JP7374948B2 - 半導体リレー装置 - Google Patents

Description

実施形態は、概して半導体リレー装置に関する。

入力信号に基づいて、出力端子において接続された機器の回路の開閉を行う半導体リレー装置が知られている。半導体リレー装置によっては、回路の開閉を、半導体を使用する装置（部品）により制御する。そのような半導体リレー装置は、入力信号を磁気、容量、及び光等の非接触な形態で受け取り得る。一般に、このような半導体リレー装置は、過大な電圧の印加、過大な電流の流入、過熱による出力側の機器への影響を保護する機構を有することを求められる。

特開２０００－２５２５１５号公報

絶縁分離された入力側（１次側）と出力側（２次側）からなる半導体リレーにおいて、２次側に外部電源を含まずとも、過熱による影響から半導体リレー装置自身および出力側の機器を保護できる半導体リレー装置を提供しようとするものである。

一実施形態による半導体リレー装置は、変換回路部と、ツェナーダイオードと、ｎ個のダイオードと、サイリスタと、トランジスタとを含む。上記変換回路部は、外部から入力信号を受け取り、上記入力信号に基づいて第１ノードにおいて第１電流を流す。上記ツェナーダイオードは、第２ノードと接続されアノード、及び上記第１ノードと接続されたカソードを有する。上記ｎ個のダイオードは、直列に接続され、上記ｎ個のダイオードのうちの第１端の１つのダイオードのアノードは上記第１ノードと接続され、上記ｎ個のダイオードのうちの第２端の１つのダイオードのカソードは第３ノードと接続されている。上記サイリスタは、上記第１ノードと接続されたアノード、上記第２ノードと接続されたカソード、及び上記第３ノードと接続された制御端子を含む。上記トランジスタは、上記第１ノードと接続されたゲートを有する。

図１は、第１実施形態に係るシステムの機能ブロックを示す。 図２は、第１実施形態の半導体リレー装置の第１結合型の場合の回路の構成及び機能ブロックを示す。 図３は、第１実施形態の半導体リレー装置の第２結合型の場合の回路の構成及び機能ブロックを示す。 図４は、第１実施形態の半導体リレー装置の第３結合型の場合の回路の構成を示す。 図５は、第１実施形態の相違する温度でのダイオードセット端子電圧を示す。 図６は、第１実施形態の半導体リレー装置でのダイオードの数と半導体リレー装置の温度との関係を示す。 図７は、第１実施形態の半導体リレー装置の動作の間の一状態を示す。 図８は、第１実施形態の半導体リレー装置の動作の間の一状態を示す。 図９は、第１実施形態の半導体リレー装置の動作の間のいくつかの要素の値を時間に沿って示す。 図１０は、第１実施形態の受信回路の温度と制御信号の電圧の関係を示す。 図１１は、第１実施形態の半導体リレー装置の応用例を示す。 図１２は、第１実施形態の変形例の半導体リレー装置の回路の構成を示す。

以下に実施形態が図面を参照して記述される。以下の記述において、略同一の機能及び構成を有する構成要素は同一の参照符号を付され、繰返しの説明は省略される場合がある。

本明細書及び特許請求の範囲において、或る第１要素が別の第２要素に「接続されている」とは、第１要素が直接的又は常時或いは選択的に導電性となる要素を介して第２要素に接続されていることを含む。

１．第１実施形態
１．１．構成
１．１．１．システム
図１は、第１実施形態に係るシステム７００の機能ブロックを示す。システム７００は、例えば空調機器として実現されることが可能である。図１に示されるように、システム７００は、入力側機器５００、半導体リレー装置１００、及び出力側機器６００を含む。

入力側機器５００は、半導体リレー装置１００に入力信号Ｓｉｎを送信する。入力信号Ｓｉｎは、電気信号であり、出力側機器６００のオン又はオフを制御する情報を伝送する。入力側機器５００の例は、システム７００が空調機器である場合、リモートコントローラを含む。入力信号Ｓｉｎの例は、システム７００が空調機器である場合、サーモスタットを制御する信号を含む。

出力側機器６００は、半導体リレー装置１００と接続され、半導体リレー装置１００を介した入力側機器５００の制御に基づいて、オン又はオフする。出力側機器６００の例は、システム７００が空調機器である場合、電磁弁を制御するモータを含む。

半導体リレー装置１００は、入力信号Ｓｉｎを受け取り、入力側機器５００と出力側機器６００を電気的に切り離したまま、入力信号Ｓｉｎに基づいて、出力側機器６００をオン又はオフさせる。半導体リレー装置１００は、信号を伝達することが可能な任意の結合を使用する。結合の例は、容量結合、磁気結合、及び光結合を含む。半導体リレー装置１００は、例えば、複数の、半導体素子を含んだチップ（半導体チップ）、及び半導体チップを封止するパッケージを含んだ半導体部品であることが可能である。

半導体リレー装置１００は、送信回路２００、受信回路３００、及びスイッチ回路４００を含む。

送信回路２００は、入力信号Ｓｉｎから入力信号Ｉｎｒを生成する。送信回路２００は、例えば、半導体チップであることが可能である。送信回路２００の詳細は、半導体リレー装置１００によって使用される結合の形態に依存する。入力信号Ｉｎｒの形態は、半導体リレー装置１００によって使用される結合の形態に依存する。送信回路２００の具体的な例については、後述される。

受信回路３００は、送信回路２００と絶縁分離されている。受信回路３００は、信号を伝達できるとともに電気的な結合を除く任意の形態で送信回路２００と結合している。すなわち、受信回路３００は、半導体リレー装置１００によって使用される結合の形態に依存する入力信号Ｉｎｒを受信できる。受信回路３００の詳細は、送信回路２００と受信回路３００との結合の形態に基づく。受信回路３００は、入力信号Ｉｎｒに基づいて、制御信号ＳＣを生成する。受信回路３００は、例えば、半導体チップであることが可能である。受信回路３００については、後にさらに記述される。

スイッチ回路４００は、一端において端子ＴＭ１と接続されており、他端において端子ＴＭ２と接続されている。スイッチ回路４００は、制御信号ＳＣを受け取り、制御信号ＳＣに基づいてオン又はオフする、すなわち、端子ＴＭ１と端子ＴＭ２を電気的に接続又は切断する。制御信号ＳＣは、スイッチ回路４００をオンさせる状態、又はスイッチ回路４００をオフさせる状態を取り得る。以下、制御信号ＳＣがスイッチ回路４００をオンさせる状態は、制御信号ＳＣがオン指示状態にあると称される場合がある。一方、制御信号ＳＣがスイッチ回路４００をオフさせる状態は、制御信号ＳＣがオフ指示状態にあると称される場合がある。スイッチ回路４００は、例えば、半導体チップであることが可能である。スイッチ回路４００は、制御信号ＳＣに基づいて、オンする、すなわち、端子ＴＭ１と端子ＴＭ２を電気的に導通させる。また、スイッチ回路４００は、制御信号ＳＣに基づいて、オフする、すなわち、端子ＴＭ１と端子ＴＭ２を電気的に非導通にする。スイッチ回路４００は、出力側機器６００の動作に必要な電流が流れる経路（電流経路）の一部を構成する。スイッチ回路４００がオンしていると、出力側機器６００の電流経路が形成されており、出力側機器６００は動作でき、すなわち、出力側機器６００はオンしている。スイッチ回路４００がオフしていると、出力側機器６００の電流経路が形成されておらず、出力側機器６００は動作できず、すなわち、出力側機器６００はオフしている。

受信回路３００について、さらに記述される。受信回路３００は、保護回路部１、制御回路部２、及び変換回路部３を含む。制御回路部２は、変換回路部３による変換により得られる電気信号の電圧の大きさを一定の大きさを超えないように抑制する。

保護回路部１は、出力側機器６００を、半導体リレー装置１００の過熱及び（又は）過大な電流（以下、過電流と称される場合がある）による影響から保護する。すなわち、保護回路部１は、過熱に基づいて、及び（又は）過電流が流れることに基づいて、制御信号ＳＣをオフ指示状態にする。保護回路部１は、過熱保護回路部１０及び過電流保護回路部１１を含む。過熱保護回路部１０は、半導体リレー装置１００の温度、特に、過熱保護回路部１０の温度が或る大きさを超えることに基づいて、制御信号ＳＣをオフ指示状態にする。過電流保護回路部１１は、受信回路３００中を或る大きさを超える電流が流れることに基づいて、制御信号ＳＣをオフ指示状態にする。

１．１．２．送信回路及び変換回路部
上記のように、送信回路２００及び受信回路３００は、信号を伝達できる任意の形態で結合しており、送信回路２００の詳細及び受信回路３００、特に変換回路部３の詳細は、結合の形態に依存する。以下に、いくつかの結合の形態での送信回路２００の詳細の例、及び受信回路３００の詳細の例が記述される。

図２は、第１実施形態の半導体リレー装置１００の第１結合型の場合の回路の構成及び機能ブロックを示す。具体的には、図２は、半導体リレー装置１００が磁気結合型の半導体リレー装置である場合、すなわち、送信回路２００と受信回路３００が磁気結合している場合の半導体リレー装置１００の回路構成及び機能ブロックの例を示す。

図２に示されるように、送信回路２００は、オシレータ２０１、否定論理積（ＮＡＮＤ）ゲート２０２及び２０３、及びコイル２０４を含む。

オシレータ２０１は、出力端子Ｑにおいて、周期を有するクロック信号を出力する。オシレータ２０１は、出力端子￣Ｑにおいて、出力端子Ｑから出力される交流信号と１８０°位相の異なるクロック信号を出力する。

ＮＡＮＤゲート２０２は、第１入力端子において、オシレータ２０１の出力端子Ｑと接続されている。ＮＡＮＤゲート２０２は、第２入力端子において、入力信号Ｓｉｎを受け取る。ＮＡＮＤゲート２０２は、出力端子において、コイル２０４の第１端子（一端）と接続されている。

ＮＡＮＤゲート２０３は、第１入力端子において、オシレータ２０１の出力端子￣Ｑと接続されている。ＮＡＮＤゲート２０３は、第２入力端子において、入力信号Ｓｉｎを受け取る。ＮＡＮＤゲート２０３は、出力端子において、コイル２０４の第２端子（他端）と接続されている。

図２の例では、入力信号Ｉｎｒは、コイル２０４による電磁誘導によって生成される磁気信号である。

変換回路部３は、ダイオード３０１、３０２、３０３、及び３０４、コイル３０５、キャパシタ３０６、並びに抵抗３０７を含む。

ダイオード３０１は、アノードにおいて、ノードＮ１と接続されている。ダイオード３０１は、カソードにおいて、ダイオード３０２のアノードと接続されている。ダイオード３０２は、カソードにおいて、ノードＮ２と接続されている。

ダイオード３０３は、アノードにおいて、ノードＮ１と接続されている。ダイオード３０３は、カソードにおいて、ダイオード３０４のアノードと接続されている。ダイオード３０４は、カソードにおいて、受信回路３００のノードＮ２と接続されている。

コイル３０５は、第１端子（一端）において、ダイオード３０１のカソード及びダイオード３０２のアノードと接続されている。コイル３０５は、第２端子（他端）において、ダイオード３０３のカソード及びダイオード３０４のアノードと接続されている。

キャパシタ３０６は、第１端子（一端）においてノードＮ１と接続され、第２端子（他端）においてノードＮ２と接続されている。

抵抗３０７は、第１端子（一端）においてノードＮ１と接続され、第２端子（他端）においてノードＮ２と接続されている。

コイル３０５は、コイル３０５の両端に入力信号Ｓｉｎに基づく電位差を生成することによって、入力信号Ｓｉｎを交流の電気信号に変換する。ダイオード３０１～３０４、キャパシタ３０６、及び抵抗３０７は、コイル３０５によって生成された交流電流を平滑された直流電流に変換する。平滑された直流電流は、制御回路部２及び過熱保護回路部１０を介してスイッチ回路４００に流れる。さらに、図示していないチャージポンプ回路が送信回路２００とスイッチ回路４００の間に挿入されてもよい。

図３は、第１実施形態の半導体リレー装置１００の第２結合型の場合の回路の構成及び機能ブロックを示す。具体的には、図３は、半導体リレー装置１００が容量結合型の半導体リレー装置である場合、すなわち、送信回路２００と受信回路３００が容量結合している場合の半導体リレー装置１００の回路構成及び機能ブロックの例を示す。

図３に示されるように、送信回路２００は、オシレータ２０１、ｐ型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）２１１、インバータ２１２及び２１３、キャパシタ２１４の第１端子（一端）、並びにキャパシタ２１５の第１端子（一端）を含む。

送信回路２００の正の電極は、入力信号Ｓｉｎを受け取る。正電極は、トランジスタ２１１のソースと接続されている。トランジスタ２１１のドレインは、オシレータ２０１の正の入力端子と接続されている。送信回路２００の負の電極は、オシレータ２０１の負の入力端子及びトランジスタ２１１のゲートと接続されている。

オシレータ２０１の出力端子Ｑは、インバータ２１２の入力端子と接続されている。インバータ２１２の出力端子は、キャパシタ２１４の第１端子と接続されている。

オシレータ２０１の出力端子￣Ｑは、インバータ２１３の入力端子と接続されている。インバータ２１３の出力端子は、キャパシタ２１５の第１端子と接続されている。

図３の例では、入力信号Ｉｎｒは、キャパシタ２１４及び２１５において蓄積される電荷に基づく電気信号である。

変換回路部３は、ダイオード３０１、３０２、３０３、及び３０４、キャパシタ３０６、並びに抵抗３０７を含む。ダイオード３０１、３０２、３０３、及び３０４、キャパシタ３０６、並びに抵抗３０７は、磁気結合型の半導体リレー装置１００での接続（図２）と同じ形で接続されている。変換回路部３は、磁気結合の場合（図２）でのコイル３０５に代えて、キャパシタ２１４の第２端子（他端）及びキャパシタ２１４の第２端子（他端）を含む。

キャパシタ２１４の第２端子は、ダイオード３０１のカソード及びダイオード３０２のアノードと接続されている。キャパシタ２１５の第２端子は、ダイオード３０３のカソード及びダイオード３０４のアノードと接続されている。

キャパシタ２１４及び２１５は、入力信号Ｓｉｎに基づく電荷を蓄積し、蓄積された電荷を放出する。放出される電荷に基づいて交流電流が生成される。ダイオード３０１～３０４、キャパシタ３０６、及び抵抗３０７は、キャパシタ２１４及び２１５によって生成された交流電流を平滑された直流電流に変換する。平滑された直流電流は、制御回路部２及び過熱保護回路部１０を介してスイッチ回路４００に流れる。さらに、図示していないチャージポンプ回路が送信回路２００とスイッチ回路４００の間に挿入されてもよい。

図４は、第１実施形態の半導体リレー装置１００の第３結合型の場合の回路の構成を示す。具体的には、図４は、半導体リレー装置１００が光結合型の半導体リレー装置である場合、すなわち、送信回路２００と受信回路３００が光結合している場合の半導体リレー装置１００の回路構成の例を示す。図４はまた、制御回路部２及び過熱保護回路部１０の回路の構成の例も示す。図４は、送信回路２００の一部、特に、出力に関する部分のみを示す。

図４に示されるように、送信回路２００は、発光ダイオード２２１を含む。発光ダイオード２２１は、アノードにおいて、送信回路２００のノードＮ１１と接続されている。発光ダイオード２２１は、カソードにおいて、送信回路２００のノードＮ１２と接続されている。ノードＮ１２は、ノードＮ１１の電位より低い電位を有する。発光ダイオード２２１は、入力信号Ｓｉｎに基づいて発光する。図４の例では、入力信号Ｉｎｒは、発光ダイオード２２１の発光に基づく光信号である。

図４の例では、発光ダイオード２２１は定電流駆動される。発光ダイオード２２１に直列に接続された抵抗（図示せず）を介して、発光ダイオード２２１が定電圧駆動されることも可能である。

変換回路部３は、直列接続された複数のフォトダイオード３１１を含む。直列接続されたフォトダイオード３１１の組は、一端においてノードＮ１と接続され、他端においてノードＮ２と接続されている。すなわち、直列接続されたフォトダイオード３１１の組の一端の１つのフォトダイオード３１１を除く各フォトダイオード３１１は、アノードにおいて、別のフォトダイオード３１１のカソードと接続されている。直列接続されたフォトダイオード３１１の組の一端の１つのフォトダイオード３１１は、ノードＮ２と接続されている。直列接続されたフォトダイオード３１１の組の他端の１つのフォトダイオード３１１は、カソードにおいて、ノードＮ１と接続されている。フォトダイオード３１１の組は、フォトダイオード３１１の組が入力信号ＩＮｒを受けている間、ノードＮ１からノードＮ２に向かって光起電力Ｖｓを生成する。光起電力Ｖｓによって、ノードＮ２を電流Ｉｉｎｔが流れる。

制御回路部２は、ノードＮ２を流れる電流Ｉｉｎｔに基づいて、ノードＮ１とノードＮ３の間に生じる電圧を或る大きさを超えない大きさに保つ限り、どのような構造を有していてもよい。例として、制御回路部２は、ｎ型のＭＯＳＦＥＴ２１、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ２２、複数のダイオード２３、抵抗２４、及びダイオード２５を含む。

トランジスタ２１は、ソースにおいてノードＮ２と接続されており、ドレインにおいてノードＮ１と接続されている。トランジスタ２１のゲートは、抵抗２４の一端と接続されている。抵抗２４の他端は、ノードＮ１と接続されている。

複数のダイオード２３は、ノードＮ１とトランジスタ２１のゲートの間に直列に接続されている。直列接続されたダイオード２３の組の一端の１つのダイオード２３は、アノードにおいてノードＮ１と接続されている。直列接続されたダイオード２３の組の他端の１つのダイオード２３は、カソードにおいてトランジスタ２１のゲートと接続されている。

トランジスタ２２は、コレクタにおいて、ノードＮ２と接続されている。トランジスタ２２は、ベースにおいて、ノードＮ１と接続されている。トランジスタ２２は、エミッタにおいて、ノードＮ３と接続されている。

ダイオード２５は、アノードにおいて、ノードＮ３と接続されている。ダイオード２５は、カソードにおいて、ノードＮ１と接続されている。

過熱保護回路部１０は、ｎ個（ｎは２以上の自然数）のダイオード１０１、抵抗１０２、サイリスタ１０３、及びツェナーダイオード１０４を含む。過熱保護回路部１０は、ノードＮ５において、制御回路部２のノードＮ３と接続されている。

ツェナーダイオード１０４は、アノードにおいてノードＮ５と接続されている。ツェナーダイオード１０４は、カソードにおいて、ノードＮ２と接続されている。ノードＮ２上には、制御信号ＳＣとして使用される電位が表れる。ツェナーダイオード１０４は、或る大きさを超える逆方向の電圧の印可を受けている間、カソードとアノードの間に、カソードを高電位とする降伏電圧又はツェナー電圧Ｖｚを生じる。ツェナーダイオード１０４は、光起電力Ｖｓの大きさよりも小さい大きさの降伏電圧ＶｚをノードＮ２とノードＮ５の間に生成する特性を有する。

ｎ個のダイオード１０１は、ノードＮ２とノードＮ６の間に直列に接続されている。直列接続されたダイオード１０１の組の一端の１つのダイオード１０１は、アノードにおいてノードＮ２と接続されている。直列接続されたダイオード１０１の組の他端の１つのダイオード１０１は、カソードにおいてノードＮ６と接続されている。すなわち、ｎ個のダイオード１０１は、第１ダイオード１０１～第ｎダイオード１０１を含み、ｉ（ｉは２以上の自然数）が２以上ｎ－１以下の全てのケースについて、第ｉダイオード１０１は、アノードにおいて第（ｉ－１）ダイオードのカソードと接続されている。第１ダイオード１０１は、アノードにおいてノードＮ２と接続されている。第ｎダイオード１０１は、アノードにおいて、第（ｎ－１）ダイオード１０１のカソードと接続されており、カソードにおいてノードＮ６と接続されている、ダイオード１０１の個数ｎについては、後にさらに記述される。

抵抗１０２は、第１端子（一端）においてノードＮ６と接続されており、第２端子（他端）においてノードＮ５と接続されている。

サイリスタ１０３は、アノードにおいてノードＮ２と接続されており、カソードにおいてノードＮ５と接続されている。サイリスタ１０３は、制御端子において、ノードＮ６と接続されている。

スイッチ回路４００は、制御信号ＳＣに基づいて、端子ＴＭ１と端子ＴＭ２とを電気的に導通又は非導通にできる限り、どのような構造を有していてもよい。例として、スイッチ回路４００は、ｎ型のＭＯＳＦＥＴ４０１及び４０２を含む。トランジスタ４０１は、ドレインにおいて端子ＴＭ１と接続されており、ソースにおいてノードＮ５と接続されている。トランジスタ４０１は、ゲートにおいて、ノードＮ２と接続されている。

トランジスタ４０２は、ドレインにおいて端子ＴＭ２と接続されており、ソースにおいてノードＮ５と接続されている。トランジスタ４０２は、ゲートにおいて、ノードＮ２と接続されている。後述のように、トランジスタ４０１及び４０２は、降伏電圧Ｖｚを受け取っていると、オンしている。トランジスタ４０１及び４０２が降伏電圧Ｖｚのゲートにおいて受けている間確実にオンするように、降伏電圧Ｖｚは、トランジスタ４０１及び４０２の閾値電圧より高くされている。

１．１．３．ダイオードの個数
ダイオード１０１の個数ｎは、以下の条件が満たされるように決定される。各ダイオード１０１は、温度に依存する特性を有する。すなわち、各ダイオード１０１は、ダイオード１０１の温度が高いほど、低い順方向電圧Ｖｆを生成する。半導体リレー装置１００は、入力信号ＩＮｒを受け取っている間に半導体リレー装置１００の温度が或る温度Ｔｓを超える場合に、スイッチ回路４００をオフにする、すなわち、オフ指示状態の制御信号ＳＣを出力するように構成されている。

以下、各ダイオード１０１の温度Ｔｉが温度Ｔｓ未満であるときの各ダイオード１０１の順方向電圧は、順方向電圧Ｖｆｌとして引用される。一方、温度Ｔｉが温度Ｔｓであるときの各ダイオード１０１の順方向電圧は、順方向電圧Ｖｆｈとして引用される。また、ノードＮ２とノードＮ６の間の電位差は、以下、ダイオードセット端子電圧Ｖｄｓと称される。以下、温度ＴｉがＴｓ未満であるときは通常温度と称される場合があり、温度Ｔｉが温度Ｔｓ以上であるときは高温と称される場合がある。

ダイオード１０１の個数ｎは、各ダイオード１０１の温度Ｔｉが温度Ｔｓ未満である間のダイオードセット端子電圧Ｖｄｓと、各ダイオード１０１の温度Ｔｉが温度Ｔｓである時のダイオードセット端子電圧Ｖｄｓが、以下の条件を満たすように決定される。以下、通常温度でのダイオードセット端子電圧Ｖｄｓは、通常温度時電圧Ｖｄｓｌと称される場合がある。高温でのダイオードセット端子電圧Ｖｄｓは、高温時電圧Ｖｄｓｈと称される場合がある。

図５は、第１実施形態の相違する温度でのダイオードセット端子電圧を示す。図５の左側の部分は、通常温度時電圧Ｖｄｓｌを示し、図５の右側の部分は、高温時電圧Ｖｄｓｈを示す。ダイオード１０１の個数ｎは、図５の左側の部分に示される状態及び図５の右側の部分に示される状態の両方が満たされるように決定される。

図５の左側の部分に示されるように、通常温度では順方向電圧Ｖｆｌであり、よって、通常温度時電圧Ｖｄｓｌは、Ｖｆｌ×ｎである。通常温度時電圧Ｖｄｓｌ（＝Ｖｆｌ×ｎ）が、降伏電圧Ｖｚより高くなるように、ｎが決定される。

図５の右側の部分に示されるように、高温では順方向電圧Ｖｆｈであり、よって、高温時電圧Ｖｄｓｈは、Ｖｆｈ×ｎである。高温時電圧Ｖｄｓｈ（＝Ｖｆｈ×ｎ）が、降伏電圧Ｖｚより低くなるように、ｎが決定される。

図６は、第１実施形態の半導体リレー装置でのダイオードの個数ｎと、半導体リレー装置の温度との関係を示す。図６の縦軸及び横軸は、いずれもリニアスケールによって示されている。例として、半導体リレー装置１００が、或る温度Ｔ５と温度Ｔ６の間で、出力側機器６００を過熱による影響から保護する動作（過熱保護動作）を行うことが望まれているとする。各プロットは、過熱保護動作が開始した温度を示す。図６は、種々の個数ｎで試作された半導体リレー装置１００を使用した実際の検証の結果を示す。また、半導体リレー装置１００中の電流Ｉｉｎｔが種々の大きさである場合についての検証の結果を示す。例として、電流Ｉｉｎｔが、或る大きさＩＥ３、ＩＥ２、及びＩＥ１での検証の結果を示す。ＩＥ２は、ＩＥ３の１０倍の大きさを有する。ＩＥ１は、ＩＥ２の１０倍の大きさを有する。図６において、個数Ｎｍ１～Ｎｍ７は、各々、或る具体的な自然数である。

図６に示されるように、ダイオード１０１の個数ｎが数Ｎｍ５以下である場合、電流Ｉｉｎｔのいずれかの大きさにおいて、温度Ｔ５よりも低い温度で、過熱保護動作が開始する。一方、数Ｎｍ６であると、電流Ｉｉｎｔがいずれの大きさを有する場合であっても、望まれる温度範囲、すなわち温度Ｔ５以上かつ温度Ｔ６以下で過熱保護動作が開始する。よって、本例では、ダイオード１０１の数として、Ｎ６が選択されることにより、望まれる温度範囲での過熱保護動作が実現されることが可能である。

別の温度範囲での過熱保護動作が望まれる場合は、図６に示される関係に基づいて、ダイオード１０１の個数ｎとして、数Ｎｍ６以外の数が使用されることにより、望まれる過熱保護動作が実現されることが可能である。

１．２．動作
図７及び図８は、各々、第１実施形態の半導体リレー装置１００の動作の間の一状態を示す。図７は、通常温度での状態を示し、図８は、高温での状態を示す。図７及び図８は、両方とも、入力信号Ｉｎｒが供給されていて、フォトダイオード３１１によって、光起電力Ｖｓが生じている状態を示す。

図７に示されるように、入力信号Ｓｉｎの供給により、発光ダイオード２２１を電流Ｉｆが流れる。電流Ｉｆが流れることにより、入力信号Ｉｎｒが生じる。入力信号Ｉｎｒはフォトダイオード３１１によって受け取られる。この結果、光起電力Ｖｓが生じる。光起電力Ｖｓによって、ノードＮ２を電流Ｉｉｎｔが流れる。電流Ｉｉｎｔがツェナーダイオード１０４のカソードに流れ込むことにより、ノードＮ５とノードＮ２の間に、降伏電圧Ｖｚが生じる。

一方、ノードＮ６とノードＮ２には、通常温度時電圧Ｖｄｓｌが生じており、通常温度時電圧Ｖｄｓｌは降伏電圧Ｖｚより高い。このため、ノードＮ２からダイオード１０１の組を介するノードＮ６へと向かう電流は流れない。よって、サイリスタ１０３はオフしている。このため、降伏電圧Ｖｚが維持され、降伏電圧Ｖｚにより、オン指示状態の制御信号ＳＣが生じる。この制御信号ＳＣにより、スイッチ回路４００は、オンしている。すなわち、トランジスタ４０１及び４０２はオンしており、端子ＴＭ１と端子ＴＭ２は電気的に導通している。よって、端子ＴＭ１と端子ＴＭ２の電位差Ｖｏは、ゼロである。また、スイッチ回路４００と接続された出力側機器６００（図示せず）の負荷の大きさに基づく大きさの電流Ｉｏが、トランジスタ４０１及び４０２を流れる。

図８に示されるように、光起電力Ｖｓによって、ノードＮ２を電流Ｉｉｎｔが流れる。電流Ｉｉｎｔがツェナーダイオード１０４のカソードに流れ込むことにより、ノードＮ５とノードＮ２の間に、降伏電圧Ｖｚが生じる。

しかし、ノードＮ６とノードＮ２には、高温時電圧Ｖｄｓｈが生じており、高温時電圧Ｖｄｓｈは降伏電圧Ｖｚより低い。このため、ノードＮ２からダイオード１０１の組を介してノードＮ６へと向かう電流が流れる。この電流と抵抗１０２による電圧がサイリスタ１０３の制御端子に印可され、サイリスタ１０３はオンする。サイリスタ１０３のオンにより、サイリスタ１０３を介したノードＮ２からノードＮ５への電流経路が形成され、ノードＮ２からノードＮ５に向かって電流が流れる。このため、ノードＮ２とノードＮ５は、降伏電圧Ｖｚに維持されない。よって、オン指示状態の制御信号ＳＣが供給されない。換言すると、オフ指示状態の制御信号ＳＣが供給される。このため、スイッチ回路４００は、オフする。すなわち、トランジスタ４０１及び４０２はオフし、端子ＴＭ１と端子ＴＭ２は電気的に非導通になっている。端子ＴＭ１と端子ＴＭ２の間には、或る大きさを有する電位差Ｖｏが生じるとともに、電流Ｉｏは流れない。

サイリスタ１０３が一旦オンした後、サイリスタ１０３がオンしている状態はサイリスタ１０３の制御端子への電圧の印可が停止しても維持される。このため、サイリスタ１０３がオンしたことによりノードＮ５とノードＮ２の電位差がなくなり、ダイオード１０１の組を流れる電流がなくなった後も、サイリスタ１０３はオンを維持する。すなわち、スイッチ回路４００はオフを維持する。サイリスタ１０３のオンは、サイリスタ１０３をアノードからカソードに向かって或る大きさの電流（保持電流）が流れている限り、維持される。このため、ダイオード１０１が一旦高温になった後は、入力信号Ｉｎｒが供給され続けていても、サイリスタ１０３はオンを維持し、スイッチ回路４００はオフを維持する。

オンしているサイリスタ１０３は、サイリスタ１０３をアノードからカソードに向かって流れる電流の大きさが保持電流以下になると、オフする。サイリスタ１０３をオフする（サイリスタをリセットする）ために、入力信号Ｉｎｒの供給が停止されることが可能である。

図９は、第１実施形態の半導体リレー装置１００の動作の間のいくつかの要素の値を時間に沿って示す。図９に示されるように、図に示される動作の開始の時点で、電流Ｉｆはゼロであり、入力信号Ｉｎｒは出力されていない。このため、スイッチ回路４００は、オフしており、電位差Ｖｏは或る大きさＶｄを有しているとともに、電流Ｉｏはゼロである。また、ダイオード１０１の温度Ｔｉは、温度Ｔｓ未満である。

時刻ｔ１において、入力信号Ｓｉｎの変化に基づいて、或る大きさの電流Ｉｆｈが流れ始める。大きさＩｆｈの電流Ｉｆは、時刻ｔ３まで流れる。大きさＩｆｈの電流Ｉｆが流れることにより、入力信号Ｉｎｒが出力され、フォトダイオード３１１による光起電力Ｖｓが生じ、電流Ｉｉｎｔが流れる。温度Ｔｉは、温度Ｔｓ未満であるので、受信回路３００は、図７を参照して記述される通常温度の間の動作を行う。すなわち、受信回路３００は、オン指示状態の制御信号ＳＣを出力する。制御信号ＳＣの出力により、スイッチ回路４００の端子ＴＭ１及びＴＭ２は電気的に導通しており、電位差Ｖｏはゼロであるとともに、電流Ｉｏは、或る大きさＩｏ１を有する。電流Ｉｏの大きさは、出力側機器６００の、時刻ｔ１のときの負荷の大きさに依存する。

時刻ｔ１から、何らかの原因で、温度Ｔｉが上昇し、時刻ｔ２において、温度Ｔｓに達する。このため、スイッチ回路４００では、図８を参照して記述される動作が起こる。すなわち、過熱保護回路部１０のサイリスタ１０３はオンし、受信回路３００はオフ指示状態の制御信号ＳＣを出力する。この結果、電位差Ｖｏは再び大きさＶｄを有するとともに、電流Ｉｏの大きさはゼロになる。

図８を参照して記述されるように、温度Ｔｉが温度Ｔｓに達した後の状態は、サイリスタ１０３を保持電流が流れている限り保持される。このため、時刻ｔ２の後、大きさＩｆｈの電流Ｉｆが流れていても、電位差Ｖｏの大きさ及び電流Ｉｏの大きさは維持される。すなわち、時刻ｔ２において形成された状態は、大きさＩｆｈの電流Ｉｆが停止する時刻ｔ３まで継続する。温度Ｔｉについては、図９の例では、時刻ｔ２から下降する。

時刻ｔ３において、電流Ｉｆの大きさがゼロになる。この結果、過熱保護回路部１０のサイリスタ１０３を流れる電流の大きさは、保持電流を下回り、サイリスタ１０３はオフする。すなわち、受信回路３００の過熱保護動作は停止する。サイリスタ１０３はオフしたものの、大きさＩｆｈの電流Ｉｆは流れていない。このため、時刻ｔ３においても電位差Ｖｏは大きさＶｄを維持するとともに、電流Ｉｏの大きさはゼロである。

時刻ｔ４において、電流Ｉｆの大きさが、再びＩｆｈになる。また、時刻ｔ４において、温度Ｔｉは温度Ｔｓ未満である。このため、受信回路３００は、通常温度の間の動作を行うことが可能であり、電位差Ｖｏはゼロになるとともに、電流Ｉｏは大きさＩｏ２を有する。

１．３．利点（効果）
第１実施形態によれば、以下に記述されるように、出力側である二次側に、外部電源を含まずとも、過熱による影響から出力側の機器を保護できる半導体リレー装置が提供されることが可能である。

過熱保護動作は、ダイオードの順方向電圧の温度依存性を利用して実現されることが可能である。一般的な方法として、オペアンプの非反転入力に基準電圧が印可され、ダイオードが反転入力に接続される。ダイオードの順方向電圧が、加熱により上昇して、反転入力の電圧が基準電圧を下回ると、オペアンプの出力が反転し、過熱保護動作が開始する。この方法には、ダイオードに電流を供給するための定電流源又は定電圧源が必要である。

一方、第１実施形態の半導体リレー装置１００のような、幾つかの半導体リレー装置は、磁気、容量、及び光等を介して絶縁分離された形態で結合している送信回路と受信回路を含む。受信回路は、送信回路からの磁気信号、容量に基づく電気信号、及び光信号等の入力信号に基づく微小な電流又は電圧を使用して動作し、定電流源及び定電圧源を含まない。このような半導体リレー装置での受信回路に過熱保護の機能を持たせる場合、送信回路からの入力信号に基づいて生成される電流又は電圧によって過熱保護のための回路を動作させる必要がある。しかしながら、入力信号から生成される微小な電流又は電圧が過熱保護回路に使用されることにより、受信回路の本来の動作、すなわち、スイッチ回路４００をオン又はオフさせる性能が妨げられることがある。

また、過熱保護回路等の保護回路が、受信回路のチップの外側に設けられる場合もある。この場合、半導体リレー装置中の、受信回路チップが搭載される回路基板上に保護回路が設けられる。このことは、回路基板に大きな面積を要求する。また、保護回路による動作を含めた半導体リレー装置の設計も複雑である。

第１実施形態の受信回路３００は、ツェナーダイオード１０４と、複数のダイオード１０１と、サイリスタ１０３を含む。ツェナーダイオード１０４は、スイッチ回路４００に供給される電圧を生成する。複数のダイオード１０１は、ツェナーダイオード１０４と逆並列に直列接続されている。サイリスタ１０３は、ツェナーダイオード１０４と逆並列に接続されるとともに複数のダイオード１０１の組の一端と接続された制御端子を有する。受信回路３００への入力信号Ｉｎｒの供給により、受信回路３００が通常温度の間は、降伏電圧Ｖｚが制御信号ＳＣとして出力される。一方、受信回路３００が或る温度Ｔｓに達すると、順方向電圧Ｖｆの低下したダイオード１０１を電流が流れ、この電流によりサイリスタ１０３はオンし、制御信号ＳＣの電圧を接地電圧へと引き、スイッチ回路４００をオフすることによって、過熱保護動作が開始する。

通常温度の間は、ダイオード１０１の組の両端の電位差である通常温度時電圧Ｖｄｓｌ
は、降伏電圧Ｖｚ未満であるので、ダイオード１０１を電流は流れない。このため、通常温度の間、過熱保護回路部１０によって電流は消費されない。また、制御信号ＳＣの電圧の引き下げは、サイリスタ１０３のオンにより起こり、サイリスタ１０３は、一旦オンすると、オンの状態を自律的に維持し、この状態の維持に電流を要しない。このため、受信回路３００は、過熱保護動作の開始後は、入力信号Ｉｎｒの有無に依存することなく、過熱保護動作を行い続ける。また、過熱保護回路部１０は、電流又は電圧の継続的な消費を要しないので、受信回路３００の動作を妨げない。よって、受信回路３００は、定電流源を含まずとも、本来の動作と過熱保護動作の実行を両立できる。

図１０は、第１実施形態の受信回路３００の温度と制御信号ＳＣの電圧の関係を示す。図１０は、ダイオード１０１の数が図６に示されるＮ６である例について示す。

図１０に示されるように、電流Ｉｉｎｔの大きさは、ＩＥ１、ＩＥ２、及びＩＥ３の各場合について、温度Ｔ５までは一定であり、温度がＴ５を超えると、大きく減少する。これは、温度Ｔ５を超えて、過熱保護動作が開始したことを示す。また、図６を参照して記述されるように、望まれている通りに温度Ｔ５と温度Ｔ６の間での過熱保護動作が起こっていることを示す。

また、過熱保護動作の開始はサイリスタ１０３のオンのタイミングに基づき、サイリスタ１０３のオンのタイミングは、直列接続されるダイオード１０１の個数ｎに基づく。このことは、望まれる温度範囲で過熱保護動作を開始する受信回路３００を設計することを容易にする。すなわち、例えば、或る抵抗の大きさを支配的な要素として使用してサイリスタのオンのタイミングを設定することが考えられる。しかしながら、設計の段階で或る抵抗の大きさを変更することは回路の広範な部分に影響を与え得、設計を困難にし得る。また、設計通りの大きさの抵抗を形成することは容易ではない場合がある。このため、抵抗の大きさを支配的な要素として使用することは、そのような要素を含んだ回路の設計及び実現を困難にし得る。一方、第１実施形態によれば、図６を参照して記述されるように、ダイオード１０１の個数ｎによって、サイリスタ１０３のオンのタイミング、ひいては、過熱保護動作の開始のタイミングが設定されることが可能である。図６から分かるように、ダイオード１０１の個数ｎの調整によって、過熱保護動作の開始が望まれる温度範囲を容易に実現できる。また、設計通りの個数ｎのダイオード１０１を形成することは、抵抗の大きさの微調整よりも容易であり、よって、望まれる温度範囲の過熱保護動作を行う受信回路３００が、抵抗の大きさを支配的な要素として使用する場合よりも容易に形成されることが可能である。

１．４．変形例及び応用例等
半導体リレー装置１００は、図１１に示されるように、スイッチ回路４００に対する、サージ等の過電圧の印加に対する保護の機構を含んでいてもよい。図１１は、第１実施形態の半導体リレー装置１００の応用例を示し、スイッチ回路４００の別の例を示す。

図１１に示されるように、スイッチ回路４００は、ツェナーダイオード４１１～４１８をさらに含む。

ツェナーダイオード４１１及び４１２は、それぞれのアノードにおいて互いに接続されている。ツェナーダイオード４１１のカソードは、トランジスタ４０１のゲートと接続されている。ツェナーダイオード４１２のカソードは、端子ＴＭ１及びトランジスタ４０１のドレインと接続されている。

ツェナーダイオード４１３及び４１４は、それぞれのアノードにおいて互いに接続されている。ツェナーダイオード４１３のカソードは、トランジスタ４０１のゲートと接続されている。ツェナーダイオード４１４のカソードは、トランジスタ４０１のソースと接続されている。

ツェナーダイオード４１５及び４１６は、それぞれのアノードにおいて互いに接続されている。ツェナーダイオード４１５のカソードは、トランジスタ４０２のゲートと接続されている。ツェナーダイオード４１６のカソードは、トランジスタ４０２のソースと接続されている。

ツェナーダイオード４１７及び４１８は、それぞれのアノードにおいて互いに接続されている。ツェナーダイオード４１７のカソードは、トランジスタ４０２のゲートと接続されている。ツェナーダイオード４１８のカソードは、端子ＴＭ２及びトランジスタ４０２のドレインと接続されている。

受信回路３００、又は受信回路３００及びスイッチ回路４００は、図１２に示されるとともに以下に記述される構成を有していてもよい。図１２は、第１実施形態の変形例の半導体リレー装置１００の回路の構成を示す。

図１２に示されるように、半導体リレー装置１００は、図４に示される構成に加え、スイッチＳＷ１及びＳＷ２を含む。

スイッチＳＷ１は、例えば、ｎ型のＭＯＳＦＥＴである。図１２は、そのような例について示す。スイッチＳＷ１は、一端においてサイリスタ１０３のアノードと接続され、他端においてトランジスタ４０１及び４０２のそれぞれのゲートと接続されている。スイッチＳＷ１は、受信回路３００に含まれていてもよいし、スイッチ回路４００に含まれていてもよい。図１２は、スイッチＳＷ１が受信回路３００（特に、過熱保護回路部１０）に含まれている例について示す。

スイッチＳＷ２は、例えば、ｎ型のＭＯＳＦＥＴである。図１２は、そのような例について示す。スイッチＳＷ２は、一端においてトランジスタ４０１及び４０２のそれぞれのゲートと接続され、他端においてノードＮ５と接続されている。スイッチＳＷ２は、受信回路３００に含まれていてもよいし、スイッチ回路４００に含まれていてもよい。図１２は、スイッチＳＷ２が受信回路３００（特に、過熱保護回路部１０）に含まれている例について示す。

スイッチＳＷ１及びＳＷ２は、相補的にオンされ、すなわち、一方がオンしている間は他方がオフしているように、それぞれの制御端子（スイッチＳＷ１及びＳＷ２がトランジスタである場合は、それらのゲート）において信号を受け取る。スイッチＳＷ１及びＳＷ２のオン及びオフの制御は、例えば、ノードＮ６上の電位によって行われることが可能である。

又は、スイッチＳＷ１及びＳＷ２のオン及びオフの制御は、一方がノーマリーオン型のトランジスタであり、他方がノーマリーオフ型のトランジスタとされることによって行われることが可能である。

又は、スイッチＳＷ１及びＳＷ２のオン及びオフの制御は、スイッチＳＷ１及びＳＷ２のそれぞれの制御端子に論理回路（図示せず）からの信号を供給することによって行われることが可能である。論理回路は、ノードＮ６上の電位を受け取り、ノードＮ６上の電位をデジタル信号に変換し、変換されたデジタル信号に基づく信号をスイッチＳＷ１及びＳＷ２の制御端子に供給する。論理回路の動作に必要な電源は、フォトダイオード３１１の組と同様の直列接続されたフォトダイオードの組が入力信号Ｉｎｒを受け取ることによって生成する光起電力によって供給されることが可能である。

このような構成により、制御信号ＳＣがオン指示状態にある（図７と同じくサイリスタ１０３がオフしている状態の）場合、スイッチＳＷ１はオンしており、スイッチＳＷ２はオフしている。よって、トランジスタ４０１及び４０２はオンしているとともに、トランジスタ４０１及び４０２のそれぞれのゲートとノードＮ５は接続されていない。一方、制御信号ＳＣがオフ指示状態にある（図８と同じくサイリスタ１０３がオンしている状態の）場合、スイッチＳＷ１はオフしており、スイッチＳＷ２はオンしている。よって、スイッチＳＷ２によってトランジスタ４０１及び４０２のそれぞれのゲートとノードＮ５が接続されている。このような動作により、トランジスタ４０１及び４０２は、サイリスタ１０３のオン又はオフに基づいて、図４の構成よりも確実にオン又はオフする。このため、例えば、サイリスタ１０３のオンしている間のインピーダンスとオフしている間のインピーダンスの差、及び（又は）入力信号Ｉｎｒの大きさのばらつきによりトランジスタ４０１及び４０２が意図されるようにオン及びオフしないことが抑制される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

７００…システム、５００…入力側機器、６００…出力側機器、１００…半導体リレー装置、２００…送信回路、３００…受信回路、４００…スイッチ回路、１…保護回路部、２…制御回路部、３…変換回路部、Ｓｉｎ…入力信号、１０…過熱保護回路部、１１…過電流保護回路部、Ｉｎｒ…入力信号、ＳＣ…制御信号、Ｉｉｎｔ…電流、ＴＭ１…端子、ＴＭ２…端子

Claims (8)

1. 外部から入力信号を受け取り、前記入力信号に基づいて第１ノードにおいて第１電流を流す変換回路部と、
   第２ノードと接続されアノード、及び前記第１ノードと接続されたカソードを有するツェナーダイオードと、
   直列に接続されたｎ個のダイオードであって、前記ｎ個のダイオードのうちの第１端の１つのダイオードのアノードは前記第１ノードと接続され、前記ｎ個のダイオードのうちの第２端の１つのダイオードのカソードは第３ノードと接続されている、ｎ個のダイオードと、
   前記第１ノードと接続されたアノード、前記第２ノードと接続されたカソード、及び前記第３ノードと接続された制御端子を含むサイリスタと、
   前記第１ノードと接続されたゲートを有するトランジスタと、
   を備える半導体リレー装置。
2. 前記ｎ個のダイオードは、第１ダイオード乃至第ｎダイオードを含み、
   ｉが２以上ｎ－１以下の自然数の全てのケースについて、前記第ｉダイオードは、アノードにおいて第（ｉ－１）ダイオードのカソードと接続され、
   前記第１ダイオードは、アノードにおいて前記第１ノードと接続され、
   前記第ｎダイオードは、アノードにおいて前記第（ｎ－１）ダイオードのカソードと接続されており、カソードにおいて前記第３ノードと接続されている、
   請求項１に記載の半導体リレー装置。
3. 前記変換回路部は、前記入力信号を受け取っている間、前記第１ノードと第４ノードとにわたって第１電圧を出力し、
   前記ツェナーダイオードの降伏電圧は、前記第１電圧より低い、
   請求項１又は２に記載の半導体リレー装置。
4. 前記降伏電圧は、前記トランジスタの閾値電圧より高い、
   請求項３に記載の半導体リレー装置。
5. 前記ｎ個のダイオードの各々は、前記ダイオードが第１温度のときに第１の大きさの順方向電圧を有し、当該ダイオードが前記第１温度より高い第２温度のときに前記第１の大きさより小さい第２の大きさの順方向電圧を有する、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体リレー装置。
6. 前記ｎ個のダイオードは、前記第２端と前記第１端との間に、第１温度のときに第１順方向電圧を生成し、前記第１温度より高い第２温度のときに第２順方向電圧を生成し、
   前記第１順方向電圧は、前記降伏電圧より高く、
   前記第２順方向電圧は、前記降伏電圧より低い、
   請求項３又は請求項４のいずれか１項に記載の半導体リレー装置。
7. 前記入力信号を出力する送信回路をさらに備える、
   請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の半導体リレー装置。
8. 前記送信回路は、発光ダイオードであり、
   前記変換回路部は、フォトダイオードを含む、
   請求項７に記載の半導体リレー装置。