JP2004260047A

JP2004260047A - Optically coupled semiconductor relay device

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Publication number: JP2004260047A
Application number: JP2003050544A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Yamagishi; 和夫山岸; Shinichi Chikasawa; 信一近澤; Eiji Yasuda; 英司安田
Original assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a drop of voltage at the time when voltage generated in a photovoltaic diode array is applied between a gate and a source of a MOSFET, and to reduce a leak current among output terminals at the time of turning off of the MOSFET. <P>SOLUTION: In a discharge circuit 21 of the semiconductor relay device, a diode 9 is provided between an N gate and an anode of four-terminal thyristor 11, and a low resistance 22 is provided between a P gate and a cathode thereof. When a voltage generating in a photovoltaic diode array 4 is applied between gate sources of MOSFETs 6 and 7, it can be suppressed by a drop of voltage resulting from VF of one-step diode 9. In addition, when the gate potential of the MOSFETs 6 and 7 is not fixed at a source potential and unstable condition occurs while the voltage is applied between them, the voltage can be kept within a range of voltage of VF due to PN junction by one piece of the four-terminal thyristor 11. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いた光結合型半導体リレー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の光結合型半導体リレー装置は、従来の電磁リレー装置に代わりリレー装置として小型、高感度、高速、高信頼性化等したものとして開発されたもので、電気信号を半導体発光素子、例えば、発光ダイオードで光信号に変換し、発光ダイオードと光結合された半導体光起電素子、例えば、光起電ダイオード（ＰＶＤ；ＰｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃＤｉｏｄｅ）アレーで光信号を電気信号に変換し、この電気信号によってスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴを駆動させ、出力接点信号を得るようにしている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
以下、特許文献１を参考に従来の光結合型半導体リレー装置について、図２を参照して説明する。入力端子１ａ、１ｂ間に電気信号を供給すると、入力端子１ａ、１ｂ間に接続された半導体発光素子としての発光ダイオード２で光信号に変換される。この光信号は、発光ダイオード２と光結合された半導体光起電素子としての複数個直列接続の光起電ダイオード３で構成された光起電ダイオードアレー４で電気信号に変換される。この電気信号は、放電回路５を介して、ソースを共通に逆直列接続した２個のエンハンスメント形（ノーマリオフ形）のＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ６、７のそれぞれのゲート・ソース間に供給され、ＭＯＳＦＥＴ６、７をオン駆動させ、ＭＯＳＦＥＴ６、７のそれぞれのドレインに接続された出力端子８ａ、８ｂ間にノーマリオープンの出力接点信号を得るようにしている。
【０００４】
放電回路５は、ダイオード９、１０と４端子サイリスタ１１と高抵抗素子１２とで構成されている。ダイオード９は、アノードが光起電ダイオードアレー４のアノードに接続され、カソードがＭＯＳＦＥＴ６、７のそれぞれのゲートに接続されている。ダイオード１０は、カソードが光起電ダイオードアレー４のカソードに接続され、アノードがＭＯＳＦＥＴ６、７のそれぞれのソースに接続されている。４端子サイリスタ１１は、アノードがダイオード９のカソードとＭＯＳＦＥＴ６、７のゲートとの接続点に接続され、カソードがダイオード１０のアノードとＭＯＳＦＥＴ６、７のソースとの接続点に接続され、Ｎゲートが光起電ダイオードアレー４のアノードとダイオード９のアノードとの接続点に接続され、Ｐゲートが光起電ダイオードアレー４のカソードとダイオード１０のカソードとの接続点に接続されている。高抵抗素子１２は、一端が光起電ダイオードアレー４のアノードとダイオード９のアノードとの接続点に接続され、他端が光起電ダイオードアレー４のカソードとダイオード１０のカソードとの接続点に接続されている。
【０００５】
上記構成の光結合型半導体リレー装置において、入力端子１ａ、１ｂ間に電気信号が供給されると、発光ダイオード２で光信号に変換され、光起電ダイオードアレー４で再び電気信号に変換される。このとき、放電回路５に用いている４端子サイリスタ１１はオフ状態であり、光起電ダイオードアレー４からの電気信号がダイオード９、１０を通ってＭＯＳＦＥＴ６、７のそれぞれのゲートとソース間に直ちに印加され、ＭＯＳＦＥＴ６、７をオンさせ、出力端子８ａ、８ｂ間を導通させる。
【０００６】
次に、入力端子１ａ、１ｂ間に供給されていた電気信号が供給されなくなると、発光ダイオード２からの光信号がなくなり、光起電ダイオードアレー４からの電気信号もなくなるが、ダイオード９、１０および４端子サイリスタ１１によりＭＯＳＦＥＴ６、７のそれぞれのゲート電圧は、そのまま保たれている。この状態で光起電ダイオードアレー４の両端の電圧は高抵抗素子１２に電流が流れることによりすばやく低下する。この電圧低下により、光起電ダイオードアレー４のアノード・カソード間電圧Ｖ１と４端子サイリスタ１１のアノード・カソード間電圧Ｖ２とがＶ２＞Ｖ１の関係となったとき、４端子サイリスタ１１がオンするようになる。
【０００７】
４端子サイリスタ１１は自己保持特性を持つため、一度オンすると、アノード・カソード間電圧が１Ｖ程度に下がるまでオン状態を保つ。このため、ＭＯＳＦＥＴ６、７のゲートに蓄積された電荷は４端子サイリスタ１１を通って速やかに放電され、ＭＯＳＦＥＴ６、７はオフし、出力端子８ａ、８ｂ間が非導通となる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−２６８０４２号公報（「発明の詳細な説明」、図４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の光結合型半導体リレー装置は、次に示す２つの問題がある。１つ目は、放電回路５を構成するダイオード９、１０がＭＯＳＦＥＴ６、７のゲート・ソース間に直列に接続されているため、入力端子１ａ、１ｂ間に電気信号が供給され、光起電ダイオードアレー４に発生した電圧がＭＯＳＦＥＴ６、７のゲート・ソース間に印加されるとき、２段のダイオード９、１０の２×ＶＦによる電圧降下があり、その電圧降下分を補償するために、光起電ダイオードアレー４の光起電ダイオード３の段数を多くする必要がある。２つ目は、入力端子１ａ、１ｂ間に電気信号が供給されずＭＯＳＦＥＴ６、７がオフした状態において、出力端子８ａ、８ｂ間に電圧が印加されているとき、ＭＯＳＦＥＴ６、７のゲート電位がソース電位に対して固定されず不安定な状態となっている。この不安定な状態は、ＭＯＳＦＥＴ６、７のゲート・ソース間に対して、４端子サイリスタ１１の等価回路を構成するＰＮＰトランジスタのエミッタとベースによるＰＮ接合とＮＰＮトランジスタのベースとエミッタによるＰＮ接合とが高抵抗素子１２を介して直列接続されているため、この２個のＰＮ接合による２×ＶＦの電圧の範囲で生じる。その結果、出力端子８ａ、８ｂ間には、ＭＯＳＦＥＴ６、７のゲート・ソース間に最大２×ＶＦの電圧が印加された場合のドレイン・ソース間リーク電流とほぼ同じリーク電流ＩＬｏｆｆが流れるという問題がある。
本発明は上記問題点を解決するために、光起電ダイオードアレーに発生した電圧がＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間に印加されるとき、ダイオードのＶＦによる電圧降下を１段分に抑えるとともに、ＭＯＳＦＥＴがオフした状態において、出力端子間に電圧が印加されているとき、ＭＯＳＦＥＴのゲート電位がソース電位に対して固定されず不安定な状態を４端子サイリスタの１個分のＰＮ接合によるＶＦの電圧の範囲に抑える。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光結合型半導体リレー装置は、半導体発光素子と、半導体発光素子からの光信号を電気信号に変換する半導体光起電素子と、この電気信号によって駆動されるＭＯＳＦＥＴと、ＭＯＳＦＥＴのゲートに蓄積された電荷を放電する放電回路とを具備し、放電回路が、ＭＯＳＦＥＴのゲートとソース間にアノードとカソードで接続され、さらに半導体光起電素子のアノードとカソード間にＮゲートとＰゲートで接続された４端子サイリスタと、半導体光起電素子のアノードとカソード間に接続された高抵抗素子とを有する光結合型半導体リレー装置において、放電回路が、さらに、４端子サイリスタのＮゲートとアノード間またはカソードとＰゲート間の一方にアノードとカソードで接続されたダイオードと、４端子サイリスタのＮゲートとアノード間またはカソードとＰゲート間の他方に接続された低抵抗素子とを有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施例の光結合型半導体リレー装置について、図１を参照して説明する。尚、図２と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。図２と異なるのは、放電回路２１がダイオード１０の替わり低抵抗素子２２を有している点である。
【００１２】
低抵抗素子２２は、Ｒ＜ＶＦ（０．５Ｖ）／Ｉｐｄ（ＰＶＤのホト電流）により抵抗値が設定され、数十ｋΩが適切である。
【００１３】
入力端子１ａ、１ｂ間に電気信号が供給されると、発光ダイオード２で光信号に変換され、光起電ダイオードアレー４で再び電気信号に変換される。このとき、放電回路２１に用いている４端子サイリスタ１１はオフ状態であり、光起電ダイオードアレー４からの電気信号がダイオード９と低抵抗素子２２を通ってＭＯＳＦＥＴ６、７のそれぞれのゲートとソース間に直ちに印加され、ＭＯＳＦＥＴ６、７をオンさせ、出力端子８ａ、８ｂ間を導通させる。光起電ダイオードアレー４に発生した電圧がＭＯＳＦＥＴ６、７のゲート・ソース間に印加されるとき、４端子サイリスタ１１のカソードとＰゲート間にダイオードの替わりに低抵抗素子２２を接続しているので、１段のダイオード９のＶＦによる電圧降下分だけに抑えることができる。
【００１４】
次に、入力端子１ａ、１ｂ間に供給されていた電気信号が供給されなくなると、図２の光結合型半導体リレー装置と同様に、ＭＯＳＦＥＴ６、７はオフし、出力端子８ａ、８ｂ間が非導通となる。このＭＯＳＦＥＴ６、７がオフした状態において、出力端子８ａ、８ｂ間に電圧が印加されているとき、ＭＯＳＦＥＴ６、７のゲート電位がソース電位に対して固定されず不安定な状態となるのを、４端子サイリスタ１１のカソードとＰゲート間にダイオードの替わりに低抵抗素子２２を接続しているので、ＭＯＳＦＥＴ６、７のゲート・ソース間に４端子サイリスタ１１の等価回路を構成するＰＮＰトランジスタのエミッタとベースによるＰＮ接合が高抵抗素子１２と低抵抗素子２２を介して接続された状態となるため、この１個分のＰＮ接合によるＶＦの電圧の範囲に抑えることができる。その結果、出力端子８ａ、８ｂ間には、ＭＯＳＦＥＴ６、７のゲート・ソース間に最大ＶＦの電圧が印加された場合のドレイン・ソース間リーク電流とほぼ同じリーク電流ＩＬｏｆｆが流れ、図２の光結合型半導体リレー装置に比べて、出力端子８ａ、８ｂ間のリーク電流ＩＬｏｆｆを低減することができる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の光結合型半導体リレー装置によれば、４端子サイリスタのＮゲートとアノード間またはカソードとＰゲート間の一方にアノードとカソードで接続されたダイオードと、４端子サイリスタのＮゲートとアノード間またはカソードとＰゲート間の他方に接続された低抵抗素子とを有するので、従来の光結合型半導体リレー装置にくらべて、光起電ダイオードアレーに発生した電圧がＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間に印加されるときの電圧降下を少なくでき、また、ＭＯＳＦＥＴのオフ時の出力端子間のリーク電流を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の光結合型半導体リレー装置を示す回路図。
【図２】従来の光結合型半導体リレー装置を示す回路図。
【符号の説明】
２発光ダイオード（半導体発光素子）
４光起電ダイオードアレー（半導体光起電素子）
６、７ＭＯＳＦＥＴ
９ダイオード
１１４端子サイリスタ
１２高抵抗素子
２１放電回路
２２低抵抗回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optically coupled semiconductor relay device using a MOSFET as a switching element.
[0002]
[Prior art]
This type of optically coupled semiconductor relay device has been developed as a small, high-sensitivity, high-speed, high-reliability relay device instead of a conventional electromagnetic relay device. A light emitting diode converts the light signal into an optical signal, and the light signal is converted into an electric signal by a semiconductor photovoltaic device optically coupled to the light emitting diode, for example, a photovoltaic diode (PVD) array. Drives a MOSFET as a switching element to obtain an output contact signal (for example, see Patent Document 1).
[0003]
Hereinafter, a conventional optically coupled semiconductor relay device will be described with reference to FIG. When an electric signal is supplied between the input terminals 1a and 1b, the electric signal is converted into an optical signal by a light emitting diode 2 as a semiconductor light emitting element connected between the input terminals 1a and 1b. This light signal is converted into an electric signal by a photovoltaic diode array 4 composed of a plurality of photovoltaic diodes 3 connected in series as semiconductor photovoltaic elements optically coupled to the light emitting diode 2. This electric signal is supplied via a discharge circuit 5 between the gate and source of each of two enhancement-type (normally-off) N-channel MOSFETs 6 and 7 whose sources are connected in reverse series in common. Is turned on to obtain a normally open output contact signal between the output terminals 8a and 8b connected to the respective drains of the MOSFETs 6 and 7.
[0004]
The discharge circuit 5 includes diodes 9 and 10, a four-terminal thyristor 11, and a high-resistance element 12. The diode 9 has an anode connected to the anode of the photovoltaic diode array 4 and a cathode connected to the respective gates of the MOSFETs 6 and 7. The diode 10 has a cathode connected to the cathode of the photovoltaic diode array 4 and an anode connected to the respective sources of the MOSFETs 6 and 7. The four-terminal thyristor 11 has an anode connected to a connection point between the cathode of the diode 9 and the gates of the MOSFETs 6 and 7, a cathode connected to a connection point between the anode of the diode 10 and the sources of the MOSFETs 6 and 7, and an N gate connected to the light. The P-gate is connected to the connection point between the anode of the photovoltaic diode array 4 and the anode of the diode 9, and the P-gate is connected to the connection point between the cathode of the photovoltaic diode array 4 and the cathode of the diode 10. One end of the high resistance element 12 is connected to a connection point between the anode of the photovoltaic diode array 4 and the anode of the diode 9, and the other end is connected to a connection point between the cathode of the photovoltaic diode array 4 and the cathode of the diode 10. It is connected.
[0005]
In the optically coupled semiconductor relay device having the above configuration, when an electric signal is supplied between the input terminals 1a and 1b, the electric signal is converted into an optical signal by the light emitting diode 2, and is converted again into an electric signal by the photovoltaic diode array 4. . At this time, the four-terminal thyristor 11 used in the discharge circuit 5 is in the off state, and the electric signal from the photovoltaic diode array 4 passes between the gates and the sources of the MOSFETs 6 and 7 through the diodes 9 and 10 immediately. The MOSFETs 6 and 7 are turned on, and the output terminals 8a and 8b are conducted.
[0006]
Next, when the electric signal supplied between the input terminals 1a and 1b is no longer supplied, the light signal from the light emitting diode 2 disappears and the electric signal from the photovoltaic diode array 4 also disappears. And the gate voltage of each of the MOSFETs 6 and 7 is kept as it is by the four-terminal thyristor 11. In this state, the voltage at both ends of the photovoltaic diode array 4 rapidly decreases due to the current flowing through the high-resistance element 12. Due to this voltage drop, when the anode-cathode voltage V1 of the photovoltaic diode array 4 and the anode-cathode voltage V2 of the four-terminal thyristor 11 have a relationship of V2> V1, the four-terminal thyristor 11 is turned on. become.
[0007]
Since the four-terminal thyristor 11 has a self-holding characteristic, once it is turned on, it stays on until the anode-cathode voltage drops to about 1V. Therefore, the charges accumulated in the gates of the MOSFETs 6 and 7 are quickly discharged through the four-terminal thyristor 11, the MOSFETs 6 and 7 are turned off, and the output terminals 8a and 8b become non-conductive.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-5-268042 ("Detailed description of the invention", FIG. 4)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the above-mentioned conventional optically coupled semiconductor relay device has the following two problems. First, since the diodes 9 and 10 constituting the discharge circuit 5 are connected in series between the gates and sources of the MOSFETs 6 and 7, an electric signal is supplied between the input terminals 1a and 1b, and the photovoltaic diode When a voltage generated in the array 4 is applied between the gates and sources of the MOSFETs 6 and 7, there is a voltage drop due to 2 × VF of the two-stage diodes 9 and 10, and in order to compensate for the voltage drop, a photovoltaic voltage is generated. It is necessary to increase the number of photovoltaic diodes 3 of the photodiode array 4. Second, in a state where an electric signal is not supplied between the input terminals 1a and 1b and the MOSFETs 6 and 7 are turned off and a voltage is applied between the output terminals 8a and 8b, the gate potentials of the MOSFETs 6 and 7 become the source. It is not fixed with respect to the potential and is in an unstable state. This unstable state is caused by the PN junction between the emitter and the base of the PNP transistor and the PN junction between the base and the emitter of the NPN transistor, which constitute an equivalent circuit of the four-terminal thyristor 11, between the gate and the source of the MOSFETs 6 and 7. Since the two PN junctions are connected in series via the high resistance element 12, the voltage is generated within a range of 2 × VF by the two PN junctions. As a result, there is a problem that a leak current ILoff substantially equal to a drain-source leak current when a voltage of 2 × VF at the maximum is applied between the gates and the sources of the MOSFETs 6 and 7 flows between the output terminals 8a and 8b. is there.
The present invention solves the above-mentioned problem by suppressing the voltage drop due to the diode VF to one stage when the voltage generated in the photovoltaic diode array is applied between the gate and the source of the MOSFET. In the off state, when a voltage is applied between the output terminals, the gate potential of the MOSFET is not fixed with respect to the source potential and is unstable, and the VF voltage of the PN junction of one 4-terminal thyristor is changed. To the range.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
An optically coupled semiconductor relay device according to the present invention includes a semiconductor light emitting element, a semiconductor photovoltaic element that converts an optical signal from the semiconductor light emitting element into an electric signal, a MOSFET driven by the electric signal, and a gate of the MOSFET. A discharge circuit for discharging the accumulated charges, the discharge circuit being connected between the gate and the source of the MOSFET at an anode and a cathode, and further having an N gate and a P gate between the anode and the cathode of the semiconductor photovoltaic device. In an optically coupled semiconductor relay device having a connected four-terminal thyristor and a high-resistance element connected between an anode and a cathode of the semiconductor photovoltaic element, the discharge circuit further comprises an N-gate and an anode of the four-terminal thyristor A diode connected between the anode or the cathode on one side or between the cathode and the P gate, and an N-gate of the four-terminal thyristor And a low resistance element connected to the other between the anode and the anode or between the cathode and the P gate.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an optically coupled semiconductor relay device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. Only different points will be described. The difference from FIG. 2 is that the discharge circuit 21 has a low resistance element 22 instead of the diode 10.
[0012]
The resistance value of the low resistance element 22 is set by R <VF (0.5 V) / Ipd (photo current of PVD), and several tens kΩ is appropriate.
[0013]
When an electric signal is supplied between the input terminals 1a and 1b, the electric signal is converted into an optical signal by the light emitting diode 2, and is converted again into an electric signal by the photovoltaic diode array 4. At this time, the four-terminal thyristor 11 used in the discharge circuit 21 is in the off state, and the electric signal from the photovoltaic diode array 4 passes through the diode 9 and the low-resistance element 22 to the respective gates and sources of the MOSFETs 6 and 7. Immediately, the MOSFETs 6 and 7 are turned on, and the output terminals 8a and 8b are conducted. When the voltage generated in the photovoltaic diode array 4 is applied between the gates and sources of the MOSFETs 6 and 7, the low resistance element 22 is connected between the cathode of the four-terminal thyristor 11 and the P gate instead of the diode. , It can be suppressed to only the voltage drop due to the VF of the diode 9 of one stage.
[0014]
Next, when the electric signal supplied between the input terminals 1a and 1b is no longer supplied, the MOSFETs 6 and 7 are turned off and the connection between the output terminals 8a and 8b is not connected, as in the optically coupled semiconductor relay device of FIG. It becomes conductive. When a voltage is applied between the output terminals 8a and 8b in a state where the MOSFETs 6 and 7 are turned off, the gate potentials of the MOSFETs 6 and 7 are not fixed with respect to the source potential and become unstable. Since the low-resistance element 22 is connected between the cathode and the P gate of the terminal thyristor 11 in place of the diode, the emitter and the base of the PNP transistor forming an equivalent circuit of the four-terminal thyristor 11 between the gates and sources of the MOSFETs 6 and 7. Is connected via the high-resistance element 12 and the low-resistance element 22, so that the voltage of the VF by one PN junction can be suppressed. As a result, a leakage current ILoff substantially equal to the drain-source leakage current when a voltage of maximum VF is applied between the gate and the source of the MOSFETs 6 and 7 flows between the output terminals 8a and 8b. The leakage current ILoff between the output terminals 8a and 8b can be reduced as compared with the coupled semiconductor relay device.
[0015]
【The invention's effect】
According to the optically coupled semiconductor relay device of the present invention, a diode connected between the N gate and the anode or between the cathode and the P gate of the four terminal thyristor at one of the anode and the cathode, and between the N gate and the anode of the four terminal thyristor Alternatively, since a low-resistance element is connected between the cathode and the P-gate, the voltage generated in the photovoltaic diode array is applied between the gate and source of the MOSFET as compared with a conventional optically coupled semiconductor relay device. In this case, the voltage drop at the time of the operation can be reduced, and the leak current between the output terminals when the MOSFET is off can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an optically coupled semiconductor relay device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a conventional optically coupled semiconductor relay device.
[Explanation of symbols]
2 Light emitting diode (semiconductor light emitting device)
4 Photovoltaic diode array (semiconductor photovoltaic element)
6, 7 MOSFET
9 Diode 11 4 terminal thyristor 12 High resistance element 21 Discharge circuit 22 Low resistance circuit

Claims

A semiconductor light-emitting element, a semiconductor photovoltaic element that converts an optical signal from the semiconductor light-emitting element into an electric signal, a MOSFET driven by the electric signal, and a discharge circuit that discharges charges accumulated in the gate of the MOSFET. Equipped,
A four-terminal thyristor connected between the gate and the source of the MOSFET at the anode and the cathode, and further connected between the anode and the cathode of the semiconductor photovoltaic device by the N gate and the P gate; In an optically coupled semiconductor relay device having a high resistance element connected between an anode and a cathode,
The discharge circuit further includes a diode connected between the N-gate and the anode or between the cathode and the P-gate of the four-terminal thyristor at one of the anode and the cathode, and a diode connected between the N-gate and the anode or the cathode and the P-gate of the four-terminal thyristor. An optically coupled semiconductor relay device having a low resistance element connected to the other end.