JPS63238717A

JPS63238717A - 光結合型半導体スイッチ及びその駆動方法

Info

Publication number: JPS63238717A
Application number: JP19018787A
Authority: JP
Inventors: Kenji Mizuuchi; 水内　賢二; Haruo Otani; 大谷　晴夫
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1986-11-14
Filing date: 1987-07-31
Publication date: 1988-10-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明１ま、光結合型半導体スイッチに係り、特に、光
結合型ＰＮＰＮスイッチのターンオフ機構及びその駆動
方法に関するものである。

（従来の技術）従来、光ＰＮＰＮスイッチは、第７図の等価回路に示す
ように、ＰＮＰ　）ランジスタ１とＮＰＮトランジスタ
２で構成され、下記の（１）弐の条件を満足することに
よりターンオンされる。即ち、αＰＮ’Ｐ　＋αＮＰＮ
≧１　　　　・・・（１）αＰＮＰ　　：ベース接地Ｐ
ＮＰ　）ランジスタの増幅率 αＮＰＮ　　：ヘース接地ＮＰＮ　トランジスタの増幅
率通常のＰ　Ｎ　Ｐ　Ｎ素子は増幅率α□４．α８，８と
も上記（１）式を満足するように設計され、わずかなリ
ーク電流で導通状態となる。阻止状態の維持はＮＰＮ　
トランジスタ２のエミツタ・ベース間に、短絡抵抗Ｒ□
３を挿入して、実効的な前記増幅率αＮＰＮを極端に減
少させることにより行う。

次、に、光照射によるターンオフ機構について以下に述
べる。

光が照射されると、まず、ＰＮＰ　）ランジスタ１が動
作し、第８図に示すように、光電流Ｉ　ＰＯＰがＲ１３
を通して流れることにより、Ｒｃｘ３の端子間電圧■。

”’［ＰＮＰ　　・Ｒｃｘが生じる。この■。

がＮＰＮトランジスタ２を動作させるのに十分な約０．
６Ｖになると前記増幅率αＮＩ’Ｎが大となり上記（１
）式が満足され、ターンオンする。通電状態になるとア
ノードから供給される電流によりｖｃＫが約０．６Ｖ以
上を保つため、光の照射がなくなっても、ターンオフさ
れず、導通状態のままである。

これを自己保持機能という。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、ターンオフに関しては自己保持機能を有
するが故に、アノードからの電流をＶ、にが約０．６ｖ
以下になるまで減少させる以外には方法がなく光制御に
よるターンオフができないという問題点があった。

本発明は、以上述べた光制御によるターンオフができな
いという問題点を除去し、光制御によりターンオン、タ
ーンオフするａＦを有する優れた光結合型半導体スイッ
チ及びその駆動方法を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明は、上記問題点を解決するために、受光ＰＮＰＮ
スイッチのＰゲート・カソード間に抵抗ＲＧＫを接続し
、第１のＬＥＤにより駆動される光結合型半導体スイッ
チにおいて、第２のＬＥＤと、その第２のＬＥＤにより
駆動されるスイッチング回路とを設け、そのスイッチン
グ回路を前記Ｐゲート・カソード間の抵抗ＲＧＫと並列
接続するようにしたものである。

また、その光結合型半導体スイッチの駆動方法において
、第１１図及び第１２図に示すように受光ＰＮＰＮスイ
ッチの阻止状態時のみ第２のＬＥＤ２２に小電流を通電
させるようにしたものである。

（作用）本発明によれば、光結合型ＰＮＰＮスーイソチにおいて
、第２のＬＥＤの光照射により並列接続された。スイッ
チング回路をオン状態とする′ことにより、ＲＧＫの端
子間の電圧ＶｃＫを約０．６Ｖ以下にし、ＮＰＮトラン
ジスタの増幅率αＨＰＮを極端に減少させることにより
、光結合型ＰＮＰＮスイッチをターンオフすることがで
きる。

また、受光ＰＮＰＮスイッチの阻止状態時のみ第２のＬ
ＥＤ２２に小電流を通電させるようにしたので、ｄＶ／
ｄｔ誤動作を極端に減少させることができる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細
に説明する。

第１図は本発明に係る光結合型半導体スイッチの原理図
、第２図は本発明の第１実施例を示す光結合型半導体ス
イッチの回路構成図、第３図は第２図に示される光結合
型半導体スイッチを更に具体的に示す回路図、第４図は
第３図に示される光結合型手ｍ体スイッチの断面図であ
る。

なお、第１図乃至第４図において従来の第７図及び第８
図で説明した部分と同じ部分は同じ記号で示されており
、それらの説明は省略する。

まず、本発明に係る光結合型半導体スイッチは、第１図
に示されるように、受光ＰＮＰＮスイッチのＰゲート・
カソード間に抵抗ＲＧＫ３を接続し、第１のＬＥＤ２１
により駆動される光電り型半導体スイッチにおいて、第
２のＬＥＤ２２と、その第２のＬＥＤにより駆ｖＪされ
るスイッチング回路２３とを設ＨＪ、そのスイッチング
回路を前記Ｐゲート・カソード間の抵抗ＲＧＸ３と並列
接続するように構成する。

第２図乃至第４図において、３はＰ型不純物領域により
形成したＲｏい５，１５はＮ−型低不純物濃度半導体基
板、７．８．１６はＰ型不純物導入領域、１４はＮ゛型
高不徒物濃度半導体基板、９，１７はＰ型不純物導入領
域８，１６にＮ型不純物がドープされたＮ°型不純物導
入領域、１０．１８は絶８＆膜、１１はＰＮＰＮ素子の
アノード電極、１２はＰＮＰＮ素子のＰゲート電へ、１
３はＰＮＰＮ素子のカソード電極、１９はエミンク電１
】であり、これらの電極１１、１２．１３．１９はアル
ミニウム等で形成されている。−なお、半専体裁坂以外
の配線はアルミニウム１等のワイヤによって行っている
。

また、２０はＲＧＫを拡散抵抗により、形成したＰＮＰ
Ｎ素子で、Ｐ型不純物ｎ人領域７、Ｎ型低不純物濃度半
導体基板５、Ｐ型不純物専大領域８Ｑこより構成された
ラテラル＋１１造のＰＮ−ＰＩ・ランジスク１と、Ｎ型
低不純物濃度半導体基１及５、Ｐ型不純物導入領域８、
Ｎ型不γ屯物導入領域９により構成されたバーティカル
構造のＮ−ＰＮ″　トランジスタ２、そして拡１１に抵
抗Ｒｃｘ３よりなる。更に、４はＮＰＮホトトランジス
タでコレクタ飽和電圧Ｖ　ＣＥ　（ｓａ　ｔ）は、０．
６Ｖ以下に抑えてあり、ゲー１−・カソード間電圧ＶＧ
Ｋを杓０．６■以下になるように設計する。この方法と
してはエピタキシャル構造、櫛形エミッタ層などが良く
知られている。このホトトランジスタ４のＮ型高不沌物
、・農度゛ト導体基板１４からのコレクタ電）】はＰＮ
ＰＮ素子のＰゲート電極１２にワイヤにより接続され、
エミッタ電極１つはＰＮＰＮ素子のカソード電極１３に
接続され、第２図に示されるような、回路構成となって
いる。

２１はＰＮＰ　ｌ・ランジスク１をターンオンするため
のＬＥＤ　（発光ダイオード）、２２はホトトランジス
タ４をターンオンするためのＬＥＤである。

次に、この光結合型半導体スイッチの動作について説明
する。

まず、ターンオフを行うためにＬＥＤ２１を駆動して、
このＬＥＤ２１からの光照射により、ＰＮＰＮホトトラ
ンジスタ４作させ、光′：Ｉｌ流Ｉ　ＰＮｐを発生させ
る。この光電流［ＰＮＩＦがゲート・カソード間拡散抵
抗ＲＧｘ３に流れ、ゲート・カソード間電圧ＶＧＫが約
０．６■に達するとＮＰＮ　トランジスタ２の増幅率α
Ｎ□が増大し、導通状態に入る。ｉＪ状！唄に入ると、
先に述べた自己保持機能により、ＬＥＤ２１による光照
射をなくしても導通状態が保たれる。

一方、ターンオフを行う場合はＬＥＤ２２を駆動して、
ＬＥＤ２２からの光照射により、ホトトランジスタ４を
動作させて、ゲート・カソード間電圧■。８を約０．６
　Ｖ以下にし、ＮＰＮ　）ランノスタ２の実効的な増幅
率αＮＰＮを極端に減少させて、ＰＮＰＮ素子をターン
オフする。

次に、第５図は本発明の第２実施例を示す光結合型半導
体スイッチの回路構成図である。

この実施例においては、前記したスイッチング回路のＮ
ＰＮホトトランジスタ４にかえて、ＰＮＰ十トヒトトラ
ンジスタ２４いるように構成した点が前記第１実施例の
ものと相違する。なお、この場合にも前記したように、
ＰＮＰＮホトトランジスタ４レクタ飽和電圧Ｖｃｔ（ｓ
ａｔ）は受光ＰＮＰＮスイッチをターンオフさせるのに
十分な電圧、つまり、約０．６ｖ以下にする必要がある
。

次に、第６図は本発明の第３実施例を示す光結合型半導
体スイッチの回路構成図である。

この実施例においては、前記したスイッチング回路のＮ
　Ｐ　Ｎホトトランジスタ４にかえて、ＭＣ３ＦＥＴ２
５を設け、そのドレインを受光ＰＮＰＮスイッチのＰゲ
ートに、そのソースを受光ＰＮＰＮスイッチのカソード
に、そのλ色縁ゲートを第２のＬＥＤ２２の照射により
制御電圧を発生する直列接続された複数のダイオード２
６にそれぞれ接続するように構成した点が前記第１実施
例のものと相違する。

更に、本発明の光結合型半導体スイッチの駆動方法につ
いて説明する。

一般には、第９図に示される回路構成で、第１０図に示
される駆動パルスを加えることにより駆動することがで
きる。即ち、まず、電源電圧Ｖｃｃが負荷抵抗ＲＬを介して、サイリ
スタＳ及びターンオフ回路に接続されており、駆動用の
第１のＬ　Ｅ　Ｄ２１には′ｒｉ、流Ｉ、が入力側ＬＥ
Ｄの電流制御のための抵抗Ｒ１が直列接続された回路を
流れ、第２のＬＥＤ２２には電流］２が抵抗Ｒ２が直列
接続された回路を流れることができるように構成されて
いる。

そこで、光結合型半導体スイッチがオフの状態（時点ｔ
６から１１）から、ターンオンするには、第１のＬＥＤ
２１に一定幅の電流パルスを通電させる（時点１＋）こ
とでサイリスタＳを駆動する。そこで、ターンオフする
には、第２のＬＥＤ２２に一定幅の電流パルスを通電さ
せ（時点ｔ２）、その第２の５２Ｄ２２の光照射により
ＮＰＮホトトランジスタ４を動作させて、ゲート・カソ
ード関電圧ｖＧＫを約０．６　Ｖ以下にし、ＮＰＮ　）
ランリスクの実効的な増幅率α１、を極端に減少させて
、サイリスクＳをターンオフする。

このように、光結合型半導体スイッチを駆動することが
できるが、上記駆動方法によるとＰＮＰＮ素子に急峻な
立ち上がりを持つ電圧がアノード、カソード間に印加さ
れた場合に生じる過渡電流はＲＧｌ１３に流れ込み、ｖ
、ｌｌを約０．６Ｖ以上にならしめ、誤動作するという
問題がある。以下、これをｄＶ／ｄｔ誤動作と呼ぶ。

本発明においては、上記ｄＶ／ｄｔ誤動作を極端に減少
させ、従来とほとんど変わらない消費電力で駆動を行う
ために、以下のような駆動方法を用いることができる。

第１１図は本発明の光結合型半心体スイッチの駆動回路
図、第１２図は本発明の詳細な説明するための波形図で
ある。

第１１図においてＲＬは出力側の負荷抵抗、Ｒ＋〜Ｒ３
は入力側ＬＥＤの電流制御のための抵抗、ＴＰＩ〜Ｔ、
は駆動系を制御するスイッチングトランジスタで制御部
３０からの信号で動作するものである。

この実施例においては、特に第１２図に示されるように
、阻止状態では０ＦＦ２の信号をＨｉレベルとし、Ｔｒ
３を動作させ、第２のＬＥＤ２２に電流Ｉ３を流し、こ
の光照射により、ターンオフ用トランジスタ４を駆動す
る。この駆動はｄＶ／ｄｔ誤動作を減少させるためのも
のである。急峻な立ち上がり電圧をもつサージがＰＮＰ
Ｎ素子に入力されると素子内部に過渡電流が生じるがタ
ーンオフ用トランジスタ４をこのように駆動状態にして
おけば、過渡電流はトランジスタ４を通り、ＶＧＫを０
．６Ｖ以上にすることがなく誤動作は極端に減少する。

また、この過渡電流は、ＰＮＰＮ素子によっても異なる
が、たかだか数百μＡ程度であるため、トランジスタ４
の駆動用ＬＥＤ２２に通電する電流は１ｍＡ程度で十分
である。本実施例では、Ｒ１に数にΩの抵抗を使用し、
阻止状態での電流Ｉｓ、を１ｍＡとした。

阻止状態から導通状態にターンオフさせる時にはＬＥ［
）２２の’ａ流をＯｍＡとしなければならないので、Ｉ
ＩＩ　振部３０のＯＮの信号をＨｉレベル、０ＦＦｌの
信号及び０ＦＦ２の信号をＬｏレベルとする。

一方、導通状態から阻止状態にターンオフさせる時には
、ＲＧｌ＋３に流れ込んでいた電流をターンオフ用トラ
ンジスタ４に流すようにする。ターンオフ用トランジス
タ４に流さなければならない電流■６゜、ＦはＰＮＰＮ
素子に流れる電流ＩＦと次の（２）式のような関係があ
る。

ＩＰ／Ｉ、。ＦＦ＝αＨＰＮ／（αＮＰＮ　＋αＰＮＰ
　　　１）・・・（２）通常、αＮｐＮ＃Ｌ　　αｒＮｒ　’０．５程度に設定
されるので前記（２）式より１６ＯＦＦ”’　ＩＦ　／
　２となり、Ｉｙ　＝　１００ｍＡであれば、ｌａｏｙ
ｙ＝５０ｍＡとなる。

よって、ターンオフする条件としてターンオフ用トラン
ジスタに５０ｍＡ流れるように’Ｔ”ｒＺをｆ）１作さ
せ、駆動用ＬＥＤ２２に電流■３より大きい電流Ｉ２を
通電する必要がある。しかしながら、一度ターンオフ用
トランジスタに電流が流れ、ＶＣＸを約０．６Ｖ以下に
してしまえば、あとは前述した阻止状態の駆動方法でよ
い。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これ
らを本発明の範囲から排除するものではない。

（発明の効果）以上、詳細に説明したように、本発明によれば、受光Ｐ
　Ｎ　Ｐ　ＮスイッチのＰゲート・カソード間に抵抗を
接続し、第１のＬＥＤにより駆動される光結合型半導体
スイッチにおいて、第２のＬＥＤと、その第２のＬＥＤ
により駆動されるスイッチング回路とを設け、そのスイ
ッチング回路は前記Ｐゲート・カソード間の抵抗と並列
に接続するようにしたので、光結合型ＰＮＰＮスイッチ
は光制御によるターンオフが可能となり、回路系と制御
系を電気的に完全に分離することができる。

更に、自己保持機能を有するため、パルス駆動によ、る
オン、オフが可能であり、メカニカルスイッチ等よりも
高速にスイッチングを行い得る優れたスイッチを提供す
ることができる。

また、本発明の駆動方法によれば、受光Ｐ　Ｎ　ＰＮス
イッチの阻止状態時に小電流をターンオフ用トランジス
タの駆動ＬＥＤである第２のＬＥＤに人力するだけの筒
車な構成でもって、ｄＶ／ｄｔ誤動作を極端に減少させ
ることができ、他の特性に対しても何等影ツを与えるこ
とはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光結合型半導体スイッチの原理図
、第２図は本発明の第１実施例を示す、光結合型半導体
スイッチの回路構成図、第３図は第２図に示される光結
合型半導体スイッチを更に具体的に示す回路図、第４図
は第３図に示される光結合型半導体スイッチの断面図、
第５図は本発明の第２実施例を示す光結合型半導体スイ
ッチの回路構成図、第６図は本発明の第３実施例を示す
光結合型半導体スイッチの回路構成図、第７図は従来の
光結合型半導体スイッチの回路構成図、第８図は従来の
光結合型半導体スイッチの構成図、第９図は本発明の光
結合型半導体スイッチの駆動回路図、第１０図は第９図
に示す光結合型半導体スイッチの動作を説明するための
波形図、第１１図は本発明の他の実施例を示す光結合型
半導体スイッチの駆動回路図、第１２図は第１１図に示
す光結合型半導体スイッチの動作を説明するための波形
図である。 ■・・・ＰＮＰ　（ＰＮ−Ｐ）　　トランジスタ、２・
・・ＮＰＮ　（Ｎ−ＰＮ”　）ｌ−ランジスタ、３・・
・Ｒａに（拡散抵抗）、４・・・ＮＰＮホトトランジス
タ、５．１５・・・Ｎ−型低不純物濃度半導体基板、７
，８．１６・・・Ｐ型不純物導入領域、９，１７・・・
Ｎ゛型型子不純物導入領域１０．１８・・・絶縁膜、１
１・・・ＰＮＰＮ素子のアノード電極、１２・・・Ｐゲ
ート電ＩＩ、１３・・・Ｐ　Ｎ　Ｐ　Ｎ素子のカソード
電極、１４・・・Ｎ°型高不純物濃度半導体基板、１９
・・・エミッタ電極、２０・・・ＰＮＰＮ素子、２１２
２・・・ＬＥＤ、２３・・・スイッチング回路、２４・
・・ＰＮＰホトトランジスタ、２５・・・ＭＯＳＦＥＴ
、２６・・・直列接続された複数のホトダイオード、３
ｏ・・・制御部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）受光ＰＮＰＮスイッチのＰゲート・カソード間に
抵抗を接続し、第１のＬＥＤにより駆動される光結合型
半導体スイッチにおいて、（ａ）第２のＬＥＤと、（ｂ）該第２のＬＥＤの光照射により前記Ｐゲート・カ
ソード間の端子電圧を前記受光ＰＮＰＮスイッチがター
ンオフ可能な電圧に降下させるスイッチング回路とを付
加するようにしたことを特徴とする光結合型半導体スイ
ッチ。
（２）前記スイッチング回路はＮＰＮホトトランジスタ
を有し、そのコレクタを前記Ｐゲートに、そのエミッタ
を前記カソードに接続してなることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の光結合型半導体スイッチ。
（３）前記スイッチング回路はＰＮＰホトトランジスタ
を有し、そのエミッタを前記Ｐゲートに、そのコレクタ
を前記カソードに接続してなることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の光結合型半導体スイッチ。
（４）前記スイッチング回路はＭＯＳＦＥＴを有し、そ
のドレインを前記Ｐゲートに、そのソースを前記カソー
ドに、その絶縁ゲートに前記第２のＬＥＤの光照射によ
り制御電圧を発生する直列接続された複数のダイオード
をそれぞれ接続してなることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の光結合型半導体スイッチ。
（５）（ａ）受光ＰＮＰＮスイッチのＰゲート・カソード間に
抵抗を接続し、第１のＬＥＤにより受光ＰＮＰＮスイッ
チを駆動し、（ｂ）第２のＬＥＤにより前記Ｐゲート・カソード間を
閉じて前記受光ＰＮＰＮスイッチのターンオフを行い、（ｃ）前記受光ＰＮＰＮスイッチのオフ時のみに前記第
２のＬＥＤに小電流を入力し、Ｐゲート、カソード間を
閉じておくようにしたことを特徴とする光結合型半導体
スイッチの駆動方法。