JP2007135081A - Semiconductor relay device - Google Patents

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Takuya Sunada
卓也 砂田
Takeshi Nobe
武 野辺
Hiroshi Okada
洋 岡田
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact semiconductor relay device with high-voltage resistance, and high-heat resistance. <P>SOLUTION: The semiconductor relay device includes an LED 1 which outputs an optical signal in response to an input signal, a photo diode array 2 which receives the optical signal from the LED 1 to generate a prescribed voltage, a charging/discharging circuit 3 which charges/discharges the voltage generated by the photo diode array 2, and a MOSFET 4 for output which is turned on/off by a control voltage from the charging/discharging circuit 3 and is made of silicon carbide. Since an output part is improved in voltage resistance, heat resistance, and efficiency, the compact high-performance semiconductor relay device can be obtained with higher voltage resistance, higher heat resistance, and less loss than conventional semiconductor relay devices using MOSFETs of Si semiconductors. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、入力信号に応答して出力される光信号に基づいて開閉する半導体リレーにおいて、特にSiC材料で作製したMOSFETを出力半導体素子とする半導体リレー装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor relay device that opens and closes based on an optical signal output in response to an input signal, and more particularly to a semiconductor relay device having a MOSFET made of SiC material as an output semiconductor element.

最近の半導体リレー装置においては、高度化する自動車用機器や省電力化する家電用機器等において、高電圧、高温度動作、低損失化等の特性が要望されてきている。このような半導体リレー装置へ要求される特性は、半導体リレー装置の特に出力半導体素子部の高耐圧、高温度、低損失特性に依存するところが大きい。   In recent semiconductor relay devices, characteristics such as high voltage, high temperature operation, and low loss have been demanded in sophisticated automotive equipment and power saving household appliances. The characteristics required for such a semiconductor relay device largely depend on the high breakdown voltage, high temperature, and low loss characteristics of the semiconductor relay device, particularly the output semiconductor element portion.

従来この種の半導体リレー装置としては、例えば、特許文献1に示されるように、入力信号により電気信号を光信号に変換する発光素子と、この発光素子からの光信号を受光して所定の起電力を発生する受光素子とを備え、この起電力を基に出力用MOSFETをオン、オフするものがある。この半導体リレー装置では、出力用半導体として、シリコンのMOSFET1段を備えている。しかし、この構成ではMOSFETの耐圧特性から1000Vを超える高耐圧のリレーを実現するのが困難であった。   Conventionally, as a semiconductor relay device of this type, for example, as disclosed in Patent Document 1, a light emitting element that converts an electric signal into an optical signal by an input signal and a light signal from the light emitting element are received and a predetermined start is made. And a light receiving element that generates electric power, and an output MOSFET is turned on and off based on the electromotive force. This semiconductor relay device has one silicon MOSFET as an output semiconductor. However, with this configuration, it has been difficult to realize a high breakdown voltage relay exceeding 1000 V due to the breakdown voltage characteristics of the MOSFET.

これに対し、高耐圧用の半導体リレー装置として、例えば参考文献2に示されるように、入力信号に応じて光信号を発光する2つのLEDと、この光信号を受光して起電力を発生する8つフォトダイオードアレイと、この受光素子の両端に接続された8つの制御回路と、この制御回路により制御される8つの耐圧750V級の二重拡散電界効果型トランジスタ(Double−diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:以下、単にDMOSFETと呼ぶ。)と、各DMOSFETのゲートを保護するための保護ダイオードとから構成される半導体リレー装置が知られている。   On the other hand, as a semiconductor relay device for high withstand voltage, for example, as shown in Reference Document 2, two LEDs that emit an optical signal according to an input signal and an electromotive force are generated by receiving the optical signal. Eight photodiode arrays, eight control circuits connected to both ends of the light receiving element, and eight withstand voltage 750 V class double diffusion field effect type transistors (Double-diffused Metal Oxide Semiconductor Fielder) controlled by the control circuit 2. Description of the Related Art A semiconductor relay device is known that includes an effect transistor (hereinafter simply referred to as a DMOSFET) and a protective diode for protecting the gate of each DMOSFET.

この構成の半導体リレー装置においては、8つのMOSFETを用いて、4つの直列接続されたDMOSFET結合回路を2組設け、これらのDMOSFET結合回路は互いに逆直列になるようにそれらのソース同士が互いに接続され、両ドレインから半導体リレー出力が取り出される。また、各DMOSFETのゲート・ソース間には保護ダイオード、制御回路及びフォトダイオードアレイがそれぞれ並列に接続されている。このように、上記参考文献2の半導体リレーは、耐圧750V級のDMOSFETを4個直列に接続することにより3000Vの耐圧を得ている。   In the semiconductor relay device of this configuration, eight sets of four DMOSFET coupling circuits connected in series are provided using eight MOSFETs, and their sources are connected to each other so that these DMOSFET coupling circuits are in reverse series with each other. The semiconductor relay output is taken out from both drains. A protective diode, a control circuit, and a photodiode array are connected in parallel between the gate and source of each DMOSFET. As described above, the semiconductor relay of Reference Document 2 has a breakdown voltage of 3000 V by connecting four DMOSFETs having a breakdown voltage of 750 V in series.

しかしながら、この半導体リレーは、DMOSFET結合回路においてDMOSFETを各4個必要とし、これに伴いそれぞれのDMOSFETにフォトダイオードアレイ、制御回路、及び保護ダイオードを必要とし、部品点数が増え、回路構成が複雑になると共に、実装のスペースを広く必要とし、コスト高となっていた。   However, this semiconductor relay requires four DMOSFETs each in the DMOSFET coupling circuit, and accordingly, each DMOSFET requires a photodiode array, a control circuit, and a protection diode, increasing the number of parts and making the circuit configuration complicated. At the same time, a large amount of mounting space is required, resulting in high costs.

また、他の従来例として、参考文献3に示されるように、2つのLEDと、2つの誘電体分離チップよりなり、各誘電体分離チップは、誘電体分離された基板の周辺部分に直列接続されて形成された4個のDMOSFETと、基板の中央部分に形成されLEDの出力光を受光するDMOSFETと同数のフォトダイオードアレイとを備え、このフォトダイオードアレイとシャント抵抗とをそれぞれDMOSFETのソース・ゲート間に並列に接続した半導体リレーが知られている。この半導体リレーは、各部品を2つの誘電体分離チップに形成することにより、実装部品点数を削減しているが、この場合においても、DMOSFET、及びこれらにそれぞれ接続されるフォトダイオードアレイとシャント抵抗などチップ内の必要回路素子数は変らず、誘電体分離チップサイズの削減にも限界があった。また、高耐圧のハイパワー回路を小さくするほど、発熱のための放熱板等の冷却装置を装着する必要があり、この冷却装置によりリレー装置全体が大型化するという問題があった。
米国特許第4268843号明細書 特開2005−65150号公報 特開2005−252909号公報
As another conventional example, as shown in Reference 3, it is composed of two LEDs and two dielectric separation chips, and each dielectric separation chip is connected in series to the peripheral portion of the dielectric separated substrate. The four DMOSFETs formed in this manner and the same number of photodiode arrays as the DMOSFETs formed in the central portion of the substrate for receiving the output light of the LED, and the photodiode arrays and the shunt resistors are respectively connected to the source and source of the DMOSFETs. A semiconductor relay connected in parallel between gates is known. In this semiconductor relay, the number of mounting parts is reduced by forming each part on two dielectric isolation chips, but in this case as well, the DMOSFET, the photodiode array connected to each of them, and the shunt resistor are reduced. The number of necessary circuit elements in the chip did not change, and there was a limit in reducing the size of the dielectric isolation chip. In addition, a cooling device such as a heat radiating plate for heat generation needs to be installed as the high voltage circuit with a high withstand voltage is reduced, and there is a problem that the entire relay device is enlarged by this cooling device.
U.S. Pat. No. 4,268,883 JP 2005-65150 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-252909

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、半導体リレーの出力素子であるMOSFETを、これまで使用されていたSi材料で作製したMOSFETではなくSiC材料で作製したMOSFETを用いることにより、より高い高温における使用を可能とすると共に、より少ない出力半導体素子数で高電圧特性を実現し、コンパクトで高耐圧、高温特性の極めて優れた半導体リレー装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problem. A MOSFET that is an output element of a semiconductor relay uses a MOSFET made of a SiC material instead of a MOSFET made of a Si material that has been used so far. The purpose of the present invention is to provide a semiconductor relay device that can be used at a higher temperature and realizes a high voltage characteristic with a smaller number of output semiconductor elements, and is compact, has a high withstand voltage, and has an extremely excellent high temperature characteristic. .

上記目的を達成するために請求項1の発明は、入力信号に応答して光信号を出力する発光素子と、前記発光素子からの光信号を受光して所定電圧を発生するフォトダイオードアレイと、前記フォトダイオードアレイによる発生電圧を充放電する充放電回路と、前記充放電回路により制御される出力用MOSFETとを備え、前記入力信号に応答して前記出力用MOSFETを開閉する半導体リレー装置において、前記出力用MOSFETは炭化珪素(SiC)により構成されているものである。   In order to achieve the above object, the invention of claim 1 includes a light emitting element that outputs an optical signal in response to an input signal, a photodiode array that receives the optical signal from the light emitting element and generates a predetermined voltage, In a semiconductor relay device comprising a charge / discharge circuit for charging / discharging a voltage generated by the photodiode array, and an output MOSFET controlled by the charge / discharge circuit, and opening / closing the output MOSFET in response to the input signal, The output MOSFET is made of silicon carbide (SiC).

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、前記フォトダイオードアレイは、20個以上直列に接続されたものである。   According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor relay device according to the first aspect, 20 or more photodiode arrays are connected in series.

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、前記フォトダイオードアレイと逆方向に並列に、1個以上の直列接続されたダイオードが形成されたものである。   According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor relay device according to the first aspect, one or more diodes connected in series are formed in parallel with the photodiode array in the opposite direction.

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、前記直列接続のダイオードは、前記フォトダイオードアレイと前記充放電回路との間に並列に接続されているものである。   According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor relay device according to the third aspect, the series-connected diodes are connected in parallel between the photodiode array and the charge / discharge circuit.

請求項5の発明は、請求項3に記載の半導体リレー装置において、前記直列接続のダイオードは、前記充放電回路と前記出力用MOSFETとの間に並列に接続されているものである。   According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor relay device according to the third aspect, the series-connected diodes are connected in parallel between the charge / discharge circuit and the output MOSFET.

請求項6の発明は、請求項3乃至請求項5のいずれか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アレイと並列に接続されたダイオードがポリシリコンで形成され、前記ダイオード、フォトダイオードアレイ及び充放電回路が一体化されて形成されているものである。   According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor relay device according to any one of the third to fifth aspects, a diode connected in parallel to the photodiode array is formed of polysilicon, and the diode, the photodiode array, and The charge / discharge circuit is integrated and formed.

請求項7の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の半導体リレー装置において、前記出力用MOSFETは、2個のMOSFETを逆直列に接続したMOSFETとするものである。   According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor relay device according to any one of the first to sixth aspects, the output MOSFET is a MOSFET in which two MOSFETs are connected in reverse series.

請求項1の発明によれば、Si材料での性能限界を超えた性能を持つ高耐圧、高熱伝導、高効率のパワーデバイスである炭化珪素(SiC)で構成される出力用MOSFETを用いるので、従来のSi半導体のMOSFETを用いた半導体リレー装置に比べ、より高耐電圧、高耐熱、低損失の小型、高性能の半導体リレー装置を得ることができる。   According to the invention of claim 1, since an output MOSFET composed of silicon carbide (SiC), which is a power device with high breakdown voltage, high thermal conductivity, and high efficiency, having performance exceeding the performance limit of Si material is used. Compared to a conventional semiconductor relay device using a Si semiconductor MOSFET, a compact, high-performance semiconductor relay device with higher withstand voltage, high heat resistance, and low loss can be obtained.

請求項2の発明によれば、大きい所定電圧が得られるので、この所定電圧により高い制御電圧を必要とするSiC−MOSFETを確実に駆動することができる。   According to the invention of claim 2, since a large predetermined voltage is obtained, the SiC-MOSFET that requires a high control voltage can be reliably driven by this predetermined voltage.

請求項3の発明によれば、ダイオードのツェナー作用により、SiC−MOSFETに印加される制御電圧が必要以上に高くならないよう制限されるので、SiC−MOSFETに大きな電界ストレスが掛からなくなり、出力デバイスのSiC−MOSFETを過電圧から保護し、半導体リレー装置の信頼性を高めることができる。   According to the invention of claim 3, since the control voltage applied to the SiC-MOSFET is limited by the Zener action of the diode so that it is not higher than necessary, a large electric field stress is not applied to the SiC-MOSFET, and the output device The SiC-MOSFET can be protected from overvoltage, and the reliability of the semiconductor relay device can be improved.

請求項4の発明によれば、フォトダイオードアレイは、直接接続されたダイオードのツェナー作用によりフォトダイオードアレイの出力電圧が直ぐに電圧制限されるので、フォトダイオードアレイからの出力をより高速に一定の値に安定化でき、SiC−MOSFETもより速く安定化することができる。   According to the invention of claim 4, in the photodiode array, the output voltage of the photodiode array is immediately limited by the Zener action of the directly connected diodes, so that the output from the photodiode array becomes a constant value at a higher speed. The SiC-MOSFET can also be stabilized more quickly.

請求項5の発明によれば、SiC−MOSFETのゲート電圧がゲートに直接接続されたダイオードのツェナー作用により電圧制限されるので、より確実にゲートに安全な電圧を印加することができる。   According to the fifth aspect of the present invention, the gate voltage of the SiC-MOSFET is limited by the Zener action of the diode directly connected to the gate, so that a safe voltage can be more reliably applied to the gate.

請求項6の発明によれば、フォトダイオードアレイと並列に接続されたダイオードを、ポリシリコンで形成することにより半導体基板上に平面的に構成することができるので、半導体基板内に形成する必要がなくなり、同一半導体基板内に素子形成する際に通常発生する寄生素子などの影響が排除されることにより、各回路素子の動作特性における信頼性が向上する。また、ダイオード、フォトダイオードアレイ及び充放電回路が一体化形成されるのでチップサイズの縮小化、プロセスの簡易化が図れ、半導体リレー装置の回路構成をコンパクトにすることができる。   According to the invention of claim 6, since the diode connected in parallel with the photodiode array can be planarly formed on the semiconductor substrate by forming it with polysilicon, it is necessary to form it in the semiconductor substrate. This eliminates the influence of parasitic elements or the like that normally occur when elements are formed on the same semiconductor substrate, thereby improving the reliability of the operation characteristics of each circuit element. In addition, since the diode, the photodiode array, and the charge / discharge circuit are integrally formed, the chip size can be reduced, the process can be simplified, and the circuit configuration of the semiconductor relay device can be made compact.

請求項7の発明によれば、半導体リレー装置の出力端子となる2つの出力用SiC−MOSFETの両ドレイン端子が負荷側から視て対称になるので、出力用SiC−MOSFET1個では出力端子となるドレインとソースを負荷の高電位側と低電位側に対応させて接続する必要があることから直流負荷しかスイッチングできなかった半導体リレー装置が、本構成では交流負荷をもスイッチングできるようになる。これにより、半導体リレー装置と負荷との接続に極性がなくなり、接続の自由度が増し、ユーザの利便性が向上する。   According to the invention of claim 7, since both drain terminals of the two output SiC-MOSFETs which are output terminals of the semiconductor relay device are symmetric when viewed from the load side, one output SiC-MOSFET is an output terminal. Since it is necessary to connect the drain and the source corresponding to the high potential side and the low potential side of the load, the semiconductor relay device that can only switch the DC load can also switch the AC load in this configuration. Thereby, there is no polarity in the connection between the semiconductor relay device and the load, the degree of freedom of connection is increased, and the convenience for the user is improved.

以下、本発明の一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。本実施形態における半導体リレー装置は、入力信号に応答して光信号を出力する発光ダイオード1(LED、発光素子)と、このLED1からの光信号を受光して所定電圧を発生するフォトダイオードアレイ2(受光素子)と、このフォトダイオードアレイ2による発生電圧を充放電する充放電回路3と、この充放電回路3からの制御電圧によりオン、オフされる炭化珪素(SiC)を材料とする出力用MOSFET4(SiC−MOSFETと呼ぶ)とを備える。   Hereinafter, a semiconductor relay device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The semiconductor relay device in this embodiment includes a light emitting diode 1 (LED, light emitting element) that outputs an optical signal in response to an input signal, and a photodiode array 2 that receives the optical signal from the LED 1 and generates a predetermined voltage. (Light receiving element), charge / discharge circuit 3 for charging / discharging the voltage generated by the photodiode array 2, and silicon carbide (SiC) that is turned on / off by a control voltage from the charge / discharge circuit 3 for output MOSFET 4 (referred to as SiC-MOSFET).

LED1は、入力端子11、12からの入力信号により光信号を発光する。フォトダイオードアレイ2は、太陽電池であり、LED11よりの光信号を受光して起電力を誘起し、所定電圧を発生する。この所定電圧は、この所定電圧を充放電する充放電回路3に供給される。   The LED 1 emits an optical signal in response to input signals from the input terminals 11 and 12. The photodiode array 2 is a solar cell, receives an optical signal from the LED 11, induces an electromotive force, and generates a predetermined voltage. This predetermined voltage is supplied to the charge / discharge circuit 3 that charges and discharges the predetermined voltage.

充放電回路3は、電圧制御用のデプレッション型のMOSFET31及びエンハンスメント型のMOSFET32と、抵抗33とを備え、MOSFET31のドレインとゲートは、フォトダイオードアレイ2の高電位側と低電位側にそれぞれ接続される。MOSFET32のドレインとソースは、MOSFET31のソースとゲートにそれぞれ接続されると共に、抵抗33で短絡され、そのドレインとゲートは、短絡接続される。   The charging / discharging circuit 3 includes a depletion type MOSFET 31 and an enhancement type MOSFET 32 for voltage control, and a resistor 33. The drain and gate of the MOSFET 31 are connected to the high potential side and the low potential side of the photodiode array 2, respectively. The The drain and source of the MOSFET 32 are connected to the source and gate of the MOSFET 31, respectively, and are short-circuited by the resistor 33, and the drain and gate are short-circuited.

上記充放電回路3において、フォトダイオードアレイ2からの所定電圧が、MOSFET31のドレインとゲートに加えられると、MOSFET32がオフからオンになり、MOSFET31がオンからオフになる。この時、SiC−MOSFET4のゲート、ソース間に電位差が発生し、ゲートが充電され、上記SiC−MOSFET4が駆動する。次に、LED11からの光信号が遮断されると、上記と同様にして、MOSFET32がオンからオフとなり、MOSFET31がオフからオンとなる。これにより、SiC−MOSFET4のゲート、ソース間に電位差が消失し、ゲートが放電され、SiC−MOSFET4がオフ状態となる。この充放電回路3を設けたことにより、SiC−MOSFET4の充放電の切替がスムーズに行われる。   In the charge / discharge circuit 3, when a predetermined voltage from the photodiode array 2 is applied to the drain and gate of the MOSFET 31, the MOSFET 32 is turned on from off and the MOSFET 31 is turned off from on. At this time, a potential difference is generated between the gate and the source of the SiC-MOSFET 4, the gate is charged, and the SiC-MOSFET 4 is driven. Next, when the optical signal from the LED 11 is cut off, the MOSFET 32 is turned off and the MOSFET 31 is turned on from off in the same manner as described above. As a result, the potential difference between the gate and source of the SiC-MOSFET 4 disappears, the gate is discharged, and the SiC-MOSFET 4 is turned off. By providing this charging / discharging circuit 3, switching of charging / discharging of the SiC-MOSFET 4 is performed smoothly.

SiC−MOSFET4は、入力信号がオンにより発生した所定電圧に基づき、充放電回路3からの制御電圧がSiC−MOSFET4のゲートとソース間に加えられると、SiC−MOSFET4は導通状態となり、外部端子41、42間は導通され、リレーが閉じられる。入力信号がオフになると、充放電回路3からの制御電圧が無くなり、SiC−MOSFET4は非導通状態となり、外部端子41、42間は遮断され、リレーが開放される。   When the control voltage from the charge / discharge circuit 3 is applied between the gate and the source of the SiC-MOSFET 4 based on the predetermined voltage generated when the input signal is turned on, the SiC-MOSFET 4 becomes conductive, and the external terminal 41 , 42 are conducted, and the relay is closed. When the input signal is turned off, the control voltage from the charging / discharging circuit 3 is lost, the SiC-MOSFET 4 is turned off, the external terminals 41 and 42 are cut off, and the relay is opened.

ところで、上記SiC−MOSFET4は、炭素と珪素からなる化合物半導体の一種である炭化珪素(SiC)を半導体材料とする。この炭化珪素(SiC)は、Siに比べて、絶縁破壊電界が10倍以上大きくなると共に、熱伝導率が3倍、飽和電子速度が2倍大きいという多くの優れた特徴を持つ。また、SiCは、バンドギャップがSiに比べて約3倍と大きいため、SiCデバイスの動作温度が約400℃にも達し、Siデバイスの動作温度限界140℃に比べて格段に高い高温状態において使用可能である。また、SiC−MOSFET4は、絶縁破壊電界が高いことからシリコンのMOSFET(Si―MOSFETと呼ぶ)より極めて高い耐圧特性(例えば、1200V以上)を持ち、オン抵抗がSi半導体素子より2桁小さく、スイッチング速度が速いため、スイッチング素子に適している。   By the way, the SiC-MOSFET 4 uses silicon carbide (SiC), which is a kind of compound semiconductor made of carbon and silicon, as a semiconductor material. This silicon carbide (SiC) has many excellent features such as a dielectric breakdown electric field of 10 times or greater, Si thermal conductivity 3 times, and saturation electron velocity 2 times greater than Si. In addition, since SiC has a band gap that is about three times that of Si, the operating temperature of SiC devices reaches about 400 ° C, and it is used at a temperature that is much higher than the operating temperature limit of 140 ° C for Si devices. Is possible. Further, since the SiC-MOSFET 4 has a high dielectric breakdown electric field, it has an extremely high breakdown voltage characteristic (for example, 1200 V or more) compared to a silicon MOSFET (referred to as Si-MOSFET), and has an on-resistance that is two orders of magnitude smaller than that of a Si semiconductor element. Since the speed is high, it is suitable for a switching element.

上述のように本実施形態の半導体リレー装置は、出力用MOSFETとしてSi−MOSFETより優れた特長をもつ高耐圧、高耐熱、高効率、低損失のSiC−MOSFET4を用いたことにより、高耐圧用においては、直列接続する出力用MOSFET数をSi−MOSFETに比べて削減することができ、回路構成を簡素化、小規模化することができる。また、高温度使用においては、動作温度範囲が通常使用されているSi半導体の動作温度限界140℃に比べ、SiC半導体では約400℃まで動作可能となるので、高温対策用冷却装置の簡素化又は撤廃が可能となり、装置全体を小型化することができる。このようにSiC−MOSFET4を出力用MOSFETに用いたことにより、半導体リレー装置を著しく高耐圧化、高耐温化、省電力化、及び小型化することできる。   As described above, the semiconductor relay device of the present embodiment uses a high breakdown voltage, high heat resistance, high efficiency, low loss SiC-MOSFET 4 having features superior to Si-MOSFET as an output MOSFET. The number of output MOSFETs connected in series can be reduced as compared with Si-MOSFETs, and the circuit configuration can be simplified and reduced in size. In addition, when operating at high temperatures, the operating temperature range can be up to about 400 ° C. compared to the operating temperature limit of 140 ° C. for Si semiconductors that are normally used. It can be eliminated and the entire device can be downsized. As described above, by using the SiC-MOSFET 4 as the output MOSFET, the semiconductor relay device can be remarkably increased in breakdown voltage, increased in temperature resistance, reduced in power consumption, and reduced in size.

図2は本発明の第2の実施形態に係る半導体リレー装置の構成を示す。本実施形態は、第1の実施形態において、フォトダイオードアレイ2を20個のフォトダイオードを直列に接続して構成し、さらに、このフォトダイオードアレイ2と充放電回路3との間に、フォトダイオードアレイ2と逆方向に並列に、ツェナーダイオード5を接続したものである。図2において、上記第1の実施形態の部材と同等部材には同一符号を付している。   FIG. 2 shows a configuration of a semiconductor relay device according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, in the first embodiment, the photodiode array 2 is configured by connecting 20 photodiodes in series, and further, between the photodiode array 2 and the charge / discharge circuit 3, a photodiode is arranged. A zener diode 5 is connected in parallel with the array 2 in the opposite direction. In FIG. 2, the same members as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

本実施形態の半導体リレー装置は、入力信号に応答して光信号を出力する発光ダイオード1(LED)と、このLED1からの光信号を受光して起電力を発生するフォトダイオードアレイ2と、このフォトダイオードアレイ2の出力電圧を電圧制限する電圧制限用のツェナーダイオード5と、このツェナーダイオード5からの出力電圧を充放電する充放電回路3と、この充放電回路3からの制御電圧によりオン、オフされる出力用のSiC−MOSFET4とを備える。さらに、ツェナーダイオード5は、ポリシリコンで形成され、フォトダイオードアレイ2、充放電回路3と一体化されて形成されている。   The semiconductor relay device of this embodiment includes a light emitting diode 1 (LED) that outputs an optical signal in response to an input signal, a photodiode array 2 that receives an optical signal from the LED 1 and generates an electromotive force, A voltage limiting Zener diode 5 for limiting the output voltage of the photodiode array 2; a charging / discharging circuit 3 for charging / discharging the output voltage from the Zener diode 5; and a control voltage from the charging / discharging circuit 3; The output SiC-MOSFET 4 is turned off. Further, the Zener diode 5 is made of polysilicon and is formed integrally with the photodiode array 2 and the charge / discharge circuit 3.

このSiC−MOSFET4では、そのバルク抵抗成分は小さいが、チャンネル抵抗成分が大きいので、SiC−MOSFET4のトータルの抵抗を小さくするために、Si−MOSFETと比べて大きなゲート電圧で駆動することにより、チャンネル抵抗成分を小さくする必要がある。また、このチャンネル抵抗成分を小さくするためには、半導体リレー装置の出力素子のSiC―MOSFET4を確実に駆動させるゲート電圧が必要であり、このため大きな出力電圧を発生できる太陽電池を必要とする。例えば、Si−MOSFETの駆動の場合は、ゲート電圧が5V程度で十分であるが、SiC―MOSFETの駆動には、10V以上のゲート電圧が必要となる。   In this SiC-MOSFET 4, the bulk resistance component is small, but the channel resistance component is large. Therefore, in order to reduce the total resistance of the SiC-MOSFET 4, the channel is driven by a gate voltage larger than that of the Si-MOSFET. It is necessary to reduce the resistance component. Further, in order to reduce the channel resistance component, a gate voltage that reliably drives the SiC-MOSFET 4 of the output element of the semiconductor relay device is required, and thus a solar cell that can generate a large output voltage is required. For example, in the case of driving a Si-MOSFET, a gate voltage of about 5V is sufficient, but for driving a SiC-MOSFET, a gate voltage of 10V or more is required.

そこで、上記フォトダイオードアレイ2は、10V以上のゲート電圧を得るためフォトダイオードを20個以上直列に接続した太陽電池で構成される。通常、フォトダイオードは、常温において約0.7Vの起電力を発生するので、フォトダイオードアレイ2は、フォトダイオードを20個直列接続して、約14Vの起電力を発生し、SiC―MOSFET4を確実に駆動するようにしている。   Therefore, the photodiode array 2 is composed of solar cells in which 20 or more photodiodes are connected in series in order to obtain a gate voltage of 10 V or more. Usually, a photodiode generates an electromotive force of about 0.7 V at room temperature. Therefore, the photodiode array 2 generates an electromotive force of about 14 V by connecting 20 photodiodes in series, and the SiC-MOSFET 4 is reliably connected. To drive.

このフォトダイオードアレイ2を構成するフォトダイオードの電圧は、一般に低温において電圧が上昇し、高温において電圧が低下する(一般に、Siでは約−2.3mV/℃の温度傾斜を持つ)。このため、高温時と低温時において、起電力の差が大きく変化し、低温時には、フォトダイオードアレイ2の出力電圧が増大し、過大な電圧がSiC―MOSFET4のゲートに印加され、ゲートに大きな電界ストレスを与え、信頼性に問題を起こす危険がある。また、高温時には、ゲート電圧が過小電圧となり、SiC―MOSFET4を確実に駆動できない虞がある。   The voltage of the photodiodes constituting the photodiode array 2 generally increases at a low temperature and decreases at a high temperature (generally, Si has a temperature gradient of about −2.3 mV / ° C.). For this reason, the difference in electromotive force greatly changes between high temperature and low temperature, and at low temperature, the output voltage of the photodiode array 2 increases, and an excessive voltage is applied to the gate of the SiC-MOSFET 4 to generate a large electric field at the gate. Risk of stress and problems with reliability. Further, when the temperature is high, the gate voltage becomes too low, and there is a possibility that the SiC-MOSFET 4 cannot be driven reliably.

そこで、フォトダイオードアレイ2には、低温で上昇するゲート電圧を制限するため、逆方向に並列に電圧を制限するツェナーダイオード5が接続されている。この場合のフォトダイオードアレイ2の出力電圧Eoと温度Tの関係を図3に示す。図3において、ラインL1はフォトダイオードアレイ2の出力電圧Eoの温度変化を示し、点線のラインL2はラインL1が電圧制限されない場合のラインL1の延長線を示し、ラインL3はツェナーダイオード5で15Vに電圧制限された出力電圧Eoを示し、ラインL1の出力電圧Eoが15Vを示す点Aから低温側に一定レベルのラインとなる。   Therefore, in order to limit the gate voltage that rises at a low temperature, a Zener diode 5 that limits the voltage in parallel in the reverse direction is connected to the photodiode array 2. The relationship between the output voltage Eo of the photodiode array 2 and the temperature T in this case is shown in FIG. In FIG. 3, a line L1 indicates a temperature change of the output voltage Eo of the photodiode array 2, a dotted line L2 indicates an extension of the line L1 when the voltage of the line L1 is not limited, and a line L3 is 15V at the Zener diode 5. Is a voltage-limited output voltage Eo, and becomes a line at a constant level from the point A where the output voltage Eo of the line L1 indicates 15 V to the low temperature side.

図3に示すように、出力電圧Eoは、常温Taでは約14Vとなり、低温Tb(常温Taより約130℃低い)では、ラインL1の延長上の点線のラインL2に示すようにツェナーダイオード5で制限されない場合は、出力電圧Eoは、温度TbとラインL2との交点Bにおける電圧約20Vまで上昇する。ここで、ツェナーダイオード5を導入することにより、出力電圧Eoは約15V以下に制限されるので、SiC―MOSFET4を安全に駆動することができる。一方、高温Tc(常温Taより約90℃高い)では、約10Vまで低下するが、SiC―MOSFET4の駆動ゲート電圧は約10Vあればよいので、SiC―MOSFET4を確実に駆動することができる。このように、常温時のフォトダイオードアレイ2の出力電圧を約14Vとして、SiC―MOSFET4の駆動可能ゲート電圧10Vより高目に設定すると共に、ツェナーダイオード5を設けたことにより、高温時でも低温時でも駆動電圧範囲を確保し、確実に、安定にSiC―MOSFET4を駆動することができる。   As shown in FIG. 3, the output voltage Eo is about 14 V at room temperature Ta, and at a low temperature Tb (about 130 ° C. lower than room temperature Ta), the zener diode 5 is used as shown by the dotted line L2 on the extension of the line L1. When not limited, the output voltage Eo rises to a voltage of about 20 V at the intersection B between the temperature Tb and the line L2. Here, by introducing the Zener diode 5, the output voltage Eo is limited to about 15V or less, so that the SiC-MOSFET 4 can be safely driven. On the other hand, at a high temperature Tc (about 90 ° C. higher than the room temperature Ta), the voltage drops to about 10 V. However, since the drive gate voltage of the SiC-MOSFET 4 only needs to be about 10 V, the SiC-MOSFET 4 can be driven reliably. In this way, the output voltage of the photodiode array 2 at room temperature is set to about 14V, and is set higher than the driveable gate voltage 10V of the SiC-MOSFET 4, and the Zener diode 5 is provided, so that the output voltage is high or low. However, the drive voltage range is ensured, and the SiC-MOSFET 4 can be driven reliably and stably.

また、ツェナーダイオード5は、電圧制限作用のあるダイオードであれば、どのようなダイオードでもよく、また、ダイオードは複数個直列に接続されたものを用いてもよい。また、ツェナーダイオード5は、加工性の良いポリシリコンを材料に使用することにより、単結晶シリコンよりも高精度にツェナー電圧を形成できる。さらに、このツェナーダイオード5は、ポリシリコンで形成されることにより、半導体基板上に平面的に形成されるので、半導体基板内に形成する必要がなく、同一半導体基板内に素子形成する際に通常問題となる寄生素子などの影響が排除され、リレー動作特性における信頼性を向上することができる。また、ツェナーダイオード5、フォトダイオードアレイ2、及び充放電回路3の一体化形成によりチップサイズの縮小化、プロセスの簡易化が図れ、リレー装置の回路構成をコンパクトにできる。   Further, the Zener diode 5 may be any diode as long as it has a voltage limiting action, and a plurality of diodes connected in series may be used. In addition, the Zener diode 5 can form a Zener voltage with higher accuracy than single crystal silicon by using polysilicon with good workability as a material. Further, since the Zener diode 5 is formed of polysilicon and is formed in a plane on the semiconductor substrate, it is not necessary to form it in the semiconductor substrate, and is usually used when forming an element in the same semiconductor substrate. The influence of the parasitic element which becomes a problem is eliminated, and the reliability in the relay operation characteristics can be improved. Further, by integrating the Zener diode 5, the photodiode array 2, and the charge / discharge circuit 3, the chip size can be reduced and the process can be simplified, and the circuit configuration of the relay device can be made compact.

上記のように、本実施形態によれば、フォトダイオードアレイ2にフォトダイオードを20個以上直列にして形成すると共に、フォトダイオードアレイ2に逆方向に並列にツェナーダイオード5と接続することにより、低温時、高温時においても確実に出力用のSiC―MOSFET4を駆動でき、信頼性の高い半導体リレー装置を形成することができる。   As described above, according to the present embodiment, 20 or more photodiodes are formed in series in the photodiode array 2 and connected to the Zener diode 5 in parallel in the opposite direction to the photodiode array 2. Even when the temperature is high, the output SiC-MOSFET 4 can be reliably driven, and a highly reliable semiconductor relay device can be formed.

図4は本発明の第3の実施形態に係る半導体リレー装置の構成を示す。本実施形態は、第2の実施形態において、ツェナーダイオード5が、充放電回路3と出力用のSiC−MOSFET4との間に逆方向に並列に接続されているものである。   FIG. 4 shows a configuration of a semiconductor relay device according to the third embodiment of the present invention. In the second embodiment, the Zener diode 5 is connected in parallel in the opposite direction between the charge / discharge circuit 3 and the output SiC-MOSFET 4 in the second embodiment.

本実施形態の半導体リレー装置は、入力信号に応答して光信号を出力する発光ダイオード1(LED)と、このLED1からの光信号を受光して所定電圧を発生するフォトダイオードアレイ2と、このフォトダイオードアレイ2による発生する所定電圧を充放電する充放電回路3と、この充放電回路3からの制御電圧を電圧制限する電圧制限用のツェナーダイオード5と、電圧制限された制御電圧によりオン、オフされる出力用MOSFETであるSiC−MOSFET4とを備える。   The semiconductor relay device of this embodiment includes a light emitting diode 1 (LED) that outputs an optical signal in response to an input signal, a photodiode array 2 that receives the optical signal from the LED 1 and generates a predetermined voltage, ON / OFF by a charge / discharge circuit 3 for charging / discharging a predetermined voltage generated by the photodiode array 2, a voltage limiting Zener diode 5 for limiting the control voltage from the charging / discharging circuit 3, and a voltage limited control voltage, And an SiC-MOSFET 4 which is an output MOSFET to be turned off.

上記構成により、本実施形態の半導体リレー装置では、SiC−MOSFETのゲート電圧が、ゲートに逆方向に並列に接続されたダイオードにより直接電圧制限されるので、より確実にゲート電圧を制限でき、SiC−MOSFETを安定に制御することができ、より信頼性の高い半導体リレー装置を形成することができる。   With the above configuration, in the semiconductor relay device of the present embodiment, the gate voltage of the SiC-MOSFET is directly limited by the diode connected in parallel to the gate in the reverse direction, so that the gate voltage can be more reliably limited, -The MOSFET can be stably controlled, and a more reliable semiconductor relay device can be formed.

図5は本発明の第4の実施形態に係る半導体リレー装置の構成を示す。本実施形態は、第2の実施形態において、出力用MOSFETを2個の逆直列に接続されたSiC−MOSFETとしたものである。   FIG. 5 shows a configuration of a semiconductor relay device according to the fourth embodiment of the present invention. This embodiment is the same as the second embodiment except that the output MOSFETs are two SiC-MOSFETs connected in anti-series.

本実施形態の半導体リレー装置は、入力信号に応答して光信号を出力するLED1と、このLED1からの光信号を受光して起電力を発生するフォトダイオードアレイ2と、このフォトダイオードアレイ2により発生する起電力を電圧制限する電圧制限用のツェナーダイオード5と、このツェナーダイオード5の出力を充放電する充放電回路3と、この充放電回路3からの制御電圧によりオン、オフされる出力用のSiC−MOSFET4とを有し、このSiC−MOSFET4は、2個の逆直列に接続されたSiC−MOSFET4a、4bを備える。   The semiconductor relay device of this embodiment includes an LED 1 that outputs an optical signal in response to an input signal, a photodiode array 2 that receives an optical signal from the LED 1 and generates an electromotive force, and the photodiode array 2. A voltage limiting Zener diode 5 for limiting the generated electromotive force, a charging / discharging circuit 3 for charging / discharging the output of the Zener diode 5, and an output for turning on / off by a control voltage from the charging / discharging circuit 3. The SiC-MOSFET 4 includes two SiC-MOSFETs 4a and 4b connected in reverse series.

この逆直列に接続されたSiC−MOSFET4a、4bは、両ソース端子を接続して共通端子とし、各ドレインは半導体リレー装置の外部端子41、42に接続されている。また、SiC−MOSFET4a、4bの両ゲート端子には共に充放電回路3の高電位側が接続され、両ソース端子には充放電回路3の低電位側が接続される。この構成により、出力用のSiC−MOSFETが1個の場合に比較して、リレー装置の両端41,42が共に、SiC−MOSFET4a、4bのドレイン端子側に接続されて、負荷側から視て対称となっているので、この半導体リレー装置は交流負荷をスイッチングすることが可能となる。   In the SiC-MOSFETs 4a and 4b connected in reverse series, both source terminals are connected to be a common terminal, and each drain is connected to the external terminals 41 and 42 of the semiconductor relay device. The high potential side of the charge / discharge circuit 3 is connected to both gate terminals of the SiC-MOSFETs 4a and 4b, and the low potential side of the charge / discharge circuit 3 is connected to both source terminals. With this configuration, both ends 41 and 42 of the relay device are both connected to the drain terminal side of the SiC-MOSFETs 4a and 4b, and are symmetric as viewed from the load side, as compared with the case where there is one output SiC-MOSFET. Therefore, this semiconductor relay device can switch an AC load.

上述した各種実施形態に係る半導体リレー装置によれば、出力用MOSFETとしてSi−MOSFETより優れた高耐圧、高耐熱、高効率、低損失の特性を持つSiC−MOSFET4を用いたことにより、高耐圧用リレーにおいては、出力半導体素子数を削減でき、回路構成を簡素化、小規模化することができる。また、高温度使用においては、動作温度範囲を通常使用されているSi半導体の動作温度限界比べ、格段に高温化でき、これにより冷却装置の簡素化又は撤廃が可能となり、装置全体を小型化できる。このように、SiC−MOSFET4を用いたことにより、半導体リレー装置を著しく高耐圧化、高温化、省電力化、及び小型化できる。   According to the semiconductor relay device according to the various embodiments described above, the use of the SiC-MOSFET 4 having the characteristics of high breakdown voltage, high heat resistance, high efficiency, and low loss superior to that of the Si-MOSFET as the output MOSFET results in high breakdown voltage. In the relay, the number of output semiconductor elements can be reduced, and the circuit configuration can be simplified and reduced in size. In addition, when operating at high temperatures, the operating temperature range can be significantly increased compared to the operating temperature limits of Si semiconductors that are normally used. This makes it possible to simplify or eliminate the cooling device and to reduce the size of the entire device. . As described above, by using the SiC-MOSFET 4, the semiconductor relay device can be remarkably increased in breakdown voltage, increased in temperature, reduced in power consumption, and reduced in size.

また、フォトダイオードアレイにフォトダイオードを20個以上直列に形成すると共に、フォトダイオードアレイに逆方向に並列にツェナーダイオードを接続することにより、低温時、高温時においても確実に出力用のSiC―MOSFETを駆動でき、信頼性の高い半導体リレー装置を形成することができる。   In addition, by forming 20 or more photodiodes in series in the photodiode array and connecting a Zener diode in parallel to the photodiode array in the reverse direction, the SiC-MOSFET for output can be reliably output at low and high temperatures. A highly reliable semiconductor relay device can be formed.

また、ツェナーダイオードをポリシリコンで形成することにより、ツェナーダイオードが半導体基板上に平面的に形成されるので、同一半導体基板内に回路素子形成する際に問題となる寄生素子などの影響が排除され、リレー動作特性における信頼性が向上する。また、ツェナーダイオード、フォトダイオードアレイ、及び充放電回路の一体化形成によりチップサイズの縮小化、プロセスの簡易化が図れると共に、リレー装置の回路構成をコンパクトにできる。   In addition, by forming the Zener diode with polysilicon, the Zener diode is planarly formed on the semiconductor substrate, thereby eliminating the influence of parasitic elements and the like that cause problems when forming circuit elements on the same semiconductor substrate. The reliability in the relay operation characteristics is improved. In addition, the integrated formation of the Zener diode, the photodiode array, and the charge / discharge circuit can reduce the chip size and simplify the process, and can make the circuit configuration of the relay device compact.

また、出力用SiC−MOSFETを2個の逆直列に接続して構成することにより、交流負荷をもスイッチングできるようになり、半導体リレーと負荷との接続に極性がなくなり、接続の自由度が増す。   Further, by configuring the output SiC-MOSFETs to be connected in two anti-series, the AC load can be switched, the polarity between the connection of the semiconductor relay and the load is eliminated, and the degree of freedom of connection is increased. .

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。ツェナーダイオードは、電圧制限作用するダイオードであればツェナーダイオード以外の他のダイオードでもよく、また、LEDを複数個使用することにより、光信号を増強することもできる。また、SiC−MOSFETを複数個直列に形成することにより、さらに大きい耐圧を持つ半導体リレー装置を形成することができる。   The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. The Zener diode may be a diode other than the Zener diode as long as it is a voltage-limiting diode, and the optical signal can be enhanced by using a plurality of LEDs. In addition, by forming a plurality of SiC-MOSFETs in series, a semiconductor relay device having a higher breakdown voltage can be formed.

本発明の第1の実施形態に係る半導体リレー装置の回路構成図。The circuit block diagram of the semiconductor relay apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る半導体リレー装置の回路構成図。The circuit block diagram of the semiconductor relay apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 上記装置におけるフォトダイオードアレイの出力電圧の温度特性を示す図。The figure which shows the temperature characteristic of the output voltage of the photodiode array in the said apparatus. 本発明の第3の実施形態に係る半導体リレー装置の回路構成図。The circuit block diagram of the semiconductor relay apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る半導体リレー装置の回路構成図。The circuit block diagram of the semiconductor relay apparatus which concerns on the 4th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 発光ダイオード(発光素子)
2 フォトダイオードアレイ(受光素子)
3 充放電回路
4、4a、4b SiC−MOSFET(出力用MOSFET)
5 ツェナーダイオード(ダイオード)
1 Light-emitting diode (light-emitting element)
2 Photodiode array (light receiving element)
3 Charge / Discharge Circuit 4, 4a, 4b SiC-MOSFET (Output MOSFET)
5 Zener diode (diode)

Claims (7)

入力信号に応答して光信号を出力する発光素子と、前記発光素子からの光信号を受光して所定電圧を発生するフォトダイオードアレイと、前記フォトダイオードアレイによる発生電圧を充放電する充放電回路と、前記充放電回路により制御される出力用MOSFETとを備え、前記入力信号に応答して前記出力用MOSFETを開閉する半導体リレー装置において、
前記出力用MOSFETは炭化珪素(SiC)により構成されていることを特徴とする半導体リレー装置。
A light emitting element that outputs an optical signal in response to an input signal, a photodiode array that receives an optical signal from the light emitting element and generates a predetermined voltage, and a charge / discharge circuit that charges and discharges a voltage generated by the photodiode array And an output MOSFET controlled by the charge / discharge circuit, and a semiconductor relay device that opens and closes the output MOSFET in response to the input signal,
The output MOSFET is made of silicon carbide (SiC), and is a semiconductor relay device.
前記フォトダイオードアレイは、20個以上のフォトダイオードを直列に接続され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。   The semiconductor relay device according to claim 1, wherein the photodiode array includes 20 or more photodiodes connected in series. 前記フォトダイオードアレイと逆方向に並列に、1個以上の直列接続のダイオードが接続され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。   2. The semiconductor relay device according to claim 1, wherein one or more diodes connected in series are connected in parallel in the opposite direction to the photodiode array. 前記直列接続のダイオードは、前記フォトダイオードアレイと前記充放電回路との間に並列に接続されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体リレー装置。   4. The semiconductor relay device according to claim 3, wherein the series-connected diodes are connected in parallel between the photodiode array and the charge / discharge circuit. 前記直列接続のダイオードは、前記充放電回路と前記出力用MOSFETとの間に並列に接続されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体リレー装置。   The semiconductor relay device according to claim 3, wherein the series-connected diodes are connected in parallel between the charge / discharge circuit and the output MOSFET. 前記フォトダイオードアレイと並列に接続されたダイオードがポリシリコンで形成され、前記ダイオード、フォトダイオードアレイ及び充放電回路が一体化されて形成されていることを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれかに記載の半導体リレー装置。   6. The diode connected in parallel with the photodiode array is formed of polysilicon, and the diode, the photodiode array, and a charge / discharge circuit are formed integrally. The semiconductor relay apparatus in any one. 前記出力用MOSFETは、2個の逆直列に接続されたMOSFETとすることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の半導体リレー装置。   The semiconductor relay device according to claim 1, wherein the output MOSFET is two MOSFETs connected in anti-series.
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