JP2006340311A - 半導体リレー装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光結合型PNPNスイッチを用いた半導体リレー装置において、光結合型PNPNスイッチのターンオン時の光感度を良くすると共に、ターンオフ時のノイズ耐量の低下を防止する。
【解決手段】入力信号S1により光信号L1を発生するLED2aと、この光信号L1により交流をスイッチングする光スイッチ3と、光スイッチ3をオンするための電圧を発生させるインピーダンス回路4とを備えた半導体リレー装置1aにおいて、インピーダンス回路4を抵抗とディプレッション型MOSFET5の並列回路で構成し、入力信号の無い場合は、MOSFET5を短絡状態とし、入力信号が入力された場合は、LED2aの光信号L2を受けた受光素子7により、MOSFET5をオフ乃至高抵抗状態とし、光スイッチ3のターンオン時の光感度の向上と、ターンオフ時のノイズ耐量の低下防止を両立させる。
【選択図】図1
【解決手段】入力信号S1により光信号L1を発生するLED2aと、この光信号L1により交流をスイッチングする光スイッチ3と、光スイッチ3をオンするための電圧を発生させるインピーダンス回路4とを備えた半導体リレー装置1aにおいて、インピーダンス回路4を抵抗とディプレッション型MOSFET5の並列回路で構成し、入力信号の無い場合は、MOSFET5を短絡状態とし、入力信号が入力された場合は、LED2aの光信号L2を受けた受光素子7により、MOSFET5をオフ乃至高抵抗状態とし、光スイッチ3のターンオン時の光感度の向上と、ターンオフ時のノイズ耐量の低下防止を両立させる。
【選択図】図1
Description
本発明は、交流電源に接続される負荷のスイッチング等に用いる半導体リレー装置に関するものであり、詳しくは、光信号でスイッチングする光トリガサイリスタを用いた半導体リレー装置に関する。
光トリガサイリスタは、光信号によって直接点弧(トリガ)させる逆阻止型サイリスタであり、光信号のゲート入力によって、オン、オフを切り替えることができるスイッチング素子である。この光トリガサイリスタを用いた半導体リレー装置は、光信号を用いることにより、主電力回路と制御回路とを電気的に絶縁でき、高電圧の交流電源回路等に多く用いられている。
このような半導体リレー装置において、サイリスタの高耐圧化・大容量化に伴い、入力信号に対して高感度であって、さらに順方向阻止状態におけるアノード・カソード間の印加電圧の変化による誤点弧に対する耐量が大きく、ノイズ等による誤動作が生じないことが望まれている。
従来のこの種の半導体リレー装置の例を図8(a)に示す。半導体リレー装置100は、PNPN4層構造を有する逆阻止3端子光点弧サイリスタの光結合型PNPNスイッチ(以下、光スイッチと略す)102と、ゲートへの光制御信号を送出する発光ダイオード(LED)101とを備えている。この光スイッチ102は、図8(b)の等価回路に示すように、PNPトランジスタとNPNトランジスタで構成される。入力側のLED101の光を受光すると、光スイッチ102は、PゲートとNゲートの間のPN接合で光電流(Ipnp)を発生する。この光電流(Ipnp)によりゲート・カソード間の短絡抵抗(Rgk)103に電流が流れ、短絡抵抗103に端子間電圧(Vgk=Ipnp×Rgk)を生じる。この端子間電圧がNPNトランジスタTr2(以下、単にTr2と記す)を動作させるのに十分な大きさの電圧になると、Tr2がオンし、次に、トランジスタTr1(以下、単にTr1と記す)がオンしてアノードとカソード間が導通(ターンオン)する。即ち、光スイッチ102は、順方向阻止状態から順方向導通状態に移行され、光制御のスイッチング動作をする。従って、短絡抵抗103の抵抗値が大きければ、導通が早まり光感度は良くなる。
一方、電源投入時などにおいて、光スイッチ102におけるPNPN素子のアノード・カソード間に立ち上がりの急峻な電圧が掛かった時、光スイッチ102には、過渡電流による変位電流が各PN接合の接合容量に発生する。この変位電流は、不要なノイズ電流であり、短絡抵抗103に流れることにより端子間電圧(Vgk)を発生させ、光スイッチ102を誤動作(ON状態に)させる。この誤動作を防ぐには、ノイズ等による誤動作に対するdV/dt耐量(順方向阻止状態におけるアノード・カソード間の印加電圧の変化による誤点弧に対する耐量)を向上させることが必要である。そして、dV/dt耐量を向上させるには、短絡抵抗103の抵抗値を小さくすることが有効な手段である。しかし、短絡抵抗103の抵抗値を小さくすると、逆に光感度を悪くすることになる。
上記のように、従来の光スイッチ102を用いた半導体リレー装置100では、光感度向上とノイズによる誤動作低減とは常に、相反する関係があった。
このような関係を解消するために、N型半導体基板の第1のN型領域内にアノード電極を設けた第1のP型領域と第2のP型領域を形成し、この第2のP型領域内にカソード電極を設けた第2のN領域を形成し、さらに第1のN型領域内に第2のP型領域に接する第3のP型領域を設け、ここにPゲート・カソード間の短絡抵抗を形成した光結合型PNPNスイッチ素子において、絶縁膜を介して形成した電極とカソード間に、抵抗と複数の直列配列フォトダイオードとを並列に接続した半導体リレー装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記従来例では、Pゲート・カソード間抵抗の切り替えを、第3のP型領域上の電極に電圧を印加することにより、基板表面付近に集まるキャリアの量を制御して抵抗を可変することにより行っている。このため、光結合型PNPNスイッチ素子がターンオンからターンオフに切り替わった時、電極に電荷がチャージされていることにより、光照射のオン、オフに対応する抵抗の切り替え応答が遅れるという問題があった。そこで、チャージされた電荷を放電するため複数フォトダイオードと並列に常に低抵抗の放電用の抵抗を必要としていた。しかし、この放電抵抗は、複数フォトダイオードに発生した起電力を無駄に消費する欠点があり、このため、抵抗値を十分小さくできず、従って、応答も速くできないという問題があった。このため、ターンオン時の光感度の向上と、ターンオフ時のノイズ耐量の低下防止の両立が不確実になる虞があった。また、Pゲート・カソード間抵抗を半導体基板内に形成するため半導体プロセスを複雑化していた。
特開平6−5911号公報
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、簡単な構成で光結合型PNPNスイッチのターンオン時の光感度の向上と、ターンオフ時のノイズ耐量の低下防止とを両立させることのできる半導体リレー装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために請求項1の発明は、入力信号に応じて光信号を発生する発光素子と、この発光素子の光信号を受けて交流をスイッチングする出力用の光結合型PNPNスイッチと、前記PNPNスイッチをオンするための電圧を該PNPNスイッチのPゲート・カソード間に発生させるインピーダンス回路と、を備えた半導体リレー装置において、前記インピーダンス回路は、抵抗と、この抵抗と並列にドレイン・ソース間が接続されたディプレッション型MOSFETとを備え、入力信号が無いときには、前記ディプレッション型MOSFETにより、前記PNPNスイッチのPゲート・カソード間を短絡し、入力信号が入力されたときには、前記発光素子の光信号を受けた受光素子により、前記ディプレッション型MOSFETのドレイン・ソース間をオフ乃至高抵抗状態として、前記PNPNスイッチのPゲート・カソード間を高抵抗状態とするものである。
請求項2の発明は、請求項1に記載の半導体リレー装置において、前記ディプレッション型MOSFETをnチャンネル型とし、そのドレイン、ソースをそれぞれ前記PNPNスイッチのPゲート、カソードに接続すると共に、そのゲート・ソース間に前記受光素子としてフォトダイオードアレイを設け、該ゲート、ソースのそれぞれに前記フォトダイオードアレイのカソード、アノードを接続したものである。
請求項3の発明は、請求項1に記載の半導体リレー装置において、前記ディプレッション型MOSFETをpチャンネル型とし、そのソース、ドレインをそれぞれ前記PNPNスイッチのPゲート、カソードに接続すると共に、前記PNPNスイッチのNゲートと前記ディプレッション型MOSFETのゲートの間に前記受光素子としてフォトダイオードを設けたものである。
請求項4の発明は、請求項3に記載の半導体リレー装置において、前記フォトダイオードに代えて、フォトトランジスタとしたものである。
請求項5の発明は、請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の半導体リレー装置において、前記インピーダンス回路は、前記ディプレッション型MOSFETのゲート・ソース間にツエナーダイオードを設け、該ゲート・ソース間に一定以上の電圧が印加されないようにすることにより、前記ディプレッション型MOSFETの高抵抗状態を用いて前記抵抗を省いたものである。
請求項1の発明によれば、入力信号が入力されたときには、発光素子の光信号を受けた受光素子により、ディプレッション型MOSFETのドレイン・ソース間をオフ乃至高抵抗状態とし、入力信号が無いときには、ディプレッション型MOSFETを短絡することができる。これにより、光スイッチオン時に、PNPNスイッチのPゲート・カソード間のインピーダンスを大きくして光感度を向上し、光スイッチオフ時には、前記インピーダンスを小さくしてノイズ耐量の低下を防止することを容易に実現できる。また、光信号の制御により、光スイッチのオン、オフと同期させて、インピーダンス回路を制御できるので、光感度の向上と、ノイズ耐量の低下の防止との両立を確実に行うことができる。
請求項2の発明によれば、複数のフォトダイオードの直列配列よりなるフォトダイオードアレイで光信号を受光するので大きな起電力を発生でき、MOSFETのゲートを容易に制御できる。これにより、光信号に同期して簡単にインピーダンス回路のインピーダンスが切り替えられ、光スイッチのオン、オフに同期させて、インピーダンスを大きくまたは小さくでき、光感度の向上と、ノイズ耐量の低下防止を確実に両立させることができる。
請求項3の発明によれば、受光素子をフォトダイオードとし、フォトダイオードをpチャンネルのMOSFETのゲート・ソース間に設けたことにより、光信号を受光するフォトダイオード1個でMOSFETを簡単にスイッチングさせることができ、ゲート制御回路を簡単にできる。これにより、光信号に同期して簡単にインピーダンス回路のインピーダンスを可変でき、光スイッチのオン、オフと同期させて、光感度の向上と、ノイズ耐量の低下の防止との両立を確実に行うことができる。
請求項4の発明によれば、受光素子をフォトトランジスタとしたことにより、三端子増幅素子を用いてNゲートとMOSFETのゲート間の導通を制御できるので、制御感度を高くでき、また制御回路設計が容易になり、より緻密にMOSFETのスイッチング制御を行うことができる。
請求項5の発明によれば、MOSFETのゲート・ソース間に設けたツエナーダイオードにより、ゲート・ソース間に一定以上の電圧が印加されないようにできるので、容易にディプレッション型MOSFETを高抵抗状態で動作させることができる。これにより、光結合型PNPNスイッチのNゲート・カソード間のインピーダンス回路の抵抗を不要にして、光スイッチオン時のインピーダンス回路を高抵抗状態とすることができる。また、MOSFETのゲート・ソース間に過電圧が印加されたときのゲート破壊を防止することができる。
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体リレー装置について図1を参照して説明する。半導体リレー装置1aは、入力信号S1に応じて光信号L1、L2を発生する発光ダイオードのLED(発光素子)2aを有する発光部2と、LED2aの光信号L1を受けて交流をスイッチングする出力用の光結合型PNPNスイッチ(以下、光スイッチと略す)3と、この光スイッチ3をオンする電圧をPゲート・カソード間に発生させるため、光スイッチ3のPゲート・カソード間に接続されるインピーダンス回路4と、LED2aの光信号L2を受光して電気信号を発生する受光素子7で構成される。
光スイッチ3は、PNPN4層構造を有する通常の逆阻止3端子サイリスタにおいて、ゲートへの制御信号を電気信号に代えて、光信号の照射により順方向阻止状態から順方向導通状態に移行するように構成された光点弧型サイリスタである。
この光点弧型サイリスタからなる光スイッチ3は、等価回路として、PNPトランジスタTr1(以下、単にTr1と略す)とNPNトランジスタTr2(以下、単にTr2と略す)とを備え、Tr1のエミッタ側をアノードとし、Tr1のコレクタとTr2のベースとの交点をPゲート、Tr1のベースとTr2のコレクタとの交点をNゲート、Tr2のエミッタ側をカソードとして構成される。
この光スイッチ3のPゲート・カソード間の短絡抵抗となるインピーダンス回路4は、光スイッチ3のPゲート・カソード間にドレイン、ソースが接続されるディプレッション型MOSFET(以下、MOSFETと略す)5と、このMOSFET5に並列の抵抗(R)6との並列回路で形成される。このインピーダンス回路4のインピーダンスをZで表し、抵抗6の抵抗値をRとする。この抵抗値Rは、Tr2を導通させ、光感度を良くするため大きな抵抗値を有する。
MOSFET5は、通常、ゲート電圧が印加されていない状態では、導通状態(ノーマリオンと呼ぶ)を保ち、ゲート・ソース間に一定レベル以上の電圧がゲート電圧として印加された場合に、オフ状態に変化する。このMOSFET5のゲートには、MOSFET5を制御する受光素子7が接続され、受光素子7は、光信号L2を受光すると電気信号を発生し、この電気信号によりMOSFET5を制御して、通常オン状態のMOSFET5をオフ状態に変化させる。
この半導体リレー装置1aにおいて、入力信号S1によりLED2aで発生された光信号L1が光スイッチ3で受光されると、光スイッチ3のPゲート・Nゲートの間のPN接合で光電流(Ipnp)を発生する。また、同じ光信号L2を受光した受光素子7からの電気信号によりMOSFET5は、オフ状態となる。従って、光信号L2を受光時には、インピーダンス回路4のインピーダンスZは、抵抗6の抵抗値Rで決まる。
光スイッチ3が光信号L1を受光すると、受光による光電流(Ipnp)により、Pゲート・カソード間のインピーダンス回路4の抵抗(R)4に光電流(Ipnp)が流れ、端子間電圧(Vgs=Ipnp×R)を生じる。抵抗値Rは高抵抗に設定され、端子間電圧がTR2を動作させるのに十分な大きさの電圧になると、Tr2がオンし、次にTr1がオンしてアノードとカソード間が導通(ターンオン)する。即ち、光スイッチ3は、順方向阻止状態から順方向導通状態に移行され、光制御のスイッチング動作をする。この時、インピーダンス回路4のインピーダンスZは、Rを大きくすることにより、光感度を良くすることができる。
一方、LED2aからの光信号L1がない状態では、光スイッチ3はオフとなる。この時、光信号L2もないので、受光素子7は電気信号を発生せず、MOSFET5はオン状態(ノーマリオン)となるので、ドレイン・ソース間は短絡状態となり、インピーダンス回路4のインピーダンスZはほぼゼロとなる。
このように、入力信号S1からの光信号L1、L2による光スイッチ3とMOSFET5の制御により、光スイッチ3のオン、オフ時において、Pゲート・カソード間のインピーダンス回路4のインピーダンスZを容易に制御できる。これにより、光スイッチ3のターンオンの時には、インピーダンスZを大きくし、オフ時には、インピーダンスZを小さくすることが簡単にでき、スイッチオン時の光感度の向上と、スイッチオフ時のノイズ耐量の低下防止を両立させることができる。また、光スイッチ3のオン、オフと、MOSFET5のオン、オフを同期して光信号で電子的に制御できることにより、光感度の向上とノイズ耐量の低下防止の切り替えのタイミングを精度良く行うことができる。また、インピーダンス回路4の制御を電気回路と独立した光信号L2により行えるので、インピーダンスの制御を極めて容易にできる。さらに、発光素子2aと受光素子7は光結合で結合されるので、両者を空間的に分離することができ、回路配置設計の自由度を高めることができる。
次に、本発明の第2の実施形態に係る半導体リレー装置について、図2を参照して説明する。本実施形態の半導体リレー装置1bは、インピーダンス回路4にnチャンネルのディプレッション型MOSFET(以下、n型MOSFETと略す)5aを備え、受光素子をフォトダイオードアレイ7aとしてn型MOSFET5aのゲート・ソース間に接続した点で前記実施形態と異なる。
半導体リレー装置1bは、入力信号S1に応じて光信号L1を発生する発光ダイオードのLED(発光素子)2aを有する発光部2と、LED2aの光信号L1を受けて交流をスイッチングする出力用の光結合型PNPNスイッチ(以下、光スイッチと略す)3と、この光スイッチ3をオンする電圧をPゲート・カソード間に発生させるため、光スイッチ3のPゲート・カソード間に接続されるインピーダンス回路4と、そのドレイン・ソースがそれぞれ光スイッチ3のPゲート・カソードに接続されるn型MOSFET5aと、そのカソード、アノードがそれぞれn型MOSFET5aのゲート・ソース間に接続されるフォトダイオードアレイ7aで構成される。
このインピーダンス回路4は、n型MOSFET5aと、このn型MOSFET5aに並列の抵抗(R)4との並列回路で形成される。ここでは、インピーダンス回路4のインピーダンスをZで表し、抵抗6の抵抗値をRとする。この抵抗値Rと受光時の光電流(Ipnp)とによる電圧降下は、Pゲート・カソード間の端子間電圧となり、この端子間電圧を大きくすることによりTr2を導通させることができる。また、この抵抗値Rが大きいほど光感度が良くなる。このため、抵抗値Rは、十分大きな値に設定されている。
n型MOSFET5aは、通常、ゲート電圧が印加されていない状態では、導通状態(ノーマリオンと呼ぶ)を保ち、ゲート・ソース間に一定レベル以上の電圧がゲート電圧として印加された場合に、オフ状態に変化する。
このフォトダイオードアレイ7aは、直列に接続される複数個のフォトダイオードで構成され、光信号L2を受光して起電力を発生し、この起電力によりそのアノード・カソード間に電圧Eaを発生する。この電圧Eaは、n型MOSFET5aのゲートに逆バイアスとして印加され、通常オン状態のn型MOSFET5aをオフ状態に変化させる。
一方、LED2aで光信号L1を発生させない状態では、光スイッチ3はオフとなり、n型MOSFET5aはオン状態になるのでドレイン・ソース間はショートされ、インピーダンス回路4のインピーダンスZはほぼゼロとなる。
上記の構成により、光信号L1を受光して光スイッチ3がターンオンすると、同時に光信号L2を受光してフォトダイオードアレイ7aも導通し、その導通により発生した電圧Eaにより、n型MOSFET5aはオフ状態とされる。これにより、インピーダンス回路4のインピーダンスZは抵抗6で決定され、インピーダンスZは高抵抗値のRとすることができる。また、光スイッチ3がターンオフの時は、フォトダイオードアレイ7aは非導通となり、n型MOSFET5aにはゲートバイアス電圧が掛からないので、n型MOSFET5aはオン状態になり、Pゲート・カソード間を短絡され、インピーダンスZはほぼゼロとなる。
このように、光信号で受光するフォトダイオードアレイ7aを用いてn型MOSFET5aをスイッチングすることにより、インピーダンス回路を簡単に切り替えることができる。これにより、光スイッチ3がオン、オフ時の光感度の向上と、ノイズ耐量の低下を防止を両立させることができる。また、フォトダイオードアレイ7aを用いることにより、n型MOSFET5aのゲート電圧の制御を、電気回路と独立した光信号により行えるので、インピーダンス制御回路が容易になる。さらに、発光素子2aとフォトダイオードアレイ7aは光結合で行えるので、両者を空間的に分離することができ、回路配置設計の自由度を高めることができる。
次に、本発明の第3の実施形態に係る半導体リレー装置について図3を参照して説明する。本実施形態の半導体リレー装置1cは、インピーダンス回路4にpチャンネルのディプレッション型MOSFET(以下、p型MOSFETと略す)5bを備え、受光素子をフォトダイオード7bとしてNゲートとp型MOSFET5bのゲート間に接続した点で前記実施形態と異なる。
半導体リレー装置1cは、入力信号S1に応じて光信号L1を発生する発光ダイオードのLED(発光素子)2aを有する発光部2と、LED2aの光信号L1を受けて交流をスイッチングする出力用の光結合型PNPNスイッチ(以下、光スイッチと略す)3と、この光スイッチ3をオンする電圧をPゲート・カソード間に発生させるため、光スイッチ3のPゲート・カソード間に接続されるインピーダンス回路4と、そのドレイン・ソースがそれぞれ光スイッチ3のPゲート・カソードに接続されるp型MOSFET5bと、光スイッチ3のNゲートとp型MOSFET5bのゲート間に接続され、LED2aの光信号L2を受光して導通するフォトダイオード7bとで構成される。
光スイッチ3は、PNPトランジスタTr1とNPNトランジスタTr2を備え、Tr1のエミッタ側をアノードとし、Tr1のコレクタとTr2のベースとの交点をPゲート、Tr1のベースとTr2のコレクタとの交点をNゲート、Tr2のエミッタ側をカソードとして構成される。
インピーダンス回路4は、p型MOSFET5bと、このp型MOSFET5bに並列の抵抗(R)6との並列回路で形成される。ここでは、このインピーダンス回路4のインピーダンスをZで表し、抵抗6の抵抗値をRとし、このRはTr2を導通させ、光感度を良くするため大きな抵抗値を有する。
p型MOSFET5bは、通常、ゲート電圧が印加されていない状態では、導通状態(ノーマリオンと呼ぶ)を保ち、ゲート・ソース間に一定レベル以上の電圧がゲート電圧として印加された場合には、オフ状態に変化する。このp型MOSFET5bのゲートと光スイッチ3のNゲートに接続されたフォトダイオード7bは、光信号L2を受光して導通し、p型MOSFET5bのゲートと光スイッチ3のNゲート間は短絡される。この時、p型MOSFET5bのゲートバイアスが上昇し、p型MOSFET5bはオフとなる。これにより、インピーダンス回路4のインピーダンスZは、抵抗6の抵抗値Rのみでほぼ決定される。一方、光信号のない状態では、光スイッチ3はオフとなり、n型MOSFET5aはオン状態なのでドレイン・ソース間はショートされ、インピーダンス回路4のインピーダンスZはほぼゼロとなる。
上記の構成により、発光部2への入力信号S1に応じてLED2aで発生された光信号L1、L2により、光スイッチ3はターンオンし、同時に、光信号L2を受光したフォトダイオード7bは導通され、p型MOSFET5bはオフ状態にでき、インピーダンスZを大きくできる。また、光スイッチ3がオフの時は、フォトダイオード7bの非導通により、p型MOSFET5bはオン状態となり、ドレイン・ソース間が短絡され、Pゲート・カソード間のインピーダンスZをショートすることができる。これにより、光スイッチ3のオン、オフ時の光感度の向上と、ノイズ耐量の低下を防止を両立を実現することができる・
また、フォトダイオード7bの1個でp型MOSFET5bのゲート電圧の制御を容易に行うことができるので、インピーダンス制御回路の構成を簡単にできる。さらに、発光素子と受光素子は光結合で行えるので、両者を空間的に分離することができ、回路配置設計の自由度を高めることができる。
次に、本発明の第4の実施形態に係る半導体リレー装置について図4を参照して説明する。本実施形態の半導体リレー装置1dは、インピーダンス回路4にpチャンネルのディプレッション型MOSFET(以下、p型MOSFETと略す)5bを備え、受光素子をフォトトランジスタ7cとし、Nゲートとp型MOSFET5bのゲート間に接続した点で前記実施形態と異なる。
半導体リレー装置1dは、入力信号S1に応じて光信号L1を発生する発光ダイオードのLED(発光素子)2aを有する発光部2と、LED2aの光信号L1を受けて交流電源をスイッチングする出力用の光結合型PNPNスイッチ(以下、光スイッチと略す)3と、この光スイッチ3をオンする電圧をPゲートとカソード間に発生させるため、そのPゲート・カソード間に接続されるインピーダンス回路4と、そのドレイン・ソースがそれぞれ光スイッチ3のPゲート・カソードに接続されるp型MOSFET5bと、そのコレクタとエミッタが光スイッチ3のNゲートとp型MOSFET5bのゲート間にそれぞれ接続され、LED2aの光信号L2を受光して導通するフォトトランジスタ7cとで構成される。
インピーダンス回路4は、p型MOSFET5bと、このp型MOSFET5bに並列の抵抗(R)6との並列回路で形成される。ここでは、このインピーダンス回路4のインピーダンスをZで表し、抵抗6の抵抗値をRとし、抵抗値Rは、光感度を良くするため比較的大きな値に設定されている。
p型MOSFET5bは、通常、ゲート電圧が印加されていない状態では、導通状態(ノーマリオンと呼ぶ)を保ち、ゲート・ソース間に一定レベル以上の電圧がゲート電圧として印加された場合に、オフ状態に変化する。
フォトトランジスタ7cは、光信号を受光して導通し、これによりp型MOSFET5bのゲートと光スイッチ3のNゲート間は短絡し、光信号L2が無い場合は、オープン状態となる。この時、p型MOSFET5bはゲートバイアス電圧が掛からないので導通状態となる。
上記の構成により、発光部2への入力信号S1に応じてLED2aで発生された光信号L1が、光スイッチ3で受光されると、光スイッチ3はターンオンし、同時に、光信号を受光したフォトトランジスタ7cが導通されて、p型MOSFET5bのゲートと光スイッチ3のNゲート間は短絡され、p型MOSFET5bはオフ状態になる。この時、インピーダンス回路4のインピーダンスZは、抵抗6の抵抗値Rのみでほぼ決定され、インピーダンスZを大きくできる。また、光スイッチ3がオフの時は、p型MOSFET5bがオン状態となり、Pゲート・カソード間を短絡し、インピーダンスZをショートさせることができる。
このように、増幅素子のフォトトランジスタ7cをp型MOSFET5bのゲートと光スイッチ3のNゲート間に設けたことにより、光信号からのわずかな光でもp型MOSFET5bを感度良く制御でき、光スイッチ3がオン、オフ時の光感度の向上と、ノイズ耐量の低下を防止を両立させることができる。また、フォトトランジスタ7cの三端子制御でp型MOSFET5bの導通制御を行えるので回路設計が容易になり、p型MOSFET5bのオン、オフを高速に制御できる。さらに、発光素子と受光素子は光結合で行えるので、両者を空間的に分離することができ、回路配置設計の自由度を高めることができる。
次に、本発明の第5の実施形態に係る半導体リレー装置について図5を参照して説明する。本実施形態の半導体リレー装置1eは、受光素子をフォトダイオードアレイ7dとし、インピーダンス回路4をnチャンネルのディプレッション型MOSFET(以下、n型MOSFETと略す)5aで形成し、n型MOSFET5aのゲート・ソース間に並列に、電圧制御用のツェナーダイオード8と、フォトダイオードアレイ7dとを接続し、n型MOSFET5aのゲート・ソース間に一定以上の電圧が印加されないようにすることにより、n型MOSFET5aの高抵抗状態を用いて、前記抵抗6(図2参照)を省いたた点で前記実施形態と異なる。
半導体リレー装置1eは、入力信号S1に応じて光信号L1を発生する発光ダイオードのLED(発光素子)2aを有する発光部2と、LED2aの光信号L1を受けて交流電源をスイッチングする出力用の光結合型PNPNスイッチ(以下、光スイッチと略す)3と、この光スイッチ3をオンする電圧をPゲートとカソード間に発生させるため、光スイッチ3のPゲートとカソード間に接続されるインピーダンス回路4と、そのドレイン・ソースがそれぞれ光スイッチ3のPゲート・カソードに接続されるn型MOSFET5aと、
n型MOSFET5aのゲート、ソース間に並列にそのカソード、アノードが接続される電圧制御用のツェナーダイオード8と、同じく並列にアノード、カソードが接続され、LED2aの光信号L2を受光して起電力を発生するフォトダイオードアレイ7dとで構成される。
n型MOSFET5aのゲート、ソース間に並列にそのカソード、アノードが接続される電圧制御用のツェナーダイオード8と、同じく並列にアノード、カソードが接続され、LED2aの光信号L2を受光して起電力を発生するフォトダイオードアレイ7dとで構成される。
このインピーダンス回路4は、n型MOSFET5aのみで形成される。このインピーダンス回路4のインピーダンスをZで表し、このインピーダンスZは、ここではn型MOSFET5aのドレイン・ソース間抵抗となる。
n型MOSFET5aは、通常、ゲート電圧が印加されていない状態では、導通状態を保ち、ゲート・ソース間のゲート電圧が印加された場合に、印加電圧により導通状態を制御することができ、ドレイン・ソース間抵抗を可変することができる。従って、ゲート・ソース間に一定レベル以上の電圧が掛からないようにゲート電圧を設定することにより、ドレイン・ソース間抵抗を完全にオフではなく、わずかな導通を持つ高抵抗状態とすることができる。
フォトダイオードアレイ7dは、光信号を受光して発生する起電力により、そのアノード・カソード間に電圧Ebを持つ。この電圧Ebは、フォトダイオードアレイ7dに並列に接続されたツェナーダイオード8の固有のツェナー電圧Ecより、大きな電圧を発生するようになっている。
ツェナーダイオード8は、フォトダイオードアレイ7dからの電圧Ebが、カソード・アノード間に逆電圧として加えられ、ツェナー動作によりカソード・アノード間電圧は、ツェナー電圧Ecに固定される。このツェナー電圧Ecは、n型MOSFET5aのゲートに印加されるが、その電圧の大きさは、n型MOSFET5aのドレイン・ソース間にわずかな電流しか流れないように小さい値に選ばれている。従って、光スイッチ3がオンの時、n型MOSFET5aにツェナー電圧Ecが印加されても、完全にはオープンとはならず、ドレイン・ソース間抵抗を高抵抗状態に保つことができる。このため、光スイッチ3がオンの時、インピーダンス回路4のインピーダンスZを高抵抗状態にでき、並列の抵抗(R)6(図2参照)を不要にできる。
一方、LED2aの光信号L1が無い状態では、光スイッチ3はオフとなり、フォトダイオードアレイ7dも光信号L2を受光しないので電圧Ebは発生しない。従って、n型MOSFET5aのゲートにはバイアス電圧が掛からず、n型MOSFET5aは、オン状態となりドレイン・ソース間は短絡され、インピーダンス回路4のインピーダンスZはほぼゼロとなる。これにより、n型MOSFET5aは、それ自身で短絡状態と高抵抗状態の二つの状態を形成することができる。
このように、n型MOSFET5aのゲート・ソース間にフォトダイオードアレイ7dとツェナーダイオード8を並列に接続したことにより、光信号L1、L2により光スイッチ3のターンオンと同時に、ツェナー電圧Ecを発生させる。このツェナー電圧Ecにより、n型MOSFET5aのゲート・ソース間に一定以上の電圧が印加されないようにすると、n型MOSFET5aを高抵抗状態にでき、Pゲート・カソード間を高抵抗状態にすることができる。また、光スイッチ3がオフの時は、Pゲート・カソード間を短絡することができる。これにより、光スイッチ3がオン、オフ時の光感度の向上と、ノイズ耐量の低下防止を両立させることができる。
また、n型MOSFET5aのゲート・ソース間にツェナーダイオード8を備えたことにより、インピーダンス回路4の抵抗6(図2参照)を不要にすることができ、インピーダンス回路をn型MOSFET5aのみで簡単に形成することができる。さらに、ツェナーダイオード8によるゲート・ソース間電圧の電圧制限作用により、n型MOSFET5aのゲートの保護機能も果すことができる。
次に、本発明の第6の実施形態に係る半導体リレー装置について図6を参照して説明する。本実施形態の半導体リレー装置1fは、インピーダンス回路4にpチャンネルのディプレッション型MOSFET(以下、p型MOSFETと略す)5bを備え、フォトダイオード7bをNゲートとp型MOSFET5bのゲート間に接続し、ツェナーダイオード8をp型MOSFET5bのゲート・ソース間に設けた点で前記実施形態と異なる。
半導体リレー装置1fは、入力信号S1に応じて光信号L1を発生する発光ダイオードのLED(発光素子)2aを有する発光部2と、LED2aの光信号L1を受けて交流をスイッチングする出力用の光結合型PNPNスイッチ(以下、光スイッチと略す)3と、この光スイッチ3をオンする電圧をPゲートとカソード間に発生させるため、光スイッチ3のPゲート・カソード間に接続されるインピーダンス回路4と、そのドレイン・ソースがそれぞれ光スイッチ3のPゲート・カソードに接続されるp型MOSFET5bと、p型MOSFET5bのゲート、ソース間に並列にカソード、アノードが接続される電圧制御用のツェナーダイオード8と、Nゲートとp型MOSFET5bのゲート間にカソード、アノードがそれぞれ接続されるフォトダイオード7bとで構成される。
光スイッチ3は、PNPトランジスタTr1とNPNトランジスタTr2を備え、Tr1のエミッタ側をアノードとし、Tr1のコレクタとTr2のベースとの交点をPゲート、Tr1のベースとTr2のコレクタとの交点をNゲート、Tr2のエミッタ側をカソードとして構成される。
このインピーダンス回路4は、光スイッチ3のNゲートとPゲート間にドレインとソースが接続されるp型MOSFET5bで形成される。ここで、このインピーダンス回路4のインピーダンスをZで表すと、インピーダンスZは、p型MOSFET5bのドレイン・ソース間抵抗となる。
p型MOSFET5bは、通常、ゲート電圧が印加されていない状態では、導通状態を保ち、ゲート・ソース間のゲート電圧が印加された場合に、印加電圧により導通状態を制御することができ、ドレイン・ソース間抵抗を可変することができる。従って、ゲート・ソース間に一定レベル以上の電圧が掛からないようにゲート電圧を設定することにより、ドレイン・ソース間抵抗を完全にオフではなく、わずかな導通を持つ高抵抗状態とすることができる。
フォトダイオード7bは、光信号L2を受光すると導通状態となり、この導通によりp型MOSFET5bのゲートと光スイッチ3のNゲート間を短絡し、p型MOSFET5bのゲート電圧とツェナーダイオード8のカソード側を、Nゲートの電圧まで上昇させる。
この時、ツェナーダイオード8には、そのカソードにNゲートからの逆電圧が掛かり、ツェナー動作により、p型MOSFET5bのゲート・ソース間に固有のツェナー電圧Ecを発生する。このツェナー電圧Ecにより、p型MOSFET5bのゲート・ソース間の電圧は、ツェナー電圧Ecに固定される。このツェナー電圧Ecの大きさは、p型MOSFET5bのドレイン・ソース間にわずかな電流しか流れないように選ばれている。従って、光スイッチ3がオンの時、p型MOSFET5bにツェナー電圧Ecが印加されても、完全にはオープンとはならず、ドレイン・ソース間抵抗を高抵抗状態に保つことができる。このため、光スイッチ3がオンの時、インピーダンス回路4のインピーダンスZを高抵抗状態にでき、並列の抵抗(R)6(図3参照)を不要にできる。また、ツェナーダイオード8によるゲート・ソース間電圧の電圧制限作用により、n型MOSFET5aのゲートの保護機能も果すことができる。
一方、光信号をない状態では、光スイッチ3はオフとなり、フォトダイオード7bも非導通となるので、p型MOSFET5bはオン状態となり、ドレイン・ソース間はショートされ、インピーダンス回路4のインピーダンスZは、ほぼゼロとなる。
このように、光スイッチ3のNゲートとp型MOSFET5bのゲート間にフォトダイオード7bを設け、p型MOSFET5bのゲート・ソース間にツェナーダイオード8を設けたことにより、光スイッチ3のオン、オフ時に対応して、p型MOSFET5bを高抵抗状態と短絡状態に切り替えることができる。これにより、光スイッチ3がオン時の光感度の向上と、、オフ時のノイズ耐量の低下を防止を両立させることができる。また、p型MOSFET5bのゲートに接続されるツェナーダイオード8の制御をフォトダイオード7bの1個で簡単に行うことができる。またインピーダンス回路4の抵抗6(図3参照)を省けるので、インピーダンス制御回路の構成を簡単にでき、回路制御を極めて容易にできる。さらに、発光素子と受光素子は光結合で行えるので、両者を空間的に分離することができ、回路配置設計の自由度を高めることができる。
次に、本発明の第7の実施形態に係る半導体リレー装置について図7を参照して説明する。本実施形態の半導体リレー装置1gは、インピーダンス回路4にpチャンネルのディプレッション型MOSFET(以下、p型MOSFETと略す)5bを備え、フォトトランジスタ7cのコレクタとエミッタを、それぞれNゲートとp型MOSFET5bのゲート間に接続し、ツェナーダイオード8をp型MOSFET5bのゲート・ソース間に設けた点で前記実施形態と異なる。
半導体リレー装置1gは、入力信号S1に応じて光信号L1を発生する発光ダイオードのLED(発光素子)2aを有する発光部2と、LED2aの光信号L1を受けて交流電源をスイッチングする出力用の光結合型PNPNスイッチ(以下、光スイッチと略す)3と、この光スイッチ3をオンする電圧をPゲートとカソード間に発生させるため、光スイッチ3のPゲート・カソード間に接続されるインピーダンス回路4と、そのドレイン・ソースがそれぞれ光スイッチ3のPゲート・カソードに接続されるp型MOSFET5bと、p型MOSFET5bのゲート、ソース間に並列にカソード、アノードが接続される電圧制御用のツェナーダイオード8と、Nゲートとp型MOSFET5bのゲート間にコレクタとエミッタが接続され、LED2aの光信号を受光して導通するフォトトランジスタ7cとで構成される。
このインピーダンス回路4は、光スイッチ3のPゲートとカソード間にドレインとソースが接続されるp型MOSFET5bで形成される。ここで、このインピーダンス回路4のインピーダンスをZで表すと、インピーダンスZは、p型MOSFET5bのドレイン・ソース間抵抗となる。
上記構成において、p型MOSFET5bのゲートと光スイッチ3のNゲートに接続されたフォトトランジスタ7cは、光信号L2を受光して感度良く導通し、p型MOSFET5bのゲートと光スイッチ3のNゲート間を短絡する。これにより、p型MOSFET5bのゲートに接続されるツェナーダイオード8のカソードにNゲートからの逆電圧が掛かり、ツェナー動作により、ツェナーダイオード8は、固有のツェナー電圧Ecが発生する。このツェナー電圧Ecにより、p型MOSFET5bのゲート・ソース間の電圧は、ツェナー電圧Ecに固定される。このツェナー電圧Ecの大きさは、p型MOSFET5bのドレイン・ソース間にわずかな電流しか流れないように小さい値に選ばれている。従って、光スイッチ3がオンの時、p型MOSFET5bにツェナー電圧Ecが印加されても、完全にはオープンとはならず、ドレイン・ソース間抵抗を高抵抗状態に保つことができる。このため、光スイッチ3がオンの時、インピーダンス回路4のインピーダンスZを高抵抗状態にでき、並列の抵抗(R)6(図4参照)を不要にできる。また、ツェナーダイオード8によるゲート・ソース間電圧の電圧制限作用により、n型MOSFET5aのゲートの保護機能も果すことができる。
このように、光スイッチ3のNゲートとp型MOSFET5bのゲート間にフォトトランジスタ7cを設け、p型MOSFET5bのゲート・ソース間にツェナーダイオード8を設けたことにより、光スイッチ3のオン、オフ時に対応して、p型MOSFET5bを高抵抗状態と短絡状態に光感度良く切り替えることができる。これにより、光スイッチ3がオン時の光感度の向上と、オフ時のノイズ耐量の低下防止を両立させることができる。また、p型MOSFET5bのゲート電圧の制御をフォトトランジスタ7cで行うことができるので、インピーダンス制御回路を安定に制御感度良く構成できる。さらに、発光素子と受光素子は光結合で行えるので、両者を空間的に分離することができ、回路配置設計の自由度を高めることができる。
以上述べたように、本実施形態に係る半導体リレー装置1a乃至1gによれば、光スイッチ3のPゲート・カソード間のインピーダンス回路4を、抵抗6とMOSFET5の並列回路で構成し、入力信号に対応した光信号L2を受光する受光素子7によりMOSFET5の導通を制御することにより、光スイッチ3のオン、オフ時に同期してインピーダンス回路4のインピーダンスを簡単に切り替えることができる。従って、光スイッチ3のオン時に、インピーダンスを大きくして光感度を向上し、光スイッチ3のオフ時には、インピーダンスを小さくしてノイズ耐量の低下を防止することの両立を確実に行うことができる。
また、フォトダイオードアレイをnチャンネルのMOSFETのゲート、ソース間に設けることにより、光信号により起電力を誘起させることができ、MOSFETのゲートバイアス回路が不要となり、MOSFETの導通を光信号により容易に制御することができる。これにより、光信号に同期して簡単にインピーダンス回路のインピーダンスを可変でき、光スイッチのオン、オフと同期させて、光感度の向上と、ノイズ耐量の低下の防止との両立を確実に行うことができる。
また、フォトダイオードをpチャンネルのMOSFETのゲート・ソース間に設けたことにより、光信号の制御によりフォトダイオード1個でMOSFETを簡単にスイッチングさせることができ、制御回路を簡単にできる。これにより、光信号に同期して簡単にインピーダンス回路のインピーダンスを可変でき、光スイッチのオン、オフと同期させて、光感度の向上と、ノイズ耐量の低下の防止との両立を確実に行うことができる。
また、受光素子をフォトトランジスタとしたことにより、NゲートとMOSFETのゲート間電圧を三端子素子で感度良く制御できるため、回路設計がやり易く、安定した精度の良いMOSFETの導通制御を行うことができる。
さらに、MOSFETのゲート・ソース間にツエナーダイオードを設けたことにより、固定したツェナー電圧を用いてMOSFETを安定に制御できるので、ゲート・ソース間を確実に高抵抗状態にでき、MOSFETの並列抵抗を不要にし、インピーダンス回路を簡単にすることができる。また、MOSFETのゲートへの過電圧印加時におけるゲート破壊を防止することができる。
1a〜1g 半導体リレー装置
2a LED(発光素子)
3 光スイッチ(光結合型PNPNスイッチ)
4 インピーダンス回路
5 MOSFET(ディプレッション型PチャンネルMOSFET)
5a nチャンネルのMOSFET
5b pチャンネルのMOSFET
6 抵抗
7 受光素子
7a、7d フォトダイオードアレイ(受光素子)
7b フォトダイオード(受光素子)
7c フォトトランジスタ
8 ツェナーダイオード
L1 光信号
L2 光信号
S1 入力信号
2a LED(発光素子)
3 光スイッチ(光結合型PNPNスイッチ)
4 インピーダンス回路
5 MOSFET(ディプレッション型PチャンネルMOSFET)
5a nチャンネルのMOSFET
5b pチャンネルのMOSFET
6 抵抗
7 受光素子
7a、7d フォトダイオードアレイ(受光素子)
7b フォトダイオード(受光素子)
7c フォトトランジスタ
8 ツェナーダイオード
L1 光信号
L2 光信号
S1 入力信号
Claims (5)
- 入力信号に応じて光信号を発生する発光素子と、この発光素子の光信号を受けて交流をスイッチングする出力用の光結合型PNPNスイッチと、前記PNPNスイッチをオンするための電圧を該PNPNスイッチのPゲート・カソード間に発生させるインピーダンス回路と、を備えた半導体リレー装置において、
前記インピーダンス回路は、抵抗と、この抵抗と並列にドレイン・ソース間が接続されたディプレッション型MOSFETとを備え、入力信号が無いときには、前記ディプレッション型MOSFETにより、前記PNPNスイッチのPゲート・カソード間を短絡し、入力信号が入力されたときには、前記発光素子の光信号を受けた受光素子により、前記ディプレッション型MOSFETのドレイン・ソース間をオフ乃至高抵抗状態として、前記PNPNスイッチのPゲート・カソード間を高抵抗状態とすることを特徴とする半導体リレー装置。 - 前記ディプレッション型MOSFETをnチャンネル型とし、そのドレイン、ソースをそれぞれ前記PNPNスイッチのPゲート、カソードに接続すると共に、そのゲート・ソース間に前記受光素子としてフォトダイオードアレイを設け、該ゲート、ソースのそれぞれに前記フォトダイオードアレイのカソード、アノードを接続したことを特徴とする請求項1に記載の半導体リレー装置。
- 前記ディプレッション型MOSFETをpチャンネル型とし、そのソース、ドレインをそれぞれ前記PNPNスイッチのPゲート、カソードに接続すると共に、前記PNPNスイッチのNゲートと前記ディプレッション型MOSFETのゲートの間に前記受光素子としてフォトダイオードを設けたことを特徴とする請求項1に記載の半導体リレー装置。
- 前記フォトダイオードに代えて、フォトトランジスタとしたことを特徴とする請求項3に記載の半導体リレー装置。
- 前記インピーダンス回路は、前記ディプレッション型MOSFETのゲート・ソース間にツエナーダイオードを設け、該ゲート・ソース間に一定以上の電圧が印加されないようにすることにより、前記MOSFETの高抵抗状態を用いて前記抵抗を省いたことを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の半導体リレー装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005165936A JP2006340311A (ja) | 2005-06-06 | 2005-06-06 | 半導体リレー装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016226067A (ja) * | 2015-05-26 | 2016-12-28 | シシド静電気株式会社 | 電源装置及びこれを用いたイオン生成装置 |
-
2005
- 2005-06-06 JP JP2005165936A patent/JP2006340311A/ja not_active Withdrawn
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JP2016226067A (ja) * | 2015-05-26 | 2016-12-28 | シシド静電気株式会社 | 電源装置及びこれを用いたイオン生成装置 |
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