JP2007201169A

JP2007201169A - 光結合型半導体装置、及びそれを用いた電子機器

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Publication number: JP2007201169A
Application number: JP2006017920A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Murayama; 篤志村山
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】出力側が異常発熱したときに入力側の発光ダイオードをオフさせて、異常発熱を阻止することが可能な光結合型半導体装置を提供する。
【解決手段】出力側の端子ｂ―ｂに接続されている負荷や電源等に何らかの異常が発生して、トライアック素子３に過電流が流れ、トライアック素子３が異常発熱すると、このトライアック素子３の熱が発光ダイオード１へと熱伝導し、発光ダイオード１の温度も高くなる。このとき、発光ダイオード１の順方向電圧が大きく低下して、この順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ未満になり、コンパレータ６から定電流回路５へとハイレベルの信号が出力され、定電流回路５がオフとなって、発光ダイオード１が発光しなくなり、フォトトライアック素子２及びトライアック素子３がオフになる。これにより、トライアック素子３に過電流が流れなくなり、トライアック素子３の異常発熱が解消される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子と受光素子を備える光結合型半導体装置、及びそれを用いた電子機器に関する。

この種の光結合型半導体装置では、発光素子と受光素子とを備え、電気信号を発光素子により光信号に変換して、この光信号を発光素子から受光素子へと送受し、この光信号を受光素子により電気信号に変換し、これにより入力側と出力側を電気的に絶縁した状態で信号伝達を行う。

ところで、この様な光結合型半導体装置においては、出力側の受光素子がオンの状態で、この出力側に接続されている電源もしくは負荷に何らかの異常が発生して、この出力側に過電流が流れると、この出力側が異常発熱する。そして、この異常発熱により光結合型半導体装置が破壊されたり、過電流により負荷等が破壊されたりする。

光結合型半導体装置としては様々な構成のものがあるが、装置構成にかかわらず、その様な異常発熱を伴う事故が発生し得る。

次に、従来の様々な構成の光結合型半導体装置別に、異常発熱について説明する。

図１０は、従来の光結合型半導体装置であるソリッドステートリレーを示す等価回路図である。このソリッドステートリレーでは、入力側に発光ダイオード１０１を設け、出力側にフォトトライアック素子１０２及び次段のトライアック素子１０３を設けており、入力電流を発光ダイオード１０１に流して、発光ダイオード１０１を発光させ、発光ダイオード１０１の光信号をフォトトライアック素子１０２で受光して、フォトトライアック素子１０２をオンにし、このオンとなったフォトトライアック素子１０２を通じて次段のトライアック素子１０３のゲートに電流を流し、このトライアック素子１０３をオンにする。このソリッドステートリレーにおいては、トライアック素子１０３がオンの状態で、トライアック素子１０３に接続された電源もしくは負荷に何らかの異常が発生して、出力側に過電流が流れると、トライアック素子１０３が異常発熱する。

図１１は、従来の光結合型半導体装置であるフォトトライアックカプラを示す等価回路図である。このフォトトライアックカプラでは、入力側に発光ダイオード１０１を設け、出力側にフォトトライアック素子１０２を設けており、入力電流を発光ダイオード１０１に流して、発光ダイオード１０１とフォトトライアック素子１０２間で光信号を送受し、フォトトライアック素子１０２をオンにする。このフォトトライアックカプラにおいても、フォトトライアック素子１０２がオンの状態で、フォトトライアック素子１０２に接続された負荷等に何らかの異常が発生して、出力側に過電流が流れると、フォトトライアック素子１０２が異常発熱する。

図１２は、従来の光結合型半導体装置であるフォトサイリスタカプラを示す等価回路図である。このフォトサイリスタカプラでは、入力側に発光ダイオード１０１を設け、出力側にフォトサイリスタ素子１０４を設けており、発光ダイオード１０１とフォトサイリスタ素子１０４間で光信号を送受し、フォトサイリスタ素子１０４をオンにする。このフォトサイリスタカプラにおいても、フォトサイリスタ素子１０４がオンの状態で、フォトサイリスタ素子１０４の負荷等に何らかの異常が発生して、出力側に過電流が流れると、フォトサイリスタ素子１０４が異常発熱する。

図１３は、従来の光結合型半導体装置であるフォトトランジスタカプラを示す等価回路図である。このフォトトランジスタカプラでは、入力側に発光ダイオード１０１を設け、出力側にフォトトランジスタ素子１０５を設けており、発光ダイオード１０１とフォトトランジスタ素子１０５間で光信号を送受し、フォトトランジスタ素子１０５をオンにする。このフォトトランジスタカプラにおいても、フォトトランジスタ素子１０５がオンの状態で、フォトトランジスタ素子１０５の負荷等に何らかの異常が発生して、出力側に過電流が流れると、フォトトランジスタ素子１０５が異常発熱する。

図１４は、従来の光結合型半導体装置であるフォトＩＣ型フォトカプラを示す等価回路図である。このフォトＩＣ型フォトカプラでは、入力側に発光ダイオード１０１を設け、出力側にフォトＩＣ素子１０６を設けており、発光ダイオード１０１とフォトＩＣ素子１０６間で光信号を送受し、フォトＩＣ素子１０６をオンにする。このフォトＩＣ型フォトカプラにおいても、フォトＩＣ素子１０６がオンの状態で、フォトＩＣ素子１０６の負荷等に何らかの異常が発生して、出力側に過電流が流れると、フォトＩＣ素子１０６が異常発熱する。

この様に光結合型半導体装置の構成にかかわらず、その出力側に過電流が流れて、異常発熱を伴う事故が発生する可能性がある。

このため、特許文献１では、温度係数を有する抵抗素子を発光素子又は受光素子に直列接続して、過電流を防止している。

また、特許文献２では、受光素子の出力側に過熱保護回路を挿入して、出力側の過熱を防止している。

尚、従来の光結合型半導体装置の内部構造を説明しておく。ここでは、図９のソリッドステートリレーを例にあげて説明する。

図１５は、図９のソリッドステートリレーの内部構造を示す断面図である。このソリッドステートリレーでは、入力側のリードフレーム１１１の先端部分に発光ダイオード１０１を搭載して、発光ダイオード１０１をワイヤー１１３を介してリードフレーム１１１に接続し、また出力側のリードフレーム１１２の先端部分にフォトトライアック素子１０２及びトライアック素子１０３を搭載して、フォトトライアック素子１０２及びトライアック素子１０３をそれぞれのワイヤー１１４を介してリードフレーム１１２に接続している。そして、発光ダイオード１０１を応力緩和のためのシリコーン樹脂１１５によりプリコート（被覆）し、発光ダイオード１０１とフォトトライアック素子１０２間の光路となる透光性樹脂１１６を一次トランスファモールドにより形成し、その上で外乱光の侵入や光漏れを防ぐための遮光性樹脂１１７を二次トランスファモールドにより形成している。
特開平８−１８６２８５号公報特開２００３−１３３９２５号公報

この様に従来の光結合型半導体装置では、出力側の受光素子がオンしているときに、この出力側の電源もしくは負荷等に何らかの異常が発生して、この出力側に過電流が流れると、この出力側が異常発熱し、この異常発熱により光結合型半導体装置が破壊されたり、過電流により負荷が破壊されたりした。

このため、従来は、温度係数を有する抵抗素子を発光素子又は受光素子に直列接続したり、受光素子の出力側に過熱保護回路を挿入していたが、これらの方法では、抵抗素子や過熱保護回路が光結合型半導体装置の本来の特性に与える影響が大きかった。

本発明の発明者等は、上記従来の問題点に鑑み、その様な出力側の異常発熱が発生したときに、何らかの方法で異常発熱を検出して、入力側の発光ダイオードをオフさせたならば、異常発熱を抑えられ、かつ光結合型半導体装置の本来の特性に影響を与えずに済むという構想を持つに到った。

そこで、本発明の目的は、出力側が異常発熱したときに入力側の発光ダイオードをオフにして、異常発熱を阻止することが可能な光結合型半導体装置及びそれを用いた電子機器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の光結合型半導体装置は、入力信号を入力して発光する発光素子と、発光素子の光を受光して出力信号を出力する受光素子とを備え、該発光素子を含む入力側と該受光素子を含む出力側とを電気的に絶縁した光結合型半導体装置において、前記受光素子を含む出力側が異常発熱したときに、該出力側の異常発熱を検出する検出手段を前記入力側に設けている。

この様に受光素子を含む出力側が異常発熱したときに、該出力側の異常発熱を検出する検出手段を入力側に設けておけば、この検出手段の検出出力に応じて出力側の異常発熱に対処することが可能になる。

例えば、前記発光素子は、前記出力側からの熱伝導を受ける発光ダイオードであり、前記検出手段は、該発光ダイオードの順方向電圧の温度特性に基づき該出力側の異常発熱を検出する。

ここでは、発光ダイオードの順方向電圧が温度により変化することに着眼している。出力側が異常発熱して、この出力側からの熱伝導により発光ダイオードが一定温度以上上昇すると、発光ダイオードの順方向電圧も一定電圧だけ変化する。このため、発光ダイオードの順方向電圧と予設定の閾値とを比較することにより、発光ダイオードが一定温度以上上昇したか否かを判定することができ、延いては出力側が異常発熱したか否かを判定することができる。

また、発光ダイオードを発光と温度検出のために兼用しているので、部品点数の増大を抑えることができる。

また、本発明においては、前記検出手段は、前記出力側からの熱伝導を受ける温度検出用素子を備え、この温度検出用素子の温度特性に基づき該出力側の異常発熱を検出する。

温度検出用素子としては、例えば順方向電圧が温度により変化するダイオードがある。このダイオードには発光しないものを適用する。この場合も、先に述べた発光ダイオードと同様に、ダイオードの順方向電圧と閾値とを比較することにより、該ダイオードが一定温度以上上昇したか否かを判定することができ、延いては出力側が異常発熱したか否かを判定することができる。

更に、本発明においては、前記温度検出用素子は、前記発光素子を搭載したリードフレーム上に設けられて、前記出力側の発熱箇所に近接配置されている。

この温度検出用素子は、その配置位置を入力側の発光素子の様に特定されないので、出力側の発熱箇所に近接配置することが可能である。これにより、温度検出用素子は、出力側からの熱伝導を受け易くなり、異常発熱をより確実に検出することができる。

例えば、前記温度検出用素子は、前記発光素子を搭載したリードフレーム上で、該発光素子よりも前記出力側の発熱箇所近くに配置されている。

この場合は、温度検出用素子の方が発光素子よりも熱伝導を受け易く、発光素子が異常発熱の影響を受ける前に、温度検出用素子により異常発熱を検出することができる。

また、本発明においては、前記検出手段により前記出力側の異常発熱が検出されると、前記入力側の発光素子を一時的にオフにする過熱遮断手段を備えている。

この様に入力側の発光素子の発光を一時的に停止させると、出力側の受光素子が該発光素子の光を受光しなくなってオフの状態になる。そして、この受光素子のオフにより出力側に電流が流れなくなり、出力側の過電流の流れが停まって、出力側の異常発熱が解消され、出力側の温度が低下する。更に、出力側の異常発熱が解消されると、検出手段により出力側の異常発熱が検出されなくなるので、一時的にオフにされていた入力側の発光素子が再び発光し、発光素子と受光素子間の光の送受が再開される。

あるいは、本発明においては、前記検出手段により前記出力側の異常発熱が検出されると、前記入力側の発光素子への電流供給を継続的に停止する過熱遮断手段を備えている。

ここでは、入力側の発光素子の発光を継続的に停止させるので、出力側の受光素子がオフの状態になり、出力側の過電流の流れが停まって、出力側の異常発熱が解消されても、入力側の発光素子が再び発光することはない。このため、出力側の異常発熱が繰り返し発生することがない。ただし、入力側の発光素子を再び発光させるには、入力側の電源を入れ直す等の装置の初期化が必要になる。

更に、本発明においては、前記検出手段の検出出力を外部出力する出力端子を備えている。

これにより、検出手段により出力側の異常発熱が検出された旨を外部に出力することができ、光結合型半導体装置の異常発熱の対処を外部より行うことが可能になる。例えば、入力側の発光素子への入力信号を遮断して、発光素子の発光を停止させ、出力側の受光素子をオフの状態にし、過電流の流れを停めることができる。あるいは、出力側に接続されている電源や負荷等を遮断して、出力側を開放し、過電流の流れを停めることができる。

また、本発明においては、前記発光ダイオードと前記受光素子間で信号伝達を行うときに該発光ダイオードに流す電流値と、前記検出手段により前記出力側の異常発熱を検出するときに該発光ダイオードに流す電流値とが同一である。

この場合は、発光ダイオードと受光素子間の信号伝達が行われているときに、検出手段により発光ダイオードの順方向電圧の温度特性に基づき出力側の異常発熱を検出することができる。

更に、本発明においては、前記発光ダイオードと前記受光素子間で信号伝達を行うときに該発光ダイオードに流す電流値と、前記検出手段により前記出力側の異常発熱を検出するときに該発光ダイオードに流す電流値とが異なる。

この場合は、発光ダイオードと受光素子間の信号伝達を行っていないときに、検出手段により発光ダイオードの順方向電圧の温度特性に基づき出力側の異常発熱を検出することになる。また、出力側の異常発熱を検出するときには、温度検出のために発光ダイオードの順方向電圧を最適化することができるので、温度検出の精度を高くすることができる。

一方、本発明の電子機器は、上記本発明の光結合型半導体装置を用いている。

この様な電子機器においても、上記本発明の光結合型半導体装置と同様の作用及び効果を達成することができる。

電子機器としては、ＯＡ機器、ＦＡ機器、一般家電機器等がある。

この様な本発明の光結合型半導体装置によれば、受光素子を含む出力側が異常発熱したときに、該出力側の異常発熱を検出する検出手段を入力側に設けているので、この検出手段の検出出力に応じて出力側の異常発熱に対処することが可能になる。例えば、検出手段の検出出力に応じて発光素子をオフにし、出力側の受光素子をオフの状態にして、出力側の過電流の流れを停め、出力側の異常発熱を解消することができる。あるいは、検出手段の検出出力を出力端子を通じて外部出力し、光結合型半導体装置の異常発熱の対処を外部より行うことができるようにしても良い。いずれの方法でも、光結合型半導体装置の本来の特性に影響を与えることがない。

あるいは、温度検出用素子を格別に設けているので、温度検出の精度を向上させることができる。

また、他の本発明の電子機器は、上記本発明の光結合型半導体装置を用いているので、同様の作用及び効果を達成することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の光結合型半導体装置の実施形態１であるソリッドステートリレーを示す等価回路図である。本実施形態のソリッドステートリレーでは、入力側に発光ダイオード１、定電圧回路４、定電流回路５、コンパレータ６、及び複数の抵抗７、８、９を設け、出力側にフォトトライアック素子２及び次段のトライアック素子３を設けている。

このソリッドステートリレーにおいては、入力信号Ｓが入力側の端子ａ−ａを通じて定電圧回路４に印加されると、定電圧回路４から定電流回路５へと定電圧の信号Ｓｖが出力され、定電流回路５から発光ダイオード１へと定電流の信号Ｓｉが供給され、発光ダイオード１が発光する。

そして、発光ダイオード１が発光すると、その光信号が出力側のフォトトライアック素子２で受光されて、フォトトライアック素子２がオンになり、このオンとなったフォトトライアック素子２を通じて次段のトライアック素子３のゲートに電流が流れ、このトライアック素子３がオンになり、出力側の端子ｂ−ｂ間がトライアック素子３を通じて導通する。

出力側の端子ｂ―ｂには負荷や電源等（図示せず）が接続されており、トライアック素子３のオンに応じて出力側の端子ｂ―ｂ間の状態が変化する。

このとき、定電流回路５から発光ダイオード１へと供給される信号Ｓｉの電流値は、発光ダイオード１の充分な発光量を得るのに必要な５〜２５ｍＡ程度に設定されており、これによりフォトトライアック素子２の充分な受光量が確保されて、フォトトライアック素子２が確実にオンになる。

同時に、定電圧回路４から直列接続された各抵抗７、８へと定電圧ｖが出力されて、各抵抗７、８間の一定の電圧ｖｓがコンパレータ６の非反転入力端子に加えられる。また、定電流回路５と発光ダイオード１間が抵抗９を介してコンパレータ６の反転入力端子に接続されており、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄがコンパレータ６の反転入力端子に加えられる。

従って、コンパレータ６は、その非反転入力端子及び反転入力端子に一定の電圧ｖｓ及び発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄをそれぞれ入力し、一定の電圧ｖｓと電圧ｖｄを比較する。

ここで、発光ダイオード１の順方向電圧の温度特性は、該発光ダイオード１の温度が高くなる程、順方向電圧が低くなるというものである。通常の温度範囲で発光ダイオード１が使用されている限りは、発光ダイオード１の順方向電圧が大きく低下することはなく、この順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ以上に維持される。このとき、コンパレータ６は、反転入力端子の電圧ｖｄが非反転入力端子の電圧ｖｓ以上であることから、ローレベルの信号を定電流回路５に加える。このため、定電流回路５がオンとなって、その動作が継続され、発光ダイオード１の発光が可能である。

また、発光ダイオード１の温度が高くなると、発光ダイオード１の順方向電圧が大きく低下して、この順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ未満になる。コンパレータ６は、反転入力端子の電圧ｖｄが非反転入力端子の電圧ｖｓ未満になると、ハイレベルの信号を定電流回路５に加える。これにより、定電流回路５がオフとなって、その動作が停止される。このとき、入力信号Ｓが端子ａ−ａに印加されても、定電流の信号Ｓｉが発光ダイオード１に供給されることはなく、発光ダイオード１が発光することはない。従って、発光ダイオード１の光信号が出力側のフォトトライアック素子２で受光されることもなく、フォトトライアック素子２及びトライアック素子３がオフとなる。

さて、本実施形態のソリッドステートリレーは、光結合型半導体装置であり、図１に示す構成をリードフレーム等に搭載して樹脂モールドで一体化したものである。このため、トライアック素子３がオンの状態で、出力側の端子ｂ―ｂに接続されている負荷や電源等に何らかの異常が発生して、トライアック素子３に過電流が流れ、トライアック素子３が異常発熱すると、このトライアック素子３の熱がリードフレームや樹脂等を通じて発光ダイオード１へと熱伝導し、発光ダイオード１の温度も高くなる。そして、発光ダイオード１の温度が高くなると、先に述べた様に発光ダイオード１の順方向電圧が大きく低下して、この順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ未満になり、コンパレータ６から定電流回路５へとハイレベルの信号が出力され、定電流回路５がオフとなって、発光ダイオード１が発光しなくなり、フォトトライアック素子２及びトライアック素子３がオフになる。これにより、トライアック素子３に過電流が流れなくなり、トライアック素子３の異常発熱が解消される。

すなわち、トライアック素子３に過電流が流れて、トライアック素子３が異常発熱すると、この異常発熱が発光ダイオード１及びコンパレータ６により検出されて、発光ダイオード１がオフになり、フォトトライアック素子２及びトライアック素子３もオフになって、トライアック素子３の異常発熱が解消される。この結果として、異常発熱によるソリッドステートリレーの破壊や過電流による出力側の電源や負荷等の破壊が防止される。しかも、発光ダイオード１、フォトトライアック素子２、及びトライアック素子３の本来の特性に影響を与えずに、過電流を停めて、異常発熱を解消することができる。

この後、トライアック素子３の温度が低下したときには、発光ダイオード１の温度も低下して、発光ダイオード１の順方向電圧が上昇して行く。そして、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ以上に復帰すると、コンパレータ６からローレベルの信号が出力され、定電流回路５がオンとなって、発光ダイオード１の発光が可能になり、発光ダイオード１とフォトトライアック素子２間の光信号の送受も可能になって、通常の動作状態に戻る。

尚、トライアック素子３の異常発熱が解消されても、発光ダイオード１のオフが維持される様な構成としても良い。例えば、定電流回路５として、コンパレータ６からのハイレベルの信号に応答して定電流回路５が一旦オフになると、これ以降はコンパレータ６からの信号レベルにかかわらず定電流回路５のオフを維持し続け、定電流回路５のリセット端子（図示せず）のリセット入力等に応答して定電流回路５がオンになるというものを適用しても良い。

また、図２に示す様にコンパレータ６の出力を端子１０を通じて外部に出力しても良い。この端子１０を通じてのコンパレータ６の出力を監視すれば、トライアック素子３が過熱しているか否かを判定することができ、トライアック素子３が過熱したと判定したときには、出力側の電源や負荷等を切り離す等の制御を行って、事故を未然に防止することができる。

更に、図３に示す様に２つの定電流回路５ａ、５ｂを並列に設けて、定電圧回路４により各定電流回路５ａ、５ｂを選択的に用いるようにしても良い。定電流回路５ａは、発光ダイオード１とフォトトライアック素子２間で光信号を送受するときに用いられるものであり、定電圧回路４からの定電圧の信号Ｓｖを入力すると、充分な発光量を得るのに必要な５〜２５ｍＡ程度の信号Ｓｉを発光ダイオード１に供給する。また、定電流回路５ｂは、発光ダイオード１の順方向電圧の温度変化を検出するときに用いられるものであり、この温度変化を検出するのに適した１ｍＡ程度の信号Ｓｉを発光ダイオード１に供給する。

１ｍＡ程度の信号Ｓｉを発光ダイオード１に供給して、発光ダイオード１の順方向電圧を検出すると、発光ダイオード１の抵抗成分の影響が小さくて、順方向電圧のバラツキが少ない範囲で、順方向電圧を検出することができ、順方向電圧及びその温度変化を高精度で検出することができる。

定電圧回路４は、発光ダイオード１とフォトトライアック素子２間で光信号を送受するに際し、定電圧の信号Ｓｖを一方の定電流回路５ａのみに供給して、定電流回路５ａから発光ダイオード１へと５〜２５ｍＡ程度の信号Ｓｉを供給させ、発光ダイオード１を充分な光量で発光させる。このとき、定電圧回路４は、例えば各抵抗７、８への出力電圧を０に設定して、コンパレータ６の非反転入力端子の入力電圧も０に設定し、これによりコンパレータ６の出力をローレベルに維持して、定電流回路５ａを常にオンにする。

また、定電圧回路４は、発光ダイオード１の順方向電圧の温度変化を検出するに際し、定電圧ｖを各抵抗７、８に出力して、コンパレータ６の非反転入力端子に一定の電圧ｖｓを加え、それと同時に定電圧の信号Ｓｖを他方の定電流回路５ｂのみに供給して、定電流回路５ｂから発光ダイオード１へと１ｍＡ程度の信号Ｓｉを供給させ、発光ダイオード１に順方向電圧を発生させる。コンパレータ６は、一定の電圧ｖｓと発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄを比較し、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ以上に維持されていれば、該コンパレータ６の出力をローレベルに維持して、定電流回路５ａをオンにする。また、コンパレータ６は、発光ダイオード１の温度が高くなって、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ未満になると、該コンパレータ６の出力をハイレベルにして、定電流回路５ａをオフにする。これにより、発光ダイオード１の発光が不可能になり、フォトトライアック素子２及びトライアック素子３がオフになって、トライアック素子３の異常発熱が解消される。

定電流回路５ａは、一旦オフになると、これ以降はコンパレータ６からの信号レベルにかかわらずオフを維持し続け、この定電流回路５ａのリセット端子（図示せず）のリセット入力に応答してオンとなる。

各定電流回路５ａ、５ｂのいずれに定電圧の信号Ｓｖを加えるかは、定電圧回路４を外部から制御することにより決定すれば良い。

＜実施形態２＞
図４は、本発明の光結合型半導体装置の実施形態２であるフォトトライアックカプラを示す等価回路図である。本実施形態のフォトトライアックカプラでは、図１のソリッドステートリレーにおけるフォトトライアック素子２及び次段のトライアック素子３の代わりに、フォトトラアック素子１１のみを出力側に設けており、発光ダイオード１とフォトトライアック素子１１間で光信号を送受する。

このフォトトライアックカプラにおいても、入力信号Ｓが入力側の端子ａ−ａを通じて定電圧回路４に印加されると、定電圧回路４から定電流回路５へと定電圧の信号Ｓｖが出力され、定電流回路５から発光ダイオード１へと定電流の信号Ｓｉが供給され、発光ダイオード１が発光する。そして、発光ダイオード１が発光すると、その光信号が出力側のフォトトライアック素子１１で受光されて、フォトトライアック素子１１がオンになる。出力側の端子ｂ―ｂには負荷や電源等（図示せず）が接続されている。

同時に、定電圧回路４から直列接続された各抵抗７、８へと定電圧ｖが出力されて、各抵抗８、９間の一定の電圧ｖｓがコンパレータ６の非反転入力端子に加えられ、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄがコンパレータ６の反転入力端子に加えられる。

このフォトトライアックカプラが正常に動作し、発光ダイオード１が通常の動作温度に維持されている場合は、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ以上に維持されるので、ローレベルの信号がコンパレータ６から定電流回路５に加えられて、定電流回路５の動作が継続される。このとき、発光ダイオード１の発光が可能である。

また、フォトトライアック素子１１がオンの状態で、フォトトライアック素子１１に過電流が流れて、フォトトライアック素子１１が異常発熱すると、このフォトトライアック素子１１からの熱伝導により発光ダイオード１の温度が高くなり、発光ダイオード１の順方向電圧が低下する。このとき、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ未満になり、コンパレータ６から定電流回路５へとハイレベルの信号が出力され、定電流回路５がオフになって、発光ダイオード１が発光しなくなり、フォトトライアック素子１１もオフになって、フォトトライアック素子１１に過電流が流れなくなり、フォトトライアック素子１１の異常発熱が解消される。この結果として、異常発熱によるフォトトライアックカプラの破壊や過電流による出力側の電源や負荷等の破壊が防止される。

そして、フォトトライアック素子１１の温度が低下したときには、発光ダイオード１の温度も低下し、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ以上に復帰して、コンパレータ６からローレベルの信号が出力され、定電流回路５がオンとなって、発光ダイオード１の発光が可能になり、発光ダイオード１とフォトトライアック素子１１間の光信号の送受も可能になって、通常の動作状態に戻る。

尚、定電圧回路５として、一旦オフになると、これを維持し続け、リセット入力等に応答してオンになるというものを適用しても良い。

更に、コンパレータ６の出力を外部に出力する端子を設けたり、発光ダイオード１とフォトトライアック素子１１間で光信号を送受するときの信号Ｓｉの電流値と、発光ダイオード１の順方向電圧の温度変化を検出するときの信号Ｓｉの電流値とを別々に設定したりしても構わない。

＜実施形態３＞
図５は、本発明の光結合型半導体装置の実施形態３であるフォトサイリスタカプラを示す等価回路図である。本実施形態のフォトサイリスタカプラでは、図１のソリッドステートリレーにおけるフォトトライアック素子２及び次段のトライアック素子３の代わりに、フォトサイリスタ素子１２のみを出力側に設けており、発光ダイオード１とフォトサイリスタ素子１２間で光信号を送受する。

このフォトトライアックカプラにおいても、入力信号Ｓが入力側の端子ａ−ａを通じて定電圧回路４に印加されると、定電圧回路４から定電圧の信号Ｓｖが出力され、定電流回路５から定電流の信号Ｓｉが出力され、発光ダイオード１が発光する。そして、発光ダイオード１の光信号が出力側のフォトサイリスタ素子１２で受光されて、フォトサイリスタ素子１２がオンになる。出力側の端子ｂ―ｂには負荷や電源等（図示せず）が接続されている。

同時に、定電圧回路４から直列接続された各抵抗７、８へと定電圧ｖが出力されて、各抵抗７、８間の一定の電圧ｖｓがコンパレータ６の非反転入力端子に加えられ、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄがコンパレータ６の反転入力端子に加えられる。

コンパレータ６は、一定の電圧ｖｓと発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄを比較し、電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ以上に維持されていれば、ローレベルの信号を定電流回路５に加えて、定電流回路５の動作を継続させる。このとき、発光ダイオード１の発光が可能である。

また、フォトサイリスタ素子１２が異常発熱して、発光ダイオード１の温度が高くなったときには、電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ未満になる。これに応答してコンパレータ６は、ハイレベルの信号を定電流回路５に加えて、定電流回路５をオフにする。従って、発光ダイオード１が発光しなくなり、フォトサイリスタ素子１２もオフになって、フォトサイリスタ素子１２に過電流が流れなくなり、フォトサイリスタ素子１２の異常発熱が解消される。この結果として、異常発熱によるフォトサイリスタカプラの破壊や過電流による出力側の電源や負荷等の破壊が防止される。

そして、フォトサイリスタ素子１２の温度が低下したときには、発光ダイオード１の温度も低下し、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ以上に復帰して、コンパレータ６からローレベルの信号が出力され、定電流回路５がオンとなって、発光ダイオード１の発光が可能になり、発光ダイオード１とフォトサイリスタ素子１２間の光信号の送受も可能になって、通常の動作状態に戻る。

更に、コンパレータ６の出力を外部に出力する端子を設けたり、発光ダイオード１とフォトサイリスタ素子１２間で光信号を送受するときの信号Ｓｉの電流値と、発光ダイオード１の順方向電圧の温度変化を検出するときの信号Ｓｉの電流値とを別々に設定したりしても構わない。

＜実施形態４＞
図６は、本発明の光結合型半導体装置の実施形態４であるフォトトランジスタカプラを示す等価回路図である。本実施形態のフォトトランジスタカプラでは、図１のソリッドステートリレーにおけるフォトトライアック素子２及び次段のトライアック素子３の代わりに、フォトトランジスタ素子１３のみを出力側に設けており、発光ダイオード１とフォトトランジスタ素子１３間で光信号を送受する。

このフォトトランジスタカプラにおいても、入力信号Ｓが入力側の端子ａ−ａを通じて定電圧回路４に印加されると、定電圧回路４から定電圧の信号Ｓｖが出力され、定電流回路５から定電流の信号Ｓｉが出力され、発光ダイオード１が発光する。そして、発光ダイオード１の光信号が出力側のフォトトランジスタ素子１３で受光されて、フォトトランジスタ素子１３がオンになる。出力側の端子ｂ―ｂには負荷や電源等（図示せず）が接続されている。

同時に、定電圧回路４から直列接続された各抵抗７、８へと定電圧ｖが出力されて、一定の電圧ｖｓがコンパレータ６の非反転入力端子に加えられ、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄがコンパレータ６の反転入力端子に加えられる。

また、フォトトランジスタ素子１３が異常発熱して、発光ダイオード１の温度が高くなったときには、電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ未満になる。これに応答してコンパレータ６は、ハイレベルの信号を定電流回路５に加えて、定電流回路５をオフにする。従って、発光ダイオード１が発光しなくなり、フォトトランジスタ素子１３もオフになって、フォトトランジスタ素子１３に過電流が流れなくなり、フォトトランジスタ素子１３の異常発熱が解消される。この結果として、異常発熱によるフォトトランジスタカプラの破壊や過電流による出力側の電源や負荷等の破壊が防止される。

そして、フォトトランジスタ素子１３の温度が低下したときには、発光ダイオード１の温度も低下し、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ以上に復帰して、コンパレータ６からローレベルの信号が出力され、定電流回路５がオンとなって、発光ダイオード１の発光が可能になり、発光ダイオード１とフォトトランジスタ素子１３間の光信号の送受も可能になって、通常の動作状態に戻る。

更に、コンパレータ６の出力を外部に出力する端子を設けたり、発光ダイオード１とフォトトランジスタ素子１３間で光信号を送受するときの信号Ｓｉの電流値と、発光ダイオード１の順方向電圧の温度変化を検出するときの信号Ｓｉの電流値とを別々に設定したりしても構わない。

＜実施形態５＞
図７は、本発明の光結合型半導体装置の実施形態５であるフォトＩＣ型フォトカプラを示す等価回路図である。本実施形態のフォトＩＣ型フォトカプラでは、図１のソリッドステートリレーにおけるフォトトライアック素子２及び次段のトライアック素子３の代わりに、フォトＩＣ素子１４のみを出力側に設けており、発光ダイオード１とフォトＩＣ素子１４間で光信号を送受する。

このフォトＩＣ型フォトカプラにおいても、入力信号Ｓが入力側の端子ａ−ａを通じて定電圧回路４に印加されると、定電圧回路４から定電圧の信号Ｓｖが出力され、定電流回路５から定電流の信号Ｓｉが出力され、発光ダイオード１が発光する。そして、発光ダイオード１の光信号が出力側のフォトＩＣ素子１４で受光されて、フォトＩＣ素子１４がオンになる。出力側の端子ｂ―ｂには負荷や電源等（図示せず）が接続されている。

また、フォトＩＣ素子１４が異常発熱して、発光ダイオード１の温度が高くなったときには、電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ未満になる。これに応答してコンパレータ６は、ハイレベルの信号を定電流回路５に加えて、定電流回路５をオフにする。従って、発光ダイオード１が発光しなくなり、フォトＩＣ素子１４もオフになって、フォトＩＣ素子１４に過電流が流れなくなり、フォトＩＣ素子１４の異常発熱が解消される。この結果として、異常発熱によるフォトＩＣ型フォトカプラの破壊や過電流による出力側の電源や負荷等の破壊が防止される。

そして、フォトＩＣ素子１４の温度が低下したときには、発光ダイオード１の温度も低下し、発光ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ以上に復帰して、コンパレータ６からローレベルの信号が出力され、定電流回路５がオンとなって、発光ダイオード１の発光が可能になり、発光ダイオード１とフォトＩＣ素子１４間の光信号の送受も可能になって、通常の動作状態に戻る。

更に、コンパレータ６の出力を外部に出力する端子を設けたり、発光ダイオード１とフォトＩＣ素子１４間で光信号を送受するときの信号Ｓｉの電流値と、発光ダイオード１の順方向電圧の温度変化を検出するときの信号Ｓｉの電流値とを別々に設定したりしても構わない。

＜実施形態６＞
図８は、本発明の光結合型半導体装置の実施形態６であるソリッドステートリレーを示す等価回路図である。本実施形態のソリッドステートリレーは、図１のソリッドステートリレーの入力側に定電流回路１５及び温度検出用ダイオード１６を付加したものである。

このソリッドステートリレーにおいても、入力信号Ｓが入力側の端子ａ−ａを通じて定電圧回路４に印加されると、定電圧回路４から定電圧の信号Ｓｖが出力され、定電流回路５から定電流の信号Ｓｉが出力され、発光ダイオード１が発光する。そして、発光ダイオード１の光信号が出力側のフォトトライアック素子２で受光されて、フォトトライアック素子２がオンになり、次段のトライアック素子３のゲートに電流が流れて、このトライアック素子３もオンになる。出力側の端子ｂ―ｂには負荷や電源等（図示せず）が接続されている。

定電流回路１５及び温度検出用ダイオード１６は、定電流回路５及び発光ダイオード１と並列接続されている。そして、定電流回路１５と温度検出用ダイオード１６間が抵抗９を介してコンパレータ６の反転入力端子に接続され、温度検出用ダイオード１の順方向電圧に対応する電圧ｖｄ１がコンパレータ６の反転入力端子に加えられている。

コンパレータ６は、その非反転入力端子及び反転入力端子に一定の電圧ｖｓ及び温度検出用ダイオード１６の順方向電圧に対応する電圧ｖｄ１をそれぞれ入力し、一定の電圧ｖｓと電圧ｖｄ１を比較する。

ここで、温度検出用ダイオード１６の温度特性も、発光ダイオード１と同様に、該温度検出用ダイオード１６の温度が高くなる程、順方向電圧が低くなるというものである。そして、通常の温度範囲では、温度検出用ダイオード１６の順方向電圧が大きく低下することはなく、この順方向電圧に対応する電圧ｖｄ１が一定の電圧ｖｓ以上に維持される。このとき、コンパレータ６は、反転入力端子の電圧ｖｄ１が非反転入力端子の電圧ｖｓ以上であることから、ローレベルの信号を定電流回路５に加える。このため、定電流回路５がオンとなって、その動作が継続され、発光ダイオード１の発光が可能である。

また、トライアック素子３がオンの状態で、出力側の端子ｂ―ｂに接続されている負荷や電源等に何らかの異常が発生して、トライアック素子３に過電流が流れ、トライアック素子３が異常発熱すると、このトライアック素子３の熱が温度検出用ダイオード１６へと熱伝導し、温度検出用ダイオード１６の温度も高くなり、温度検出用ダイオード１６の順方向電圧が大きく低下する。このとき、コンパレータ６は、順方向電圧に対応する電圧ｖｄ１が一定の電圧ｖｓ未満になることから、定電流回路５へとハイレベルの信号を出力し、定電流回路５をオフにする。これにより、発光ダイオード１が発光しなくなり、フォトトライアック素子２及びトライアック素子３がオフになって、トライアック素子３に過電流が流れなくなり、トライアック素子３の異常発熱が解消される。この結果として、異常発熱によるソリッドステートリレーの破壊や過電流による出力側の電源や負荷等の破壊が防止される。

そして、トライアック素子３の温度が低下したときには、温度検出用ダイオード１６の温度も低下し、温度検出用ダイオード１６の順方向電圧に対応する電圧ｖｄが一定の電圧ｖｓ以上に復帰して、コンパレータ６からローレベルの信号が出力され、定電流回路５がオンとなって、発光ダイオード１の発光が可能になり、発光ダイオード１とトライアック素子３間の光信号の送受も可能になって、通常の動作状態に戻る。

図９（ａ）は、本実施形態のソリッドステートリレーの内部構造の一例を示す断面図である。このソリッドステートリレーでは、入力側のリードフレーム２１の先端部分に発光ダイオード１及び温度検出用ダイオード１６等（定電圧回路４、定電流回路５、１５、コンパレータ６、及び複数の抵抗７、８、９を図示せず）を搭載して、これらの発光ダイオード１や温度検出用ダイオード１６等を相互に配線接続し、発光ダイオード１及び温度検出用ダイオード１６をワイヤー２３を介してリードフレーム２１に接続している。また、出力側のリードフレーム２２の先端部分にフォトトライアック素子２及びトライアック素子３を搭載して、フォトトライアック素子２及びトライアック素子３をそれぞれのワイヤー２４を介してリードフレーム２２に接続している。そして、発光ダイオード１を応力緩和のためのシリコーン樹脂２５によりプリコート（被覆）し、発光ダイオード１とフォトトライアック素子２間の光路となる透光性樹脂２６を一次トランスファモールドにより形成し、その上で外乱光の侵入や光漏れを防ぐための遮光性樹脂２７を二次トランスファモールドにより形成している。

また、このソリッドステートリレーでは、温度検出用ダイオード１６及びトライアック素子３を相互に対向配置しかつ近接配置している。これにより、トライアック素子３から温度検出用ダイオード１６までの熱伝導の距離が短くなって、熱伝導が良好になる。

このため、トライアック素子３に過電流が流れて、トライアック素子３が異常発熱したときには、温度検出用ダイオード１６の温度も速やかに高くなって、温度検出用ダイオード１６の順方向電圧が低下し、コンパレータ６からはハイレベルの信号が直ちに出力されて、定電流回路５がオフにされ、発光ダイオード１の発光が不可能になり、フォトトライアック素子２及びトライアック素子３がオフになって、トライアック素子３の異常発熱が解消される。

すなわち、トライアック素子３と温度検出用ダイオード１６間の熱伝導性を向上させて、温度検出用ダイオード１６及びコンパレータ６によるトライアック素子３の異常発熱検出の応答性を良好にしており、トライアック素子３の異常発熱を速やかに検出して、フォトトライアック素子２及びトライアック素子３を直ちにオフにし、トライアック素子３の異常発熱を迅速に解消する様にしている。

図９（ｂ）は、本実施形態のソリッドステートリレーの内部構造の他の例を示す断面図である。ここでは、入力側にリードフレーム２１ａ、２１ｂを設け、一方のリードフレーム２１ａの先端部分に発光ダイオード１等（定電圧回路４、定電流回路５、１５、コンパレータ６、及び複数の抵抗７、８、９を図示せず）を搭載し、他方のリードフレーム２１ｂの先端部分に温度検出用ダイオード１６を搭載している。そして、これらの発光ダイオード１や温度検出用ダイオード１６等を相互に配線接続し、発光ダイオード１及び温度検出用ダイオード１６をワイヤー２３を介してそれぞれのリードフレーム２１ａ、２１ｂに接続している。

また、出力側のリードフレーム２２の先端部分の上で、トライアック素子３を温度検出用ダイオード１６の対向位置に位置決めしている。

リードフレーム２１ｂの先端部分は、リードフレーム２１ａの先端部分よりもリードフレーム２２の先端部分に接近するように折り曲げられている。これにより、トライアック素子３と温度検出用ダイオード１６間の熱伝導性をより向上させ、トライアック素子３の異常発熱検出の応答性を更に良好にし、トライアック素子３の異常発熱をより速やかに検出して、トライアック素子３の異常発熱を更に迅速に解消することが可能になる。

尚、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、多様に変形することができる。例えば、温度検出用ダイオード１６の代わりに、他の種類の温度検出用素子を適用しても良い。

また、本発明は、光結合型半導体装置だけではなく、この光結合型半導体装置を適用した電子機器をも包含する。電子機器としては、ＯＡ機器、ＦＡ機器、一般家電機器等がある。

本発明の光結合型半導体装置の実施形態１であるソリッドステートリレーを示す等価回路図である。図１のソリッドステートリレーの変形例を示す等価回路図である。図１のソリッドステートリレーの他の変形例を示す等価回路図である。本発明の光結合型半導体装置の実施形態２であるフォトトライアックカプラを示す等価回路図である。本発明の光結合型半導体装置の実施形態３であるフォトサイリスタカプラを示す等価回路図である。本発明の光結合型半導体装置の実施形態４であるフォトトランジスタカプラを示す等価回路図である。本発明の光結合型半導体装置の実施形態５であるフォトＩＣ型フォトカプラを示す等価回路図である。本発明の光結合型半導体装置の実施形態６であるソリッドステートリレーを示す等価回路図である。（ａ）は図８のソリッドステートリレーの内部構造の一例を示す断面図であり、（ｂ）は内部構造の変形例を示す断面図である。従来の光結合型半導体装置であるソリッドステートリレーを示す等価回路図である。従来の光結合型半導体装置であるフォトトライアックカプラを示す等価回路図である。従来の光結合型半導体装置であるフォトサイリスタカプラを示す等価回路図である。従来の光結合型半導体装置であるフォトトランジスタカプラを示す等価回路図である。従来の光結合型半導体装置であるフォトＩＣ型フォトカプラを示す等価回路図である。従来の光結合型半導体装置であるソリッドステートリレーの内部構造を示す断面図である。

符号の説明

１発光ダイオード
２、１１フォトトライアック素子
３トライアック素子
４定電圧回路
５、１５定電流回路
６コンパレータ
７、８、９抵抗
１２フォトサイリスタ素子
１３フォトトランジスタ素子
１４フォトＩＣ素子
１６温度検出用ダイオード
２１、２２リードフレーム
２３、２４ワイヤー
２５シリコーン樹脂
２６透光性樹脂
２７遮光性樹脂

Claims

入力信号を入力して発光する発光素子と、発光素子の光を受光して出力信号を出力する受光素子とを備え、該発光素子を含む入力側と該受光素子を含む出力側とを電気的に絶縁した光結合型半導体装置において、
前記受光素子を含む出力側が異常発熱したときに、該出力側の異常発熱を検出する検出手段を前記入力側に設けたことを特徴とする光結合型半導体装置。
前記発光素子は、前記出力側からの熱伝導を受ける発光ダイオードであり、
前記検出手段は、該発光ダイオードの順方向電圧の温度特性に基づき該出力側の異常発熱を検出することを特徴とする請求項１に記載の光結合型半導体装置。
前記検出手段は、前記出力側からの熱伝導を受ける温度検出用素子を備え、この温度検出用素子の温度特性に基づき該出力側の異常発熱を検出することを特徴とする請求項１に記載の光結合型半導体装置。
前記温度検出用素子は、前記発光素子を搭載したリードフレーム上に設けられて、前記出力側の発熱箇所に近接配置されたことを特徴とする請求項３に記載の光結合型半導体装置。
前記温度検出用素子は、前記発光素子を搭載したリードフレーム上で、該発光素子よりも前記出力側の発熱箇所近くに配置されたことを特徴とする請求項４に記載の光結合型半導体装置。
前記検出手段により前記出力側の異常発熱が検出されると、前記入力側の発光素子を一時的にオフにする過熱遮断手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の光結合型半導体装置。
前記検出手段により前記出力側の異常発熱が検出されると、前記入力側の発光素子を継続的にオフにする過熱遮断手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の光結合型半導体装置。
前記検出手段の検出出力を外部出力する出力端子を備えることを特徴とする請求項１に記載の光結合型半導体装置。
前記発光ダイオードと前記受光素子間で信号伝達を行うときに該発光ダイオードに流す電流値と、前記検出手段により前記出力側の異常発熱を検出するときに該発光ダイオードに流す電流値とが同一であることを特徴とする請求項２に記載の光結合型半導体装置。
前記発光ダイオードと前記受光素子間で信号伝達を行うときに該発光ダイオードに流す電流値と、前記検出手段により前記出力側の異常発熱を検出するときに該発光ダイオードに流す電流値とが異なることを特徴とする請求項２に記載の光結合型半導体装置。
請求項１乃至１０のいずれかに記載の光結合型半導体装置を用いた電子機器。