispielsweise 100 mA betragen. Die tatsächliche Spannung, die erforderlich ist, um das BOSFET- Bauteil 24 vom Sperr-Zustand in den vollständig leitenden Zustand zu schalten, ist kleiner als 3 V, so daß das Bauteil mit TTL-Schaltungen betrieben werden kann. The current transmission properties of the circuit of FIG. 1 are shown in FIG. 4. In Fig. 4, when the gate voltage, which is the voltage of the positive output terminal of the stack 19 minus the forward voltage drop of the diode 35 , reaches approximately 1 V, the BOSFET device 24 begins to turn on. When approximately 2 V is reached, the component is almost completely turned on and the load current reached at this time could be 100 mA, for example. The actual voltage required to switch the BOSFET device 24 from the blocking state to the fully conductive state is less than 3 V, so that the device can be operated with TTL circuits.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Schaltung des Festkörperrelais, die gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 Vorteile hinsichtlich einer vergrößerten Abschaltgeschwindigkeit und einer Unabhängigkeit von einem unerwünschten Einschalten aufgrund eines hohen Wertes von dV/dt aufweist. Den Bauteilen nach Fig. 1 entsprechende Bauteile sind in Fig. 5 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. FIG. 5 shows an embodiment of the circuit of the solid-state relay according to the invention, which has advantages over the circuit according to FIG. 1 with regard to an increased switch-off speed and independence from undesired switching on due to a high value of dV / dt. Components corresponding to the components according to FIG. 1 are designated with the same reference numbers in FIG. 5.
Die Hochgeschwindigkeits-Abschaltschaltung nach Fig. 5 besteht aus einem NPN-Transistor 200, einer P-Kanal- MOSFET 201 und einem Widerstand 202. Diese Bauteile bilden eine rückgekoppelte Abschaltschaltung, die sicherstellt, daß die Spannung an der parasitären Gate-Substrat- Eigenkapazität Ciss der Spannung des Stapels 19 folgt und diese sogar nach unten zieht, wenn die Leuchtdiode 21 abschaltet. Sobald die Spannung des Stapels auf ungefähr 0,5 V unter die Gate-Spannung des Bauteils 24 fällt, schaltet der P-Kanal-MOSFET 201 ein und Ciss entlädt sich über den MOSFET 201 und den Basis-Emitter-Kreis des NPN-Transistors 200. Hierdurch wird der Transistor 200 eingeschaltet, um den Stapel 19 zu entladen und um den MOSFET 201 während des Entladungsvorganges eingeschaltet zu halten. Es sei darauf hingewiesen, daß die Bauteile 35, 200, 201 und 202 in sehr einfacher Weisse in das BOSFET-Plättchen integriert werden können.The high-speed turn-off circuit of FIG. 5 consists of an NPN transistor 200, a P-channel MOSFET 201 and a resistor 202. These components form a feedback switch-off circuit which ensures that the voltage at the parasitic gate-substrate intrinsic capacitance C iss follows the voltage of the stack 19 and even pulls it down when the light-emitting diode 21 switches off. As soon as the voltage of the stack drops to approximately 0.5 V below the gate voltage of component 24 , P-channel MOSFET 201 turns on and C iss discharges via MOSFET 201 and the base-emitter circuit of the NPN transistor 200 . This turns on transistor 200 to discharge stack 19 and to keep MOSFET 201 on during the discharge process. It should be noted that components 35, 200, 201 and 202 can be integrated into the BOSFET plate in a very simple manner.
Die Abschaltgeschwindigkeit des Schalterkreises nach Fig. 5 entspricht der Abschaltgeschwindigkeit der Schaltung nach Fig. 1 mit einem Widerstand 37, der einen Widerstandswert von 470 kOhm aufweist. Die Schaltung nach Fig. 5 benötigt keinen derart niedrigen Widerstandswert für den Entladungswiderstand 37 und belastet daher den Photospannungs- Stapel nicht so stark. Hierdurch wird die Detektorempfindlichkeit und Einschaltgeschwindigkeit der Schaltung sowie die Abschaltgeschwindigkeit verbessert.The turn-off of the switch circuit of FIG. 5 corresponds to the turn-off of the circuit of Fig. 1 with a resistor 37 having a resistance value of 470 kOhm. The circuit according to FIG. 5 does not require such a low resistance value for the discharge resistor 37 and therefore does not put as much strain on the photo-voltage stack. As a result, the detector sensitivity and switch-on speed of the circuit and the switch-off speed are improved.
Fig. 5 bildet weiterhin eine dynamische Wechselspannungs- Klemmschaltung zur dV/dt-Unterdrückung. Die verteilte Drain-Gate-Steuer- oder -Streukapazität CD-G kann es einem ausreichend hohen Impulsstrom, der unter einem ausreichend hohen Wert von dV/dt zwischen den Anschlüssen 25 und 26 fließt, ermöglichen, den MOSFET 24 bei Fehlen eines Eingangssignals an den Anschlüssen 22 und 23 einzuschalten. Die Unterdrückungsschaltung schließt einen Widerstand 210, einen Kondensator 211 und einen NPN-Transistor 212 ein, die alle in das Leistungs-MOSFET-Plättchen integriert werden können. Der Widerstands-Kondensator- Teiler bewirkt ein Einschalten des Transistors 212 zum Erden des Verbindungsknotens zwischen den Kondensatoren Ciss und CD-G, wenn der Wert von dV/dt längs der Anschlüsse 25 und 26 einen vorgegebenen Wert überschreitet. Fig. 5 also forms a dynamic AC voltage clamping circuit for dV / dt suppression. The distributed drain-gate control or stray capacitance C DG can allow a sufficiently high pulse current to flow between terminals 25 and 26 at a sufficiently high value of dV / dt, the MOSFET 24 in the absence of an input signal at the terminals 22 and 23 on. The suppressor circuit includes a resistor 210 , a capacitor 211 and an NPN transistor 212 , all of which can be integrated into the power MOSFET die. The resistance-capacitor divider causes transistor 212 to turn on to ground the connection node between capacitors C iss and C DG when the value of dV / dt across terminals 25 and 26 exceeds a predetermined value.
In der Schaltung nach Fig. 5 betragen die Widerstandswerte der Widerstände 202 und 210 jeweils 1 megOhm und der Kondensator 211 weist eine Kapazität von 20 Picofarad auf.In the circuit according to FIG. 5, the resistance values of the resistors 202 and 210 are each 1 megOhm and the capacitor 211 has a capacitance of 20 picofarads.
Claims (5)
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| US57330584A | 1984-01-23 | 1984-01-23 | |
| US58178584A | 1984-02-21 | 1984-02-21 | |
| US06/581,784 US4777387A (en) | 1984-02-21 | 1984-02-21 | Fast turn-off circuit for photovoltaic driven MOSFET |
Publications (1)
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| DE3546524C2 true DE3546524C2 (en) | 1991-05-02 |
Family
ID=27416151
Family Applications (2)
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