JP2010171574A - Semiconductor relay - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力信号を光電変換して得られる起電力に基づいて、負荷電流を開閉する半導体リレーに関する。 The present invention relates to a semiconductor relay that opens and closes a load current based on an electromotive force obtained by photoelectrically converting an input signal.
入力信号に基づいて発光する発光素子と、発光素子からの光信号を受光して起電力を発生する受光素子を備え、この起電力によって出力用MOSFETをオン、オフする半導体リレーが知られている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art A semiconductor relay that includes a light emitting element that emits light based on an input signal and a light receiving element that receives an optical signal from the light emitting element to generate an electromotive force, and turns on and off an output MOSFET by the electromotive force is known. (For example, refer to Patent Document 1).
図7は、従来の半導体リレーの構成を示す図である。図7における半導体リレー7は、入力端子71a、71bからの入力信号に応答して光信号を生成するLED等の発光素子72と、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73と、発生した起電力を充放電する充放電回路74と、充放電回路74からの電圧に対応して導通・遮断する2つの出力用MOSFET76a、76bから構成されている。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a conventional semiconductor relay. The semiconductor relay 7 in FIG. 7 includes a light emitting element 72 such as an LED that generates an optical signal in response to input signals from the
出力用MOSFET76a、76bに炭化珪素(SiC)を材料としたSiC−MOSFETが用いられる場合、このSiC−MOSFETはドレイン・ソース間を導通させるためのしきい値電圧が3V以上と高くなる。
When a SiC-MOSFET made of silicon carbide (SiC) is used for the
一方、フォトダイオードアレイ73の起電力には、略−120mV/℃の温度勾配がある。例えば、半導体リレー7の動作温度範囲を−40〜85℃、出力用MOSFET76a、76bのゲート最大定格電圧を20Vとすると、ゲート印加電圧が動作温度範囲内で最大定格電圧以下となるには、動作温度範囲の下限−40℃においてゲート印加電圧を20Vに設定する必要がある。すると、次の式(1)に示すように、室温(20℃)におけるゲート印加電圧が下がってしまう。
On the other hand, the electromotive force of the photodiode array 73 has a temperature gradient of approximately −120 mV / ° C. For example, if the operating temperature range of the semiconductor relay 7 is −40 to 85 ° C., and the gate maximum rated voltage of the
20V−{120mV・(25+40)}=12.2V・・・(1) 20V- {120mV · (25 + 40)} = 12.2V (1)
しかしながら、ゲート印加電圧が12.2Vでは、しきい値電圧の高い出力用MOSFET76a、76bを十分に導通することができない場合がある。
However, when the gate application voltage is 12.2 V, the
これらの問題点を回避するには、発光素子72の発光光量を増加させるか、又は、フォトダイオードアレイ73のセル数を増やすことによって起電力を上げることが望ましいが、SiC−MOSFETのゲート酸化膜は500Åと薄いので、ゲート酸化膜の絶縁劣化あるいは破壊を防止する必要がある。 In order to avoid these problems, it is desirable to increase the amount of light emitted from the light emitting element 72 or increase the number of cells in the photodiode array 73, but it is desirable to increase the electromotive force. Therefore, it is necessary to prevent the gate oxide film from being deteriorated or destroyed.
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、フォトダイオードアレイの起電力が大きくなっても、出力用MOSFETのゲート酸化膜の絶縁劣化を防止することのできる半導体リレーを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor relay that can prevent insulation deterioration of the gate oxide film of the output MOSFET even when the electromotive force of the photodiode array increases. And
本発明は、入力信号に応答して光信号を生成する発光素子と、前記光信号を受光して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って発生した電圧を充放電する充放電回路と、前記充放電回路にゲート及びソースが接続された出力用MOSFETを備える半導体リレーにおいて、前記充放電回路と前記出力用MOSFETの間に、前記フォトダイオードアレイによって発生した電圧を制限するクランプ回路を接続し、前記クランプ回路は、前記出力用MOSFETの前記ゲート及び前記ソース間に、直列に接続された2つの抵抗と、前記2つの抵抗の一方あるいは双方に、並列に接続された電圧クランプ手段とを具備したことを特徴とするものである。 The present invention relates to a light emitting element that generates an optical signal in response to an input signal, a photodiode array that receives the optical signal and generates a voltage, and a charge / discharge circuit that charges and discharges the voltage generated by the photodiode array. And a clamp circuit for limiting a voltage generated by the photodiode array between the charge / discharge circuit and the output MOSFET in a semiconductor relay including an output MOSFET having a gate and a source connected to the charge / discharge circuit. The clamp circuit includes two resistors connected in series between the gate and the source of the output MOSFET, and voltage clamp means connected in parallel to one or both of the two resistors. It is characterized by comprising.
この構成により、フォトダイオードアレイの起電力が大きくなっても、出力用MOSFETのゲート印加電圧を、導通に必要十分なレベルに維持することができるので、ゲート酸化膜の絶縁劣化を防止することが可能となる。 With this configuration, even when the electromotive force of the photodiode array increases, the gate application voltage of the output MOSFET can be maintained at a level necessary and sufficient for conduction, so that the gate oxide film can be prevented from being deteriorated in insulation. It becomes possible.
また、本発明は、上記の半導体リレーにおいて、前記クランプ手段は、前記2つの抵抗の一方に、並列に接続されたダイオードと、から構成されることを特徴とする。すなわち、前記クランプ回路は、前記出力用MOSFETの前記ゲート及び前記ソース間に、直列に接続された2つの抵抗と、前記2つの抵抗の一方に、並列に接続されたダイオードと、から構成されることを特徴とするものを含む。 In the semiconductor relay according to the present invention, the clamp means includes a diode connected in parallel to one of the two resistors. That is, the clamp circuit includes two resistors connected in series between the gate and the source of the output MOSFET, and a diode connected in parallel to one of the two resistors. Including those characterized by this.
この構成により、フォトダイオードアレイの起電力が大きくなった場合に、ダイオードが導通することによって出力電圧がクランプされ、出力用MOSFETのゲート印加電圧を導通に必要十分なレベルに維持することができ、ゲート酸化膜の絶縁劣化を防止することが可能となる。 With this configuration, when the electromotive force of the photodiode array becomes large, the output voltage is clamped by the diode conducting, and the gate applied voltage of the output MOSFET can be maintained at a level sufficient for conduction, It becomes possible to prevent insulation deterioration of the gate oxide film.
また、本発明は、上記の半導体リレーにおいて、前記クランプ回路は、前記出力用MOSFETの前記ゲート及び前記ソース間に、直列に接続された2つの抵抗と、前記2つの抵抗の接続点にゲートが接続され、前記出力用MOSFETの前記ゲートに抵抗を介してドレインが接続され、前記出力用MOSFETの前記ソースにソースが接続されたNチャネルFETと、から構成されることを特徴とするものを含む。 In the semiconductor relay according to the present invention, the clamp circuit includes two resistors connected in series between the gate and the source of the output MOSFET, and a gate at a connection point of the two resistors. And an N-channel FET having a drain connected to the gate of the output MOSFET through a resistor and a source connected to the source of the output MOSFET. .
この構成により、フォトダイオードアレイの起電力が大きくなった場合に、NチャネルFETが導通することによって出力電圧がクランプされ、出力用MOSFETのゲート印加電圧を導通に必要十分なレベルに維持することができ、ゲート酸化膜の絶縁劣化を防止することが可能となる。 With this configuration, when the electromotive force of the photodiode array increases, the output voltage is clamped by the N-channel FET conducting, and the gate applied voltage of the output MOSFET can be maintained at a level sufficient for conduction. Therefore, it is possible to prevent the gate oxide film from being deteriorated in insulation.
また、本発明は、上記の半導体リレーにおいて、前記クランプ回路は、前記出力用MOSFETの前記ゲート及び前記ソース間に、直列に接続された2つの抵抗と、前記2つの抵抗の接続点にゲートが接続され、前記出力用MOSFETの前記ゲートにソースが接続され、前記出力用MOSFETの前記ソースに抵抗を介してドレインが接続されたPチャネルFETと、から構成されることを特徴とするものを含む。 In the semiconductor relay according to the present invention, the clamp circuit includes two resistors connected in series between the gate and the source of the output MOSFET, and a gate at a connection point of the two resistors. And a P-channel FET having a source connected to the gate of the output MOSFET and a drain connected to the source of the output MOSFET via a resistor. .
この構成により、フォトダイオードアレイの起電力が大きくなった場合に、PチャネルFETが導通することによって出力電圧がクランプされ、出力用MOSFETのゲート印加電圧を導通に必要十分なレベルに維持することができ、ゲート酸化膜の絶縁劣化を防止することが可能となる。 With this configuration, when the electromotive force of the photodiode array increases, the output voltage is clamped by the conduction of the P-channel FET, and the gate application voltage of the output MOSFET can be maintained at a level sufficient for conduction. Therefore, it is possible to prevent the gate oxide film from being deteriorated in insulation.
また、本発明は、上記の半導体リレーにおいて、前記クランプ回路は、前記出力用MOSFETの前記ゲート及び前記ソース間に、直列に接続された2つの抵抗と、前記2つの抵抗の接続点にベースが接続され、前記出力用MOSFETの前記ゲートに抵抗を介してコレクタが接続され、前記出力用MOSFETの前記ソースにエミッタが接続されたNPNバイポーラトランジスタと、から構成されることを特徴とするものを含む。 Further, the present invention is the above-described semiconductor relay, wherein the clamp circuit has a base between two resistors connected in series between the gate and the source of the output MOSFET and a connection point of the two resistors. And an NPN bipolar transistor having a collector connected to the gate of the output MOSFET via a resistor and an emitter connected to the source of the output MOSFET. .
この構成により、フォトダイオードアレイの起電力が大きくなった場合に、NPNバイポーラトランジスタが導通することによって出力電圧がクランプされ、出力用MOSFETのゲート印加電圧を導通に必要十分なレベルに維持することができ、ゲート酸化膜の絶縁劣化を防止することが可能となる。 With this configuration, when the electromotive force of the photodiode array increases, the output voltage is clamped by the NPN bipolar transistor conducting, and the gate applied voltage of the output MOSFET can be maintained at a level sufficient for conduction. Therefore, it is possible to prevent the gate oxide film from being deteriorated in insulation.
また、本発明は、上記の半導体リレーにおいて、前記クランプ回路は、前記出力用MOSFETの前記ゲート及び前記ソース間に、直列に接続された2つの抵抗と、前記2つの抵抗の接続点にベースが接続され、前記出力用MOSFETの前記ゲートにエミッタが接続され、前記出力用MOSFETの前記ソースに抵抗を介してコレクタが接続されたPNPバイポーラトランジスタと、から構成されることを特徴とするものを含む。 Further, the present invention is the above-described semiconductor relay, wherein the clamp circuit has a base between two resistors connected in series between the gate and the source of the output MOSFET and a connection point of the two resistors. And a PNP bipolar transistor having an emitter connected to the gate of the output MOSFET and a collector connected to the source of the output MOSFET via a resistor. .
この構成により、フォトダイオードアレイの起電力が大きくなった場合に、PNPバイポーラトランジスタが導通することによって出力電圧がクランプされ、出力用MOSFETのゲート印加電圧を導通に必要十分なレベルに維持することができ、ゲート酸化膜の絶縁劣化を防止することが可能となる。 With this configuration, when the electromotive force of the photodiode array increases, the output voltage is clamped by the conduction of the PNP bipolar transistor, and the gate application voltage of the output MOSFET can be maintained at a level sufficient for conduction. Therefore, it is possible to prevent the gate oxide film from being deteriorated in insulation.
更に、本発明は、上記の半導体リレーにおいて、前記クランプ回路は、前記出力用MOSFETの前記ゲート及び前記ソース間に接続されたツェナーダイオードから構成されることを特徴とするものを含む。 Furthermore, the present invention includes the above-described semiconductor relay, wherein the clamp circuit includes a Zener diode connected between the gate and the source of the output MOSFET.
この構成により、フォトダイオードアレイの起電力が大きくなった場合に、ツェナーダイオードのツェナー電圧によって出力電圧がクランプされ、出力用MOSFETのゲート印加電圧を、導通に必要十分なレベルに維持することができ、ゲート酸化膜の絶縁劣化を防止することが可能となる。 With this configuration, when the electromotive force of the photodiode array increases, the output voltage is clamped by the Zener voltage of the Zener diode, and the gate application voltage of the output MOSFET can be maintained at a level sufficient for conduction. Therefore, it is possible to prevent the gate oxide film from being deteriorated in insulation.
本発明によれば、フォトダイオードアレイの起電力が大きくなっても、出力用MOSFETのゲート酸化膜の絶縁劣化を防止することのできる半導体リレーを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if the electromotive force of a photodiode array becomes large, the semiconductor relay which can prevent the insulation deterioration of the gate oxide film of output MOSFET can be provided.
以下、本発明の実施の形態に係る半導体リレーについて、図面を用いて説明する。 Hereinafter, a semiconductor relay according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体リレーの概略構成を示す図である。同図に示すように、本実施の形態の半導体リレー1は、第1の入力端子11aと第2の入力端子11bを有するLED等の発光素子12と、発光素子12と絶縁されたフォトダイオードセルを直列に接続してなり、発光素子12の発光に応じて起電力を発生し電圧を出力するフォトダイオードアレイ13と、フォトダイオードアレイ13の出力電圧を充放電する充放電回路14と、フォトダイオードアレイ13の出力電圧を所定電圧に制限するクランプ回路15と、所定電圧の出力電圧をゲートに印加することによってドレインとソースの間がオン、オフされる炭化珪素(SiC)を材料とする2つの出力用MOSFET16a、16bを有する構成である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor relay according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in the figure, the semiconductor relay 1 of the present embodiment includes a
2つの出力用MOSFET16a、16bは、それぞれのゲートがクランプ回路15を介してフォトダイオードアレイ13のアノード端子に接続され、それぞれのソースが互いに逆直列に接続された上でクランプ回路15を介してフォトダイオードアレイ13のカソード端子に接続される。また、出力用MOSFET16aのドレインは第1の出力端子17aに接続され、出力用MOSFET16bのドレインが第2の出力端子17bに接続されている。
The two
クランプ回路15は、2つの出力用MOSFET16a、16bのゲートとソース間に直列に接続された抵抗R1、R2と、抵抗R2に並列に接続されたダイオードD1から構成される。なお、抵抗R1、R2の抵抗値は、例えば、R1が19.3MΩ、R2が0.7MΩである。
The clamp circuit 15 includes resistors R1 and R2 connected in series between the gates and sources of the two
次に、このように構成された本発明の実施の形態1に係る半導体リレーの動作について説明する。 Next, the operation of the thus configured semiconductor relay according to the first embodiment of the present invention will be described.
発光素子12は、第1及び第2の入力端子11a、11bから入力信号が入力されることによって発光し、光信号を生成する。フォトダイオードアレイ13は、発光素子12の光信号を受光してその両端で起電力を発生し、電圧を出力する。
The
充放電回路14は、フォトダイオードアレイ13の出力電圧を充放電し、クランプ回路15を介して出力用MOSFET16a、16bのゲートに印加する。そして、出力用MOSFET16a、16bのゲートに印加されるフォトダイオードアレイ13の出力電圧がしきい値電圧Vthよりも大きくなると、出力用MOSFET16a、16bのドレイン・ソース間がオンになり、第1及び第2の出力端子17a、16bの間が導通して、リレーが閉じられる。
The charge /
一方、第1及び第2の入力端子11a、11bにおいて入力信号がオフになると、充放電回路14からの出力電圧がなくなり、出力用MOSFET16a、16bのドレイン・ソース間がオフとなって、第1及び第2の出力端子17a、16bの間が遮断し、リレーが開放される。
On the other hand, when the input signal is turned off at the first and
次に、クランプ回路15の動作について説明する。 Next, the operation of the clamp circuit 15 will be described.
クランプ回路15は、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が設計値の例えば20V以下であれば、抵抗R2における電圧降下がダイオードD1の順方向電圧Vf(約0.7V)に略等しくなるので、出力用MOSFET16a、16bのゲートには、フォトダイオードアレイ13の出力電圧がそのまま印加される。
If the output voltage of the
一方、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が20V以上になると、抵抗R2における電圧降下がダイオードD1の順方向電圧Vfで固定される。そのため、例えば発光素子12の発光量が増えることによってフォトダイオードアレイ13の起電力が増し、出力電圧が上昇しようとしても、電流が増加するだけで出力電圧が高くなることはない。
On the other hand, when the output voltage of the
その結果、出力用MOSFET16a、16bのゲート酸化膜の絶縁劣化がゲート印加電圧の20V以下では生じないとすれば、絶縁劣化を効果的に防止できる。
As a result, if the insulation degradation of the gate oxide films of the
なお、実際には、ダイオードD1の順方向電圧Vfにも−1〜2mV/℃の温度勾配があるが、出力用MOSFET16a、16bのゲートへ印加する電圧に及ぼす影響は、次の式(2)で計算されるように小さい値である。
Actually, the forward voltage Vf of the diode D1 also has a temperature gradient of −1 to 2 mV / ° C., but the influence on the voltage applied to the gates of the
−1〜2×(19.3+0.7)/0.7≒−30mV/℃・・・(2) −1 to 2 × (19.3 + 0.7) /0.7≈−30 mV / ° C. (2)
この値は、クランプ回路15がない場合の―120mV/℃に比較して大幅に改善されており、例えば、動作温度範囲の下限−40℃においてゲート印加電圧を20Vに設定したとしても、室温(20℃)におけるゲート印加電圧の低下を小さくでき、しきい値電圧の高い出力用MOSFET76a、76bを十分に導通することが可能となる。
This value is greatly improved compared to −120 mV / ° C. when the clamp circuit 15 is not provided. For example, even when the gate application voltage is set to 20 V at the lower limit of the operating temperature range of −40 ° C., the room temperature ( The decrease in the gate applied voltage at 20 ° C. can be reduced, and the
以上説明したように、このような本発明の実施の形態1に係る半導体リレーによれば、入力信号に応答して光信号を生成する発光素子と、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と、フォトダイオードアレイで発生した起電力の電圧を充放電する充放電回路と、ゲート及びソースが充放電回路を介してフォトダイオードアレイに接続された2つの出力用MOSFETを備える半導体リレーにおいて、2つの出力用MOSFETの各ゲート・ソース間に、直列に接続された2つの抵抗と、抵抗の一方に並列に接続されたダイオードから構成されるクランプ回路を接続する。
As described above, according to the semiconductor relay according to the first embodiment of the present invention, the light emitting element that generates the optical signal in response to the input signal, and the electromotive force is generated by receiving the optical signal. Semiconductor relay comprising a photodiode array, a charge / discharge circuit for charging / discharging a voltage of an electromotive force generated in the photodiode array, and two output MOSFETs whose gates and sources are connected to the photodiode array via the charge /
これにより、フォトダイオードアレイの出力電圧が設計値の例えば20V以上になった場合でも、抵抗の一方における電圧降下がダイオードの順方向電圧Vfで固定されるので、2つの出力用MOSFETには20V以上のゲート電圧が印加されることがなく、ゲート酸化膜の絶縁劣化を防止することができる。 As a result, even when the output voltage of the photodiode array reaches a design value of, for example, 20 V or more, the voltage drop in one of the resistors is fixed by the forward voltage Vf of the diode. The gate voltage is not applied, and the gate oxide film can be prevented from being deteriorated in insulation.
(実施の形態2)
図2は、本発明の実施の形態2に係る半導体リレーの概略構成を示す図である。同図に示すように、本実施の形態の半導体リレー2は、図1に示した実施の形態1に係る半導体リレー1において、クランプ回路15に替えてクランプ回路25を有する構成である。なお、図1と同じ構成要素については、同一符号を付して説明を簡略にし、若しくは省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the semiconductor relay according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, the
クランプ回路25は、ツェナー電圧が例えば20VであるツェナーダイオードZD1から構成される。
The
次に、このように構成された本発明の実施の形態2に係る半導体リレーの動作について説明する。なお、リレー動作は実施の形態1と同じであるので説明を省略し、クランプ回路25の動作のみを説明する。
Next, the operation of the thus configured semiconductor relay according to the second embodiment of the present invention will be described. Since the relay operation is the same as that of the first embodiment, the description is omitted, and only the operation of the
クランプ回路25は、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が設計値の例えば20V以下であれば、ツェナーダイオードZD1にツェナー電流が流れることはないので、フォトダイオードアレイ13の出力電圧がそのまま出力用MOSFET16a、16bのゲートに印加される。
In the
一方、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が20V以上になると、ツェナーダイオードZD1にツェナー電流が流れ、ツェナー電圧で制限された20Vの電圧が出力用MOSFET16a、16bのゲートに印加される。
On the other hand, when the output voltage of the
その結果、出力用MOSFET16a、16bのゲート酸化膜の絶縁劣化がゲート印加電圧の20V以下では生じないとすれば、絶縁劣化を効果的に防止できる。
As a result, if the insulation degradation of the gate oxide films of the
なお、実際には、ツェナーダイオードZD1のツェナー電圧にも温度勾配があるが、この値は略−30mV/℃であって、クランプ回路25がない場合の、―120mV/℃に比較して大幅に改善されており、例えば、動作温度範囲の下限−40℃においてゲート印加電圧を20Vに設定したとしても、室温(20℃)におけるゲート印加電圧の低下を小さくでき、しきい値電圧の高い出力用MOSFET76a、76bを十分に導通することが可能となる。
Actually, the Zener voltage of the Zener diode ZD1 also has a temperature gradient, but this value is approximately −30 mV / ° C., which is much larger than −120 mV / ° C. when the
以上説明したように、このような本発明の実施の形態2に係る半導体リレーによれば、入力信号に応答して光信号を生成する発光素子と、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と、フォトダイオードアレイで発生した起電力の電圧を充放電する充放電回路と、ゲート及びソースが充放電回路を介してフォトダイオードアレイに接続された2つの出力用MOSFETを備える半導体リレーにおいて、2つの出力用MOSFETのゲート及びソース間に、ツェナー電圧が例えば20Vであるツェナーダイオードから構成されるクランプ回路を接続する。
As described above, according to the semiconductor relay according to the second embodiment of the present invention, a light emitting element that generates an optical signal in response to an input signal, and an electromotive force is generated by receiving the optical signal. Semiconductor relay comprising a photodiode array, a charge / discharge circuit for charging / discharging a voltage of an electromotive force generated in the photodiode array, and two output MOSFETs whose gates and sources are connected to the photodiode array via the charge /
これにより、フォトダイオードアレイの出力電圧が設計値の例えば20Vを超えた場合でも、ツェナーダイオードのツェナー電圧20Vで制限されるので、2つの出力用MOSFETに20V以上のゲート電圧が印加されることがなく、ゲート酸化膜の絶縁劣化を防止できる。 As a result, even when the output voltage of the photodiode array exceeds a design value of, for example, 20V, the Zener voltage of the Zener diode is limited to 20V. Therefore, a gate voltage of 20V or more may be applied to the two output MOSFETs. Insulation deterioration of the gate oxide film can be prevented.
(実施の形態3)
図3は、本発明の実施の形態3に係る半導体リレーの概略構成を示す図である。同図に示すように、本実施の形態の半導体リレー3は、図1に示した実施の形態1に係る半導体リレー1において、クランプ回路15に替えてクランプ回路35を有する構成である。なお、図1と同じ構成要素については同一符号を付して説明を簡略にし、若しくは省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor relay according to the third embodiment of the present invention. As shown in the figure, the semiconductor relay 3 of the present embodiment is configured to have a clamp circuit 35 instead of the clamp circuit 15 in the semiconductor relay 1 according to the first embodiment shown in FIG. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.
クランプ回路35は、2つの出力用MOSFET16a、16bのゲート・ソース間に直列に接続された抵抗R3、R4と、抵抗R3、R4の接続点にゲートが接続され、出力用MOSFET16a、16bの各ゲートに抵抗R5を介してドレインが接続され、出力用MOSFET16a、16bの各ソースにソースが接続されたNチャネルFET(Q1)から構成される。なお、抵抗R3〜R5の各抵抗値は、例えば、R3が19MΩ、R4が1MΩ、R5が抵抗R3、R4の各抵抗値の和20MΩより十分小さい値である。
The clamp circuit 35 has resistors R3 and R4 connected in series between the gates and sources of the two
次に、このように構成された本発明の実施の形態3に係る半導体リレーの動作について説明する。なお、リレー動作は実施の形態1と同じであるので説明を省略し、クランプ回路35の動作のみを説明する。 Next, the operation of the thus configured semiconductor relay according to the third embodiment of the present invention will be described. Since the relay operation is the same as that of the first embodiment, the description is omitted, and only the operation of the clamp circuit 35 is described.
クランプ回路35は、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が設計値の例えば20V以下であれば、NチャネルFET(Q1)のゲートに印加される抵抗R3、R4によって分圧された電圧は、NチャネルFET(Q1)をオンするための略1Vのしきい値を超えることはない。そのため、NチャネルFET(Q1)はオフのままであり、出力用MOSFET16a、16bのゲートには、20V以下のフォトダイオードアレイ13の出力電圧がそのまま印加される。
If the output voltage of the
一方、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が20V以上になると、抵抗R3、R4によって分圧された電圧は、しきい値の略1Vを超え、NチャネルFET(Q1)がオンしてドレイン・ソース間が導通する。そのため、例えば発光素子12の発光量が増えることによって、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が上昇しようとしても、電流が増加するだけで出力電圧が高くなることはない。
On the other hand, when the output voltage of the
その結果、出力用MOSFET16a、16bのゲート酸化膜の絶縁劣化が20V以下では生じないとすれば、絶縁劣化を効果的に防止できる。
As a result, if the insulation deterioration of the gate oxide films of the
なお、実際には、NチャネルFET(Q1)のしきい値電圧にも温度勾配があるが、この値は略−2mV/℃であって、出力用MOSFET16a、16bのゲートへ印加する電圧に及ぼす影響は−20mV/℃程度と小さく、例えば、動作温度範囲の下限−40℃においてゲート印加電圧を20Vに設定したとしても、室温(20℃)におけるゲート印加電圧の低下を小さくでき、しきい値電圧の高い出力用MOSFET76a、76bを十分に導通することが可能となる。
Actually, the threshold voltage of the N-channel FET (Q1) also has a temperature gradient, but this value is approximately −2 mV / ° C. and affects the voltage applied to the gates of the
図4は、本発明の実施の形態3に係る半導体リレーにおいて、変形例の概略構成を示す図である。同図に示すように、変形例の半導体リレー4は、図3に示した本実施の形態に係る半導体リレー3におけるクランプ回路35に替えて、クランプ回路45を有する構成である。 FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a modified example in the semiconductor relay according to the third embodiment of the present invention. As shown in the figure, the semiconductor relay 4 according to the modified example has a clamp circuit 45 instead of the clamp circuit 35 in the semiconductor relay 3 according to the present embodiment shown in FIG.
クランプ回路45は、2つの出力用MOSFET16a、16bのゲートとソース間に直列に接続された抵抗R6、R7と、抵抗R6、R7の接続点にゲートが接続され、出力用MOSFET16a、16bの各ゲートにソースが接続され、出力用MOSFET16a、16bの各ソースに抵抗R8を介してドレインが接続されたPチャネルFET(Q2)から構成される。なお、抵抗R6〜R8の各抵抗値は、例えば、R6が19MΩ、R7が1MΩ、R8が抵抗R6、R7の各抵抗値の和20MΩより十分小さい値である。
The clamp circuit 45 has resistors R6 and R7 connected in series between the gates and sources of the two
このように構成された本発明の実施の形態3に係る半導体リレーの変形例において、クランプ回路45の動作を説明する。 The operation of the clamp circuit 45 will be described in the modification of the semiconductor relay according to the third embodiment of the present invention configured as described above.
クランプ回路45は、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が設計値の例えば20V以下であれば、PチャネルFET(Q2)のゲートに印加される抵抗R6、R7によって分圧された電圧は、PチャネルFET(Q2)をオンするための略−1Vのしきい値を超えることはない。そのためPチャネルFET(Q2)はオフのままであり、出力用MOSFET16a、16bのゲート・ソース間には、20V以下のフォトダイオードアレイ13の出力電圧がそのまま印加される。
If the output voltage of the
一方、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が20V以上になると、抵抗R6、R7によって分圧された電圧は、しきい値の略−1Vを超え、PチャネルFET(Q2)がオンしてドレイン・ソース間が導通する。そのため、例えば発光素子12の発光量が増えることによって、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が上昇しようとしても、電流が増加するだけで出力電圧は増えることはない。
On the other hand, when the output voltage of the
その結果、出力用MOSFET16a、16bのゲート酸化膜の絶縁劣化が20V以下では生じないとすれば、絶縁劣化を効果的に防止できる。
As a result, if the insulation deterioration of the gate oxide films of the
なお、実際には、PチャネルFET(Q2)のしきい値電圧にも温度勾配があるが、この値は略−2mV/℃であって、出力用MOSFET16a、16bのゲートへ印加する電圧に及ぼす影響は−20mV/℃程度と小さく、例えば、動作温度範囲の下限−40℃においてゲート印加電圧を20Vに設定したとしても、室温(20℃)におけるゲート印加電圧の低下を小さくでき、しきい値電圧の高い出力用MOSFET76a、76bを十分に導通することが可能となる。
Actually, the threshold voltage of the P-channel FET (Q2) also has a temperature gradient, but this value is approximately −2 mV / ° C. and affects the voltage applied to the gates of the
以上説明したように、このような本発明の実施の形態3に係る半導体リレーによれば、入力信号に応答して光信号を生成する発光素子と、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と、フォトダイオードアレイで発生した起電力の電圧を充放電する充放電回路と、ゲート及びソースが充放電回路を介してフォトダイオードアレイに接続された2つの出力用MOSFETを備える半導体リレーにおいて、2つの出力用MOSFETのゲート及びソース間に、直列に接続された2つの抵抗と、両抵抗の接続点にゲートが接続され、2つの出力用MOSFETの各ゲートに抵抗を介してドレインが接続され、出力用MOSFETの各ソースにソースが接続されたNチャネルFETから構成されるクランプ回路を接続する。 As described above, according to such a semiconductor relay according to the third embodiment of the present invention, a light emitting element that generates an optical signal in response to an input signal, and an electromotive force is generated by receiving the optical signal. Semiconductor relay comprising a photodiode array, a charge / discharge circuit for charging / discharging a voltage of an electromotive force generated in the photodiode array, and two output MOSFETs whose gates and sources are connected to the photodiode array via the charge / discharge circuit , Two resistors connected in series between the gates and sources of the two output MOSFETs, and a gate connected to the connection point of both resistors, and a drain connected to each gate of the two output MOSFETs via the resistors. A clamp circuit composed of N-channel FETs connected to each other and connected to each source of the output MOSFET is connected.
また、クランプ回路は、2つの出力用MOSFETのゲートとソース間に、直列に接続された2つの抵抗と、両抵抗の接続点にゲートが接続され、2つの出力用MOSFETの各ゲートにソースが接続され、各ソースに抵抗を介してドレインが接続されたPチャネルFETから構成されるものであってもよい。 In addition, the clamp circuit has two resistors connected in series between the gate and source of the two output MOSFETs, and a gate connected to the connection point of both resistors, and a source is connected to each gate of the two output MOSFETs. It may be composed of a P-channel FET connected and having a drain connected to each source via a resistor.
これにより、フォトダイオードアレイの出力電圧が設計値の例えば20Vを超えた場合でも、2つの抵抗によって分圧された電圧は、NチャネルFET及びPチャネルFETの各しきい値であるそれぞれ略1V及び略−1Vを超えてドレイン・ソース間が導通するので、2つの出力用MOSFETに20V以上のゲート電圧が印加されることがなく、ゲート酸化膜の絶縁劣化を防止できる。 As a result, even when the output voltage of the photodiode array exceeds a design value of, for example, 20 V, the voltage divided by the two resistors is approximately 1 V and the threshold values of the N-channel FET and the P-channel FET, respectively. Since the drain-source connection is made to exceed approximately -1 V, the gate voltage of 20 V or more is not applied to the two output MOSFETs, and the insulation deterioration of the gate oxide film can be prevented.
(実施の形態4)
図5は、本発明の実施の形態5に係る半導体リレーの概略構成を示す図である。同図に示すように、本実施の形態の半導体リレー4は、図1に示した実施の形態1に係る半導体リレー1において、クランプ回路15に替えてクランプ回路55を有する構成である。なお、図1と同じ構成要素については、同一符号を付して説明を簡略にし、若しくは省略する。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor relay according to the fifth embodiment of the present invention. As shown in the figure, the semiconductor relay 4 of the present embodiment has a configuration having a clamp circuit 55 in place of the clamp circuit 15 in the semiconductor relay 1 according to the first embodiment shown in FIG. In addition, about the same component as FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and description is simplified or abbreviate | omitted.
クランプ回路55は、2つの出力用MOSFET16a、16bのゲートとソース間に直列に接続された抵抗R9、R10と、抵抗R9、R10の接続点にベースが接続され、出力用MOSFET16a、16bの各ゲートに抵抗R11を介してコレクタが接続され、出力用MOSFET16a、16bの各ソースにエミッタが接続されたNPNバイポーラトランジスタQ3から構成される。なお、抵抗R9〜R11の各抵抗値は、例えば、R9が30MΩ、R10が1MΩ、R11が抵抗R9、R10の各抵抗値の和31MΩより十分小さい値である。
The clamp circuit 55 has resistors R9 and R10 connected in series between the gates and sources of the two
次に、このように構成された本発明の実施の形態4に係る半導体リレーの動作について説明する。なお、リレー動作は実施の形態1と同じであるので説明を省略し、クランプ回路55の動作のみを説明する。 Next, the operation of the thus configured semiconductor relay according to the fourth embodiment of the present invention will be described. Since the relay operation is the same as that of the first embodiment, the description is omitted, and only the operation of the clamp circuit 55 is described.
クランプ回路55は、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が設計値の例えば20V以下であれば、NPNバイポーラトランジスタQ3のベースに印加される抵抗R9、R10によって分圧された電圧は、NPNバイポーラトランジスタQ3をオンするためのベース・エミッタ電圧Vbeの略0.7Vを超えることはない。そのため、NPNバイポーラトランジスタQ3はオフのままであり、出力用MOSFET16a、16bのゲート・ソース間には、20V以下のフォトダイオードアレイ13の出力電圧がそのまま印加される。
If the output voltage of the
一方、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が20V以上になると、抵抗R9、R10によって分圧された電圧は、Vbeの略0.7Vを超え、NPNバイポーラトランジスタQ3がオンしてコレクタ・エミッタ間が導通する。そのため、例えば発光素子12の発光量が増えることによって、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が上昇しようとしても、電流が増加するだけで出力電圧が高くなることはない。
On the other hand, when the output voltage of the
その結果、出力用MOSFET16a、16bのゲート酸化膜の絶縁劣化が20V以下では生じないとすれば、絶縁劣化を効果的に防止できる。
As a result, if the insulation deterioration of the gate oxide films of the
なお、実際には、NPNバイポーラトランジスタQ3のベース・エミッタ電圧Vbeにも温度勾配があるが、この値は略−2mV/℃であって、出力用MOSFET16a、16bのゲートへ印加する電圧に及ぼす影響は−20mV/℃程度と小さく、例えば、動作温度範囲の下限−40℃においてゲート印加電圧を20Vに設定したとしても、室温(20℃)におけるゲート印加電圧の低下を小さくでき、しきい値電圧の高い出力用MOSFET76a、76bを十分に導通することが可能となる。
Actually, the base-emitter voltage Vbe of the NPN bipolar transistor Q3 also has a temperature gradient, but this value is approximately −2 mV / ° C., which has an effect on the voltage applied to the gates of the
図6は、本発明の実施の形態4に係る半導体リレーにおいて、変形例の概略構成を示す図である。同図に示すように、本変形例の半導体リレー6は、図5に示した本実施の形態に係る半導体リレー5におけるクランプ回路55に替えてクランプ回路65を有する構成である。 FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a modified example in the semiconductor relay according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in the figure, the semiconductor relay 6 of this modification has a configuration having a clamp circuit 65 in place of the clamp circuit 55 in the semiconductor relay 5 according to the present embodiment shown in FIG.
クランプ回路65は、2つの出力用MOSFET16a、16bのゲートとソース間に直列に接続された抵抗R12、R13と、抵抗R12、R13の接続点にベースが接続され、出力用MOSFET16a、16bの各ゲートにエミッタが接続され、出力用MOSFET16a、16bの各ソースに抵抗R14を介してコレクタが接続されたPNPバイポーラトランジスタQ4から構成される。
The clamp circuit 65 has resistors R12 and R13 connected in series between the gates and sources of the two
このように構成された本発明の実施の形態4に係る半導体リレーの変形例において、クランプ回路65の動作を説明する。 The operation of the clamp circuit 65 will be described in the modification of the semiconductor relay according to the fourth embodiment of the present invention configured as described above.
クランプ回路65は、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が設計値の例えば20V以下であれば、PNPバイポーラトランジスタQ4のベースに印加される抵抗R12、R13によって分圧された電圧は、PNPバイポーラトランジスタQ4をオンするためのベース・エミッタ電圧Vbeの略−0.7Vを超えることはない。そのため、PNPバイポーラトランジスタQ4はオフのままであり、出力用MOSFET16a、16bのゲート・ソース間には、20V以下のフォトダイオードアレイ13の出力電圧がそのまま印加される。
If the output voltage of the
一方、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が20V以上になると、抵抗R6、R7によって分圧された電圧は、Vbeの略−0.7Vを超え、PNPバイポーラトランジスタQ4がオンしてコレクタ・エミッタ間が導通する。そのため、例えば発光素子12の発光量が増えることによって、フォトダイオードアレイ13の出力電圧が上昇しようとしても、電流が増加するだけで出力電圧が高くなることはない。
On the other hand, when the output voltage of the
その結果、出力用MOSFET16a、16bのゲート酸化膜の絶縁劣化が20V以下では生じないとすれば、絶縁劣化を効果的に防止できる。
As a result, if the insulation deterioration of the gate oxide films of the
なお、実際には、PNPバイポーラトランジスタQ4のベース・エミッタ電圧Vbeにも温度勾配があるが、この値は略−2mV/℃であって、出力用MOSFET16a、16bのゲートへ印加する電圧に及ぼす影響は−20mV/℃程度と小さく、例えば、動作温度範囲の下限−40℃においてゲート印加電圧を20Vに設定したとしても、室温(20℃)におけるゲート印加電圧の低下を小さくでき、しきい値電圧の高い出力用MOSFET76a、76bを十分に導通することが可能となる。
Actually, the base-emitter voltage Vbe of the PNP bipolar transistor Q4 also has a temperature gradient, but this value is approximately −2 mV / ° C., which has an effect on the voltage applied to the gates of the
以上説明したように、このような本発明の実施の形態4に係る半導体リレーによれば、入力信号に応答して光信号を生成する発光素子と、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と、フォトダイオードアレイで発生した起電力の電圧を充放電する充放電回路と、ゲート及びソースが充放電回路を介してフォトダイオードアレイに接続された2つの出力用MOSFETを備える半導体リレーにおいて、2つの出力用MOSFETのゲート及びソース間に、直列に接続された2つの抵抗と、両抵抗の接続点にベースが接続され、出力用MOSFETの各ゲートに抵抗を介してコレクタが接続され、出力用MOSFETの各ソースにエミッタが接続されたNPNバイポーラトランジスタから構成されるクランプ回路を接続する。 As described above, according to the semiconductor relay according to the fourth embodiment of the present invention, a light emitting element that generates an optical signal in response to an input signal, and an electromotive force is generated by receiving the optical signal. Semiconductor relay comprising a photodiode array, a charge / discharge circuit for charging / discharging a voltage of an electromotive force generated in the photodiode array, and two output MOSFETs whose gates and sources are connected to the photodiode array via the charge / discharge circuit , Two resistors connected in series between the gate and source of the two output MOSFETs, a base is connected to the connection point of both resistors, and a collector is connected to each gate of the output MOSFET via a resistor. A clamp circuit composed of an NPN bipolar transistor having an emitter connected to each source of the output MOSFET is connected.
また、クランプ回路は、2つの出力用MOSFETのゲートとソース間に直列に接続された2つの抵抗と、両抵抗の接続点にベースが接続され、2つの出力用MOSFETの各ゲートにエミッタが接続され、各ソースに抵抗を介してコレクタが接続されたPNPバイポーラトランジスタから構成されるものであってもよい。 The clamp circuit has two resistors connected in series between the gate and source of the two output MOSFETs, and a base connected to the connection point of both resistors, and an emitter connected to each gate of the two output MOSFETs. The PNP bipolar transistor may have a collector connected to each source via a resistor.
これにより、フォトダイオードアレイの出力電圧が設計値の例えば20Vを超えた場合でも、2つの抵抗によって分圧された電圧は、NPNバイポーラトランジスタ及びPNPバイポーラトランジスタのベース・エミッタ電圧Vbeの略0.7V及び略−0.7Vを超えてコレクタ・エミッタ間が導通するので、2つの出力用MOSFETに20V以上のゲート電圧が印加されることがなく、ゲート酸化膜の絶縁劣化を防止できる。 As a result, even if the output voltage of the photodiode array exceeds a design value of, for example, 20V, the voltage divided by the two resistors is approximately 0.7V of the base-emitter voltage Vbe of the NPN bipolar transistor and the PNP bipolar transistor. In addition, since the collector-emitter is conducted exceeding approximately −0.7 V, the gate voltage of 20 V or more is not applied to the two output MOSFETs, and the insulation deterioration of the gate oxide film can be prevented.
1〜6 半導体リレー
12 発光素子
13 フォトダイオードアレイ
14 充放電回路
15、25、35、45、55、65 クランプ回路
16a、16b 出力用MOSFET
D1 ダイオード
R1〜R14 抵抗
Q1 NチャネルFET
Q2 PチャネルFET
Q3 NPNバイポーラトランジスタ
Q4 PNPバイポーラトランジスタ
ZD1 ツェナーダイオード
1-6
D1 Diode R1-R14 Resistor Q1 N-channel FET
Q2 P-channel FET
Q3 NPN bipolar transistor Q4 PNP bipolar transistor ZD1 Zener diode
Claims (7)
前記充放電回路と前記出力用MOSFETの間に、前記フォトダイオードアレイによって発生した電圧を制限するクランプ回路を具備し、
前記クランプ回路は、
前記出力用MOSFETの前記ゲート及び前記ソース間に、直列に接続された2つの抵抗と、
前記2つの抵抗の一方あるいは双方に、並列に接続され、電圧を制御するクランプ手段を具備した半導体リレー。 A light emitting element that generates an optical signal in response to an input signal, a photodiode array that receives the optical signal and generates a voltage, a charge / discharge circuit that charges and discharges the voltage generated by the photodiode array, and the charge / discharge circuit In a semiconductor relay comprising an output MOSFET having a gate and a source connected to a discharge circuit,
A clamp circuit for limiting a voltage generated by the photodiode array between the charge / discharge circuit and the output MOSFET;
The clamp circuit is
Two resistors connected in series between the gate and the source of the output MOSFET;
A semiconductor relay comprising clamp means connected in parallel to one or both of the two resistors to control the voltage.
前記クランプ手段は、
前記2つの抵抗の一方に、並列に接続されたダイオードである半導体リレー。 The semiconductor relay according to claim 1,
The clamping means includes
A semiconductor relay which is a diode connected in parallel to one of the two resistors.
前記クランプ手段は、
前記2つの抵抗の接続点にゲートが接続され、前記出力用MOSFETの前記ゲートに抵抗を介してドレインが接続され、前記出力用MOSFETの前記ソースにソースが接続されたNチャネルFETと、
から構成されることを特徴とする半導体リレー。 The semiconductor relay according to claim 1,
The clamping means includes
An N-channel FET having a gate connected to a connection point of the two resistors, a drain connected to the gate of the output MOSFET via a resistor, and a source connected to the source of the output MOSFET;
A semiconductor relay comprising:
前記クランプ手段は、
前記2つの抵抗の接続点にゲートが接続され、前記出力用MOSFETの前記ゲートにソースが接続され、前記出力用MOSFETの前記ソースに抵抗を介してドレインが接続されたPチャネルFETから構成される半導体リレー。 The semiconductor relay according to claim 1,
The clamping means includes
A gate is connected to the connection point of the two resistors, a source is connected to the gate of the output MOSFET, and a P-channel FET is connected to the source of the output MOSFET via a resistor. Semiconductor relay.
前記クランプ手段は、
前記2つの抵抗の接続点にベースが接続され、前記出力用MOSFETの前記ゲートに抵抗を介してコレクタが接続され、前記出力用MOSFETの前記ソースにエミッタが接続されたNPNバイポーラトランジスタから構成される半導体リレー。 The semiconductor relay according to claim 1,
The clamping means includes
A base is connected to the connection point of the two resistors, a collector is connected to the gate of the output MOSFET via a resistor, and an NPN bipolar transistor is connected to the source of the output MOSFET. Semiconductor relay.
前記クランプ手段は、
前記2つの抵抗の接続点にベースが接続され、前記出力用MOSFETの前記ゲートにエミッタが接続され、前記出力用MOSFETの前記ソースに抵抗を介してコレクタが接続されたPNPバイポーラトランジスタから構成される半導体リレー。 The semiconductor relay according to claim 1,
The clamping means includes
A base is connected to the connection point of the two resistors, an emitter is connected to the gate of the output MOSFET, and a PNP bipolar transistor is connected to the source of the output MOSFET via a resistor. Semiconductor relay.
前記充放電回路と前記出力用MOSFETの間に、前記フォトダイオードアレイによって発生した電圧を制限するクランプ回路を具備し、
前記クランプ回路は、
前記出力用MOSFETの前記ゲート及び前記ソース間に接続されたツェナーダイオードから構成されることを特徴とする半導体リレー。 A light emitting element that generates an optical signal in response to an input signal, a photodiode array that receives the optical signal and generates a voltage, a charge / discharge circuit that charges and discharges the voltage generated by the photodiode array, and the charge / discharge circuit In a semiconductor relay comprising an output MOSFET having a gate and a source connected to a discharge circuit,
A clamp circuit for limiting a voltage generated by the photodiode array between the charge / discharge circuit and the output MOSFET;
The clamp circuit is
A semiconductor relay comprising a Zener diode connected between the gate and the source of the output MOSFET.
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---|---|---|---|---|
US11476850B1 (en) | 2021-03-23 | 2022-10-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor relay device |
-
2009
- 2009-01-21 JP JP2009010643A patent/JP2010171574A/en not_active Withdrawn
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