JP2005260721A - Solid state relay - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は負荷を駆動する交流電源の開閉を制御するソリッド・ステート・リレーに係り、特に交流電源の電圧よりも電圧耐量の低い半導体素子を直列に接続し、各半導体素子で交流電源の電圧を均等に分担して電圧耐量を高めるソリッド・ステート・リレーに関する。 The present invention relates to a solid-state relay that controls the opening and closing of an AC power supply that drives a load, and in particular, semiconductor elements having a voltage withstand capability lower than the voltage of the AC power supply are connected in series, and the voltage of the AC power supply is controlled by each semiconductor element. The present invention relates to a solid state relay that equally distributes and increases voltage withstand capability.
従来のソリッド・ステート・リレー(SSR:Solid State Rely)は、一般的に図3に示すようなものが知られている。図3において、ソリッド・ステート・リレー50は、直流電源VDCを接続する入力端子A1,A2と、フォトカプラPHのフォトダイオードにフォトダイオード電流を流す入力回路51と、入力系と制御系を電気的に絶縁し、フォトダイオードとフォトトランジスタとで光結合するフォトカプラPHと、交流電源VACの0電位近傍でスイッチングが開始するように制御用サイリスタSCRaの動作を設定するゼロクロス回路52と、制御用サイリスタSCRaと、交流電源VACに全波整流を施し、整流電源VRを発生するダイオードD1〜D4からなる全波整流器53と、制御用サイリスタSCRaがオンすることに伴い、交流電源VACの正(プラス)の半周期でオンするパワーサイリスタSCRcおよび交流電源VACの負(マイナス)の半周期でオンするパワーサイリスタSCRbと、誘導性負荷に起因する誘起電圧を吸収する抵抗器RおよびコンデンサCの直列接続されたスナバ回路と、出力端子B1,B2から交流電源VACに重畳したサージ電圧を抑制するサージアブゾーバSAとから構成される。なお、出力端子B1,B2には、負荷Lと交流電源VACが直列に接続される。なお、抵抗器R1とダイオードD5および抵抗器R2とダイオードD6は、それぞれパワーサイリスタSCRb,SCRcのオンまたはオフのためにゲート−カソード間電圧(バイアス電圧)を制御する。
A conventional solid state relay (SSR) as shown in FIG. 3 is generally known. In FIG. 3, a solid state relay 50 electrically connects input terminals A1 and A2 for connecting a DC power source VDC, an
直流電源VDCの印加→入力回路51が動作→フォトカプラPHが動作→ゼロクロス回路52が動作→制御用サイリスタSCRaのオン動作→全波整流器53の整流電源VRを短絡→パワーサイリスタSCRb,SCRcのオン動作→出力端子B1,B2で交流電源VACの短絡→負荷Lに交流電源VACの供給の過程を経ることになる。
Application of DC power supply VDC →
一方、直流電源VDCが取り除かれると、入力回路51が不動作→フォトカプラPHが不動作→ゼロクロス回路52が不動作→制御用サイリスタSCRaのオフ動作→全波整流器53の整流電源VRを開放→パワーサイリスタSCRb,SCRcのオフ動作→出力端子B1,B2で交流電源VACの開放→負荷Lへの交流電源VACの供給停止の過程を経ることになる。このようにして、ソリッド・ステート・リレー50による負荷Lへの交流電源VACの供給または停止の制御が実行される。
On the other hand, when the DC power supply VDC is removed, the
交流電源VACが商用電源(50/60Hz、AC100V)を用いる場合には、制御用サイリスタSCRaおよびパワーサイリスタSCRb,SCRcも市販の標準部品を使用することができる。 When the AC power supply VAC uses a commercial power supply (50/60 Hz, AC100V), commercially available standard parts can also be used for the control thyristor SCRa and the power thyristors SCRb and SCRc.
例えば、AC100Vの場合、100Vは実効値(RMS値)を表わすので、交流電源VACのピークツウピーク(peak−to−peak)値は、100×2√2(=283)Vとなり、全波整流後の整流電源VRのゼロツウピーク(0−to−peak)値は、100×√2(=141)Vとなる。 For example, in the case of AC100V, 100V represents an effective value (RMS value), so the peak-to-peak value of the AC power supply VAC is 100 × 2√2 (= 283) V, and full-wave rectification The zero-to-peak (0-to-peak) value of the later rectified power supply VR is 100 × √2 (= 141) V.
制御用サイリスタSCRaの標準部品は、小電力一般用と称し、電流定格が数100mA、電圧定格が600Vまでのものがあり、パワーサイリスタSCRb,SCRcの標準部品は、電流定格が充分高く(数10Aオーダ)、定格電圧が1200Vを越えるものがある。 The standard parts of the control thyristor SCRa are called low-power general-purpose parts, and the current ratings are several hundred mA and the voltage ratings are up to 600 V. The standard parts of the power thyristors SCRb and SCRc have sufficiently high current ratings (several tens of A). Order), there are those whose rated voltage exceeds 1200V.
最近の傾向として、顧客から負荷を駆動する交流電源VACの高圧化がソリッド・ステート・リレーに要望されている。例えば、480V交流電源が使用される場合には、制御用サイリスタSCRaおよびパワーサイリスタSCRb,SCRcに、電圧定格700V以上のものが必要になる。 As a recent trend, there is a demand from customers for a solid state relay to increase the voltage of the AC power supply VAC that drives the load. For example, when a 480V AC power supply is used, the control thyristor SCRa and the power thyristors SCRb and SCRc need to have a voltage rating of 700 V or more.
また、従来のソリッド・ステート・リレーは、「特許文献1」(無接点スイッチ)に開示されているように、出力段の開閉素子であるパワーサイリスタTH1およびTH2を駆動する補助開閉素子として、双方向スイッチDIACを用い、この双方向スイッチDIACにトライアックTRIACとフォト・トライアックPTを直列に接続して電圧耐量の向上を図ったものである。 Further, as disclosed in “Patent Document 1” (non-contact switch), the conventional solid state relay is both used as auxiliary switching elements for driving power thyristors TH1 and TH2 which are switching elements in the output stage. A directional switch DIAC is used, and a triac TRIAC and a photo triac PT are connected in series to the bidirectional switch DIAC in order to improve the voltage resistance.
これにより、交流電源を整流する整流回路の削除が図られ、電圧耐量を実現して回路の簡易化が図れる。
従来のソリッド・ステート・リレーは、交流電源VACの電圧が高圧化(例えば、480V)した場合、標準品の制御用サイリスタSCRaでは、電圧耐量(電圧定格)がオーバして使用できない。 When the voltage of the AC power supply VAC is increased (for example, 480 V), the conventional solid-state relay cannot be used with the standard control thyristor SCRa because the voltage withstand capability (voltage rating) is exceeded.
制御用サイリスタSCRaにパワーサイリスタSCRbを使用すれば、1個の標準品で電圧耐量(電圧定格)を満足することができるが、制御用サイリスタSCRaの代わりにパワーサイリスタSCRbを使用することは、部品コストのアップを招く課題がある。また、パワーサイリスタSCRbは、少ない電流では感度が鈍く、制御用サイリスタSCRaの代わりに使用しにくい課題がある。 If the power thyristor SCRb is used for the control thyristor SCRa, the voltage tolerance (voltage rating) can be satisfied with one standard product, but using the power thyristor SCRb instead of the control thyristor SCRa There is a problem that causes an increase in cost. In addition, the power thyristor SCRb has a low sensitivity with a small current, and there is a problem that it is difficult to use in place of the control thyristor SCRa.
制御用サイリスタSCRaの電圧耐量(電圧定格)を上げるため、標準品の制御用サイリスタSCRaを2個直列接続することにより、電圧耐量(電圧定格)を満足させることが可能であるが、2個の制御用サイリスタSCRaのオン→オフ、またはオフ→オンのタイミングが一致しなければ、オフ状態にある制御用サイリスタSCRaに高圧が印加され、制御用サイリスタSCRaの電圧耐量(電圧定格)がオーバしてしまい、制御用サイリスタSCRaが破壊してしまう虞がある。 In order to increase the withstand voltage (voltage rating) of the control thyristor SCRa, it is possible to satisfy the withstand voltage (voltage rating) by connecting two standard control thyristors SCRa in series. If the control thyristor SCRa is turned ON → OFF or OFF → ON does not coincide, a high voltage is applied to the control thyristor SCRa in the OFF state, and the voltage withstand capability (voltage rating) of the control thyristor SCRa is exceeded. Therefore, the control thyristor SCRa may be destroyed.
図4に制御用サイリスタを直列接続した電圧耐量オーバの説明図を示す。(a)図に制御用サイリスタの直列接続回路構成、(b)図にオフ状態にある制御用サイリスタのアノード−カソード電圧特性、(c)図にオン状態にある制御用サイリスタのアノード−カソード電圧特性を示す。 FIG. 4 is an explanatory diagram of voltage withstand capability excess in which control thyristors are connected in series. (A) The configuration of the serial connection circuit of the control thyristors in the figure, (b) The anode-cathode voltage characteristics of the control thyristor in the off state, (c) The anode-cathode voltage of the control thyristor in the on state. Show properties.
(a)図において、サイリスタSRa1およびサイリスタSRa2がオフ時には、それぞれ高電圧Vを2個の抵抗器Raで抵抗分割されたV/2が印加されている。この状態からサイリスタSRa1およびサイリスタSRa2のゲート−カソード間にオン信号SONを印加する。 (A) In the figure, when the thyristor SRa1 and the thyristor SRa2 are off, V / 2 obtained by dividing the high voltage V by two resistors Ra is applied. From this state, an ON signal SON is applied between the gate and cathode of thyristor SRa1 and thyristor SRa2.
(c)図において、オン信号SONの印加により、例えば時間t1でサイリスタSRa2がオンすると、サイリスタSRa2のアノード−カソード電圧VA-Cは、オン抵抗によるオン電圧となり、ほぼ0Vとなる。 (C) In the figure, when the thyristor SRa2 is turned on at the time t1, for example, by applying the on signal SON, the anode-cathode voltage VA-C of the thyristor SRa2 becomes an on-voltage due to the on-resistance and becomes almost 0V.
(b)図において、時間t1ではオフ状態にあるサイリスタSRa1は、サイリスタSRa2がオンした瞬間に、アノード−カソード電圧VA-CがV/2からVとなり、定格電圧VHを越えて所定時間τが経過すると、電圧破壊を発生してしまう。 (B) In the figure, the thyristor SRa1 that is in the OFF state at time t1 has the anode-cathode voltage VA-C changed from V / 2 to V at the moment when the thyristor SRa2 is turned on, and exceeds the rated voltage VH for a predetermined time τ. If it passes, voltage breakdown will occur.
また、「特許文献1」(無接点スイッチ)に開示されたソリッド・ステート・リレーも同様に、双方向スイッチDIAC、トライアックTRIACおよびフォト・トライアックPTのオンまたはオフのタイミング一致しなければ、オフ状態にある半導体部品に交流電源の高電圧が印加され、半導体部品の電圧耐量(電圧定格)がオーバしてしまい、半導体部品が破壊してしまう虞がある。 Similarly, the solid state relay disclosed in “Patent Document 1” (non-contact switch) is also in the off state if the on / off timings of the bidirectional switch DIAC, triac TRIAC, and photo triac PT do not match. If the high voltage of the AC power supply is applied to the semiconductor component in (1), the withstand voltage (voltage rating) of the semiconductor component may be exceeded, and the semiconductor component may be destroyed.
この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は制御用半導体素子(標準部品)を複数個直列接続し、制御用半導体素子のオン/オフ特性を揃えて高電圧に対してバランスさせることが可能なソリッド・ステート・リレーを提供することにある。 The present invention has been made to solve such problems. The object of the present invention is to connect a plurality of control semiconductor elements (standard parts) in series, and to align the on / off characteristics of the control semiconductor elements to a high voltage. It is to provide a solid state relay that can be balanced against.
前記課題を解決するためこの発明に係るソリッド・ステート・リレーは、負荷を駆動する交流電源の開閉を制御するものであって、交流電源の高電圧よりも低い電圧耐量の半導体素子を直列に複数接続するとともに、複数の半導体素子の特性を揃えて高電圧に対する電圧耐量のバランスを取り、直列接続された半導体素子の全電圧耐量を交流電源の高電圧よりも高めたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a solid state relay according to the present invention controls the opening and closing of an AC power source that drives a load, and includes a plurality of semiconductor elements having a voltage resistance lower than the high voltage of the AC power source in series. In addition to the connection, the characteristics of a plurality of semiconductor elements are aligned to balance the voltage resistance against high voltage, and the total voltage resistance of the semiconductor elements connected in series is higher than the high voltage of the AC power supply.
この発明に係るソリッド・ステート・リレーは、交流電源の高電圧よりも低い電圧耐量の半導体素子を直列に複数接続するとともに、複数の半導体素子の特性を揃えて高電圧に対する電圧耐量のバランスを取り、直列接続された半導体素子の全電圧耐量を交流電源の高電圧よりも高めたので、高電圧の交流電源に対しても特別な半導体素子を用いることなく、安定したスイッチングを実行することができる。 The solid state relay according to the present invention connects a plurality of semiconductor elements having a voltage resistance lower than the high voltage of the AC power supply in series, and balances the voltage resistance against high voltage by aligning the characteristics of the plurality of semiconductor elements. Since the total withstand voltage of the semiconductor elements connected in series is higher than the high voltage of the AC power supply, stable switching can be performed without using any special semiconductor elements even for the high voltage AC power supply. .
また、この発明に係る半導体素子は、入力回路と制御回路の電源を分離して光信号を伝達するフォトカプラと、フォトカプラから供給される制御信号に基づいて交流電源の交流信号のゼロ近傍で制御用スイッチング素子をオン動作させるゼロクロス回路のスイッチング素子と、パワー・スイッチング素子をオン/オフ制御する制御用スイッチング素子と、を備えたことを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes a photocoupler that separates the power supply of the input circuit and the control circuit and transmits an optical signal, and near zero of the AC signal of the AC power supply based on the control signal supplied from the photocoupler. A switching element of a zero cross circuit for turning on the control switching element and a control switching element for on / off control of the power switching element are provided.
この発明に係る半導体素子は、入力回路と制御回路の電源を分離して光信号を伝達するフォトカプラと、フォトカプラから供給される制御信号に基づいて交流電源の交流信号のゼロ近傍で制御用スイッチング素子をオン動作させるゼロクロス回路のスイッチング素子と、パワー・スイッチング素子をオン/オフ制御する制御用スイッチング素子とを備えたので、それぞれ直列接続した複数のフォトカプラ、複数のスイッチング素子および複数の制御用スイッチング素子の特性を揃えることにより、直列接続された半導体素子のオン/オフを同時に実行することができる。 The semiconductor device according to the present invention has a photocoupler that transmits an optical signal by separating the power supply of the input circuit and the control circuit, and is used for control near zero of the AC signal of the AC power supply based on the control signal supplied from the photocoupler. Since the switching element of the zero cross circuit for turning on the switching element and the control switching element for controlling on / off of the power switching element are provided, a plurality of photocouplers, a plurality of switching elements and a plurality of controls connected in series are provided. By aligning the characteristics of the switching elements for use, on / off of the semiconductor elements connected in series can be performed simultaneously.
さらに、この発明に係るゼロクロス回路は、直列に接続された制御用スイッチング素子に印加される電圧耐量のバランスを取ることを特徴とする。 Furthermore, the zero-cross circuit according to the present invention is characterized by balancing the withstand voltage applied to the control switching elements connected in series.
この発明に係るゼロクロス回路は、直列に接続された制御用スイッチング素子に印加される電圧耐量のバランスを取るので、それぞれの制御用スイッチング素子のオン/オフを同時に行い、各制御用スイッチング素子に印加される電圧を定格電圧以内に抑制することができる。 The zero cross circuit according to the present invention balances the withstand voltage applied to the control switching elements connected in series, so that each control switching element is simultaneously turned on and off and applied to each control switching element. Can be suppressed within the rated voltage.
また、この発明に係るフォトカプラ、ゼロクロス回路のスイッチング素子および制御用スイッチング素子は、それぞれペア性を有する半導体アレーで構成したことを特徴とする。 The photocoupler, the switching element of the zero cross circuit, and the switching element for control according to the present invention are each configured by a semiconductor array having a pair property.
この発明に係るフォトカプラ、ゼロクロス回路のスイッチング素子および制御用スイッチング素子は、それぞれペア性を有する半導体アレーで構成したので、それぞれ直列接続する複数フォトカプラ、スイッチング素子および制御用スイッチング素子の特性を揃えることができる。 Since the photocoupler, the switching element of the zero cross circuit, and the switching element for control according to the present invention are each composed of a paired semiconductor array, the characteristics of the plurality of photocouplers, switching elements, and control switching elements connected in series are aligned. be able to.
さらに、この発明に係るフォトカプラは、フォトトランジスタカプラで構成したことを特徴とする。 Furthermore, the photocoupler according to the present invention is constituted by a phototransistor coupler.
また、この発明に係るゼロクロス回路のスイッチング素子は、トランジスタで構成したことを特徴とする。 In addition, the switching element of the zero-cross circuit according to the present invention is characterized by comprising a transistor.
さらに、この発明に係る制御用スイッチング素子は、サイリスタで構成したことを特徴とする。 Furthermore, the switching element for control according to the present invention is constituted by a thyristor.
この発明に係るフォトカプラは、フォトトランジスタカプラで構成し、ゼロクロス回路のスイッチング素子は、トランジスタで構成し、制御用スイッチング素子は、サイリスタで構成したので、制御系の半導体素子を標準品で構成してトータルの部品コストを低減することができる。 Since the photocoupler according to the present invention is composed of a phototransistor coupler, the switching element of the zero cross circuit is composed of a transistor, and the control switching element is composed of a thyristor, the control system semiconductor element is composed of a standard product. Total cost of parts can be reduced.
この発明に係るソリッド・ステート・リレーは、交流電源の高電圧よりも低い電圧耐量の半導体素子を直列に複数接続するとともに、複数の半導体素子の特性を揃えて高電圧に対する電圧耐量のバランスを取り、直列接続された半導体素子の全電圧耐量を交流電源の高電圧よりも高めたので、高電圧の交流電源に対しても特別な半導体素子を用いることなく、安定したスイッチングを実行することができ、コストアップせずに信頼性の向上を図ることができる。 The solid state relay according to the present invention connects a plurality of semiconductor elements having a voltage resistance lower than the high voltage of the AC power supply in series, and balances the voltage resistance against high voltage by aligning the characteristics of the plurality of semiconductor elements. Since the total voltage tolerance of the series-connected semiconductor elements is higher than the high voltage of the AC power supply, stable switching can be performed without using a special semiconductor element for the high-voltage AC power supply. Therefore, it is possible to improve the reliability without increasing the cost.
また、この発明に係る半導体素子は、入力回路と制御回路の電源を分離して光信号を伝達するフォトカプラと、フォトカプラから供給される制御信号に基づいて交流電源の交流信号のゼロ近傍で制御用スイッチング素子をオン動作させるゼロクロス回路のスイッチング素子と、パワー・スイッチング素子をオン/オフ制御する制御用スイッチング素子とを備えたので、それぞれ直列接続した複数のフォトカプラ、複数のスイッチング素子および複数の制御用スイッチング素子の特性を揃えることにより、直列接続された半導体素子のオン/オフを同時に実行することができ、ソリッド・ステート・リレーに印加される高電圧を各半導体素子の定格電圧以下に均等に分配し、高電圧印加による半導体素子の耐圧オーバを防止することができる。 The semiconductor device according to the present invention includes a photocoupler that separates the power supply of the input circuit and the control circuit and transmits an optical signal, and near zero of the AC signal of the AC power supply based on the control signal supplied from the photocoupler. Since the switching element of the zero cross circuit that turns on the control switching element and the control switching element that controls on / off of the power switching element are provided, a plurality of photocouplers, a plurality of switching elements, and a plurality By aligning the characteristics of the control switching elements, the semiconductor elements connected in series can be turned on and off at the same time, and the high voltage applied to the solid-state relay is kept below the rated voltage of each semiconductor element. Evenly distributed, it is possible to prevent the breakdown voltage of the semiconductor element from being exceeded by applying a high voltage.
さらに、この発明に係るゼロクロス回路は、直列に接続された制御用スイッチング素子に印加される電圧耐量のバランスを取るので、それぞれの制御用スイッチング素子のオン/オフを同時に行い、各制御用スイッチング素子に印加される電圧を定格電圧以内に抑制することができ、制御用スイッチング素子を市販の標準品で賄うことができる。 Furthermore, since the zero cross circuit according to the present invention balances the voltage tolerance applied to the control switching elements connected in series, each control switching element is simultaneously turned on / off, and each control switching element is controlled. Can be suppressed within the rated voltage, and the control switching element can be covered with a commercially available standard product.
また、この発明に係るフォトカプラ、ゼロクロス回路のスイッチング素子および制御用スイッチング素子は、それぞれペア性を有する半導体アレーで構成したので、それぞれ直列接続する複数フォトカプラ、スイッチング素子および制御用スイッチング素子の特性を揃えることができ、個別部品の選別に要する工数ならびにコストアップから開放されることができる。 In addition, since the photocoupler, the switching element of the zero-cross circuit, and the switching element for control according to the present invention are each composed of a paired semiconductor array, the characteristics of the plurality of photocouplers, switching elements, and control switching elements that are connected in series respectively. It can be freed from man-hours and cost increase required for selecting individual parts.
さらに、この発明に係るフォトカプラは、フォトトランジスタカプラで構成し、ゼロクロス回路のスイッチング素子は、トランジスタで構成し、制御用スイッチング素子は、サイリスタで構成したので、制御系の半導体素子を標準品で構成してトータルの部品コストを低減することができ、高電圧対応のソリッド・ステート・リレーのコストダウンを実現することができる。 Furthermore, since the photocoupler according to the present invention is composed of a phototransistor coupler, the switching element of the zero cross circuit is composed of a transistor, and the control switching element is composed of a thyristor, the control semiconductor element is a standard product. The total component cost can be reduced by configuring, and the cost of the solid state relay for high voltage can be reduced.
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図1はこの発明に係るソリッド・ステート・リレーの一実施の形態構成図である。なお、ソリッド・ステート・リレー1は、図3に示すように、入力端子A1,A2間に直流電源VDCを接続し、出力端子B1,B2間に負荷Lと高電圧の交流電源VAcを接続して、直流電源VDCを入力端子A1,A2間に印加(直流電源VDCをオン)することにより、出力端子B1,B2間をオン状態にして交流電源VACで負荷Lを駆動(交流電源VACの閉結)するとともに、直流電源VDCを入力端子A1,A2間から除去(直流電源VDCをオフ)することにより、出力端子B1,B2間をオフ状態にして交流電源VACによる負荷L駆動を停止(交流電源VAC開放)するものである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of a solid state relay according to the present invention. As shown in FIG. 3, the solid state relay 1 has a DC power supply VDC connected between the input terminals A1 and A2, and a load L and a high voltage AC power supply VAc connected between the output terminals B1 and B2. Then, the DC power supply VDC is applied between the input terminals A1 and A2 (the DC power supply VDC is turned on) so that the output terminals B1 and B2 are turned on and the load L is driven by the AC power supply VAC (the AC power supply VAC is closed). In addition, the DC power supply VDC is removed from between the input terminals A1 and A2 (the DC power supply VDC is turned off), so that the output terminals B1 and B2 are turned off and the load L drive by the AC power supply VAC is stopped (alternating current). Power supply VAC is released).
図1において、ソリッド・ステート・リレー1は、入力回路2、フォトカプラ3、ゼロクロス回路4、制御用スイッチング素子5、交流電源VACに全波整流を施し、整流電源VRを発生するダイオードD1〜D4からなる全波整流器6、制御用スイッチング素子5がオンすることに伴い、交流電源VACの正(プラス)の半周期でオンするパワーサイリスタSCRc(抵抗器R2,ダイオードD6は、オン/オフのバイアス電圧用)、交流電源VACの負(マイナス)の半周期でオンするパワーサイリスタSCRb(抵抗器R1,ダイオードD5は、オン/オフのバイアス電圧用)、誘導性負荷に起因する誘起電圧を吸収する抵抗器RおよびコンデンサCの直列接続されたスナバ回路、出力端子B1,B2から交流電源VACに重畳したサージ電圧を抑制するサージアブゾーバSAを備える。なお、全波整流器6、パワーサイリスタSCRb、パワーサイリスタSCRc、スナバ回路およびサージアブゾーバSAは、図3に示す構成と同一構成である。
In FIG. 1, a solid-state relay 1 includes diodes D1 to D4 that perform full-wave rectification on an
入力回路2は、入力回路2a〜2kで構成し、入力端子A1,A2間に直流電源VDCが印加(直流電源VDCオン)されると、フォトカプラ3(フォトカプラ3a〜3k)に直流電流を供給してフォトカプラ3を駆動する。なお、入力回路2は、入力回路2a〜2kで構成したが、フォトカプラ3(フォトカプラ3a〜3k)に同じ直流電流を流せる構成であれば1回路であってもよい。
The
フォトカプラ3は、フォトカプラ3a〜3kを直列接続し、入力回路2(入力回路2〜2k)から供給される直流電流で動作し、直流電源VDC側(入力回路2〜2k)と交流電源VAC(正確には、整流電源VR)側(ゼロクロス回路4、制御用スイッチング素子5の制御回路)を電気的に絶縁した状態で、制御信号(光信号)を整流電源VR側に伝達し、ゼロクロス回路4(ゼロクロス回路4a〜4k)の動作を制御する。
The photocoupler 3 has
フォトカプラ3a〜3kは、フォトトランジスタカプラ、フォトダイオードカプラ、フォトサイリスタカプラなどの交流電源VACの高電圧よりも低い電圧耐量(定格電圧)の半導体素子(光結合素子)を直列に複数接続しで構成する。
The
ゼロクロス回路4は、ゼロクロス回路4a〜4kを直列接続し、フォトカプラ3(フォトカプラ3a〜3k)から供給される制御信号に基づいて交流電源VACの交流信号(例えば、正弦波)の0V近傍で制御用スイッチング素子5に駆動信号を供給し、制御用スイッチング素子5(制御用スイッチング素子5a〜5k)をオン状態に制御する。
The zero-cross circuit 4 connects the zero-
また、ゼロクロス回路4(ゼロクロス回路4a〜4k)は、直列に接続された制御用スイッチング素子5a〜5kに同時に駆動信号または駆動停止信号を供給し、制御用スイッチング素子5a〜5kを同時にオン/オフ駆動することにより、制御用スイッチング素子5a〜5kに印加される整流電源VRの高電圧を均等に分圧し、各制御用スイッチング素子5a〜5kの電圧耐量のバランスが取れるようにする。
The zero-cross circuit 4 (zero-
ゼロクロス回路4(ゼロクロス回路4a〜4k)は、トランジスタ、MOSFETなどの交流電源VACの高電圧よりも低い電圧耐量(定格電圧)の半導体素子(スイッチング素子)を直列に複数接続しで構成する。
The zero-cross circuit 4 (zero-
このように、この発明に係るゼロクロス回路4a〜4kは、直列に接続された制御用スイッチング素子5a〜5kに印加される電圧耐量(整流電源VR)のバランスを取るので、それぞれの制御用スイッチング素子5a〜5kのオン/オフを同時に行い、各制御用スイッチング素子5a〜5kに印加される電圧を定格電圧以内に抑制することができ、制御用スイッチング素子を市販の標準品で賄うことができる。
Thus, the zero-
制御用スイッチング素子5は、制御用スイッチング素子5a〜5kを直列接続し、ゼロクロス回路4(ゼロクロス回路4a〜4k)から供給される駆動信号に基づいて制御用スイッチング素子5a〜5kが同時にオンし、整流電源VRを短絡することにより、パワーサイリスタSCRb,SCRc(パワー・スイッチング素子)をオン制御する。
The
また、制御用スイッチング素子5は、ゼロクロス回路4(ゼロクロス回路4a〜4k)から供給される駆動停止信号に基づいて制御用スイッチング素子5a〜5kが同時にオフし、整流電源VRを開放することにより、パワーサイリスタSCRb,SCRc(パワー・スイッチング素子)をオフ制御する。
Further, the
制御用スイッチング素子5a〜5kは、同時にオンまたはオフするので各スイッチング素子に印加される電圧が、オフ時には整流電源VRの1/k(VR/k)と均等になる。
Since the
制御用スイッチング素子5(制御用スイッチング素子5a〜5k)は、小電力用のサイリスタ、トランジスタ、MOSFETなどの交流電源VACの高電圧よりも低い電圧耐量(定格電圧)の半導体素子(スイッチング素子)を直列に複数接続して構成する。
The control switching element 5 (
フォトカプラ3a〜3k、ゼロクロス回路4のスイッチング素子および制御用スイッチング素子5a〜5kは、それぞれペア性を有する半導体アレーで構成し、フォトカプラ3a〜3k、ゼロクロス回路4のスイッチング素子および制御用スイッチング素子5a〜5kの特性を揃えることができる。
The
図2はこの発明に係る半導体素子の一実施の形態半導体アレー構成図である。(a)図はフォトカプラ3を構成するフォトトランジスタカプラアレー、(b)図はゼロクロス回路4の半導体素子を構成するトランジスタアレー、(c)図は制御用スイッチング素子5を構成するサイリスタアレーである。なお、各半導体アレーは、2個組みの半導体アレーを表わす。
FIG. 2 is a semiconductor array configuration diagram of an embodiment of a semiconductor device according to the present invention. (A) is a phototransistor coupler array constituting the photocoupler 3, (b) is a transistor array constituting a semiconductor element of the zero-cross circuit 4, and (c) is a thyristor array constituting a
図2において、フォトトランジスタカプラアレー、トランジスタアレーおよびサイリスタアレーは、それぞれ同一の半導体基板(ウェハー)上に構成するので、各素子(フォトトランジスタアレー、フォトトランジスタアレーおよびサイリスタアレー)間でペア性を有し、特性を揃えることができるので、フォトトランジス間、トランジスタ間およびサイリスタ間でオンまたはオフの特性(タイミング)を完全に一致させることができる。 In FIG. 2, since the phototransistor coupler array, the transistor array, and the thyristor array are each configured on the same semiconductor substrate (wafer), each element (phototransistor array, phototransistor array, and thyristor array) has a pair property. In addition, since the characteristics can be made uniform, the on / off characteristics (timing) between phototransistors, transistors, and thyristors can be completely matched.
このように、この発明に係るフォトカプラ3a〜3k、ゼロクロス回路4a〜4kのスイッチング素子および制御用スイッチング素子5a〜5kは、それぞれペア性を有する半導体アレーで構成したので、それぞれ直列接続する複数フォトカプラ、スイッチング素子および制御用スイッチング素子の特性を揃えることができ、個別部品の選別に要する工数ならびにコストアップから開放されることができる。
As described above, the
また、フォトカプラ3、ゼロクロス回路4のスイッチング素子、制御用スイッチング素子5は、それぞれフォトカプラトランジスタ、トランジスタ、サイリスタで構成する。フォトカプラトランジスタ、トランジスタ、サイリスで構成することにより、市販の一般的な標準部品を用いることができる。
The photocoupler 3, the switching element of the zero-cross circuit 4, and the
このように、この発明に係るフォトカプラ3は、フォトトランジスタカプラで構成し、ゼロクロス回路4のスイッチング素子は、トランジスタで構成し、制御用スイッチング素子5は、サイリスタで構成したので、制御系の半導体素子を標準品で構成してトータルの部品コストを低減することができ、高電圧対応のソリッド・ステート・リレーのコストダウンを実現することができる。
As described above, the photocoupler 3 according to the present invention is constituted by a phototransistor coupler, the switching element of the zero cross circuit 4 is constituted by a transistor, and the
また、この発明に係る半導体素子は、入力回路2と制御回路(ゼロクロス回路4および制御用スイッチング素子5)の電源を分離して光信号を伝達するフォトカプラ3と、フォトカプラ3から供給される制御信号に基づいて交流電源VACの交流信号のゼロ近傍で制御用スイッチング素子5をオン動作させるゼロクロス回路4のスイッチング素子と、パワー・スイッチング素子(パワーサイリスタSCRb,SCRc)をオン/オフ制御する制御用スイッチング素子5とを備えたので、それぞれ直列接続した複数のフォトカプラ(フォトカプラ3a〜3k)、複数のスイッチング素子および複数の制御用スイッチング素子(制御用スイッチング素子5a〜5k)の特性を揃えることにより、直列接続された半導体素子のオン/オフを同時に実行することができ、ソリッド・ステート・リレーに印加される高電圧を各半導体素子の定格電圧以下に均等に分配し、高電圧印加による半導体素子の耐圧オーバを防止することができる。
The semiconductor element according to the present invention is supplied from the photocoupler 3 and the photocoupler 3 that transmit the optical signal by separating the power supply of the
以上説明したように、この発明に係るソリッド・ステート・リレー1は、交流電源VACの高電圧よりも低い電圧耐量の半導体素子を直列に複数接続するとともに、複数の半導体素子の特性を揃えて高電圧に対する電圧耐量のバランスを取り、直列接続された半導体素子の全電圧耐量を交流電源の高電圧よりも高めたので、高電圧の交流電源に対しても特別な半導体素子を用いることなく、安定したスイッチングを実行することができ、コストアップせずに信頼性の向上を図ることができる。 As described above, the solid-state relay 1 according to the present invention connects a plurality of semiconductor elements having a voltage resistance lower than the high voltage of the AC power supply VAC in series, and has a high characteristic by aligning the characteristics of the plurality of semiconductor elements. Balanced voltage withstand voltage against voltage, increasing the total voltage withstand capability of series-connected semiconductor elements higher than the high voltage of AC power supplies, so stable operation without using special semiconductor elements for high voltage AC power supplies Switching can be executed, and the reliability can be improved without increasing the cost.
本発明に係るソリッド・ステート・リレーは、制御用半導体素子(標準部品)を複数個直列接続し、制御用半導体素子のオン/オフ特性を揃えて高電圧に対してバランスさせることができ、高電圧の交流負荷を駆動制御するあらゆるソリッド・ステート・リレーに適用することができる。 The solid state relay according to the present invention has a plurality of control semiconductor elements (standard parts) connected in series, and the ON / OFF characteristics of the control semiconductor elements can be aligned and balanced against a high voltage. It can be applied to any solid state relay that drives and controls voltage AC loads.
1 ソリッド・ステート・リレー
2,2a〜2k 入力回路
3 フォトカプラ
3a〜3k フォトトランジスタカプラ
4 ゼロクロス回路
4a〜4k 駆動トランジスタ
5 制御用スイッチング素子
5a〜5k 制御サイリスタ
6 全波整流器
A1,A2 入力端子
B1,B2 出力端子
D1〜D6 ダイオード
R,R1,R2 抵抗器
SCRb,SCRc パワーサイリスタ
C コンデンサ
SA サージアブゾーバ
VDC 直流電源
VAC 交流電源
VR 整流電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (7)
前記交流電源の高電圧よりも低い電圧耐量の半導体素子を直列に複数接続するとともに、複数の前記半導体素子の特性を揃えて高電圧に対する電圧耐量のバランスを取り、直列接続された前記半導体素子の全電圧耐量を前記交流電源の高電圧よりも高めたことを特徴とするソリッド・ステート・リレー。 A solid state relay that controls the opening and closing of the AC power supply that drives the load,
A plurality of semiconductor elements having a voltage resistance lower than the high voltage of the AC power supply are connected in series, and the characteristics of the plurality of semiconductor elements are aligned to balance the voltage resistance against high voltage, and the semiconductor elements connected in series A solid state relay characterized in that the total voltage tolerance is higher than the high voltage of the AC power supply.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004071362A JP2005260721A (en) | 2004-03-12 | 2004-03-12 | Solid state relay |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010252161A (en) * | 2009-04-17 | 2010-11-04 | Hitachi Kokusai Electric Inc | Diode switch circuit |
JP2011199583A (en) * | 2010-03-19 | 2011-10-06 | Toshiba Corp | Multiplexed signal selective output system |
CN107124172A (en) * | 2017-05-12 | 2017-09-01 | 重庆大全泰来电气有限公司 | A kind of thyristor gating circuit |
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2004
- 2004-03-12 JP JP2004071362A patent/JP2005260721A/en active Pending
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