JP4093014B2

JP4093014B2 - Semiconductor switching element drive circuit and semiconductor relay using the same

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Publication number: JP4093014B2
Application number: JP2002313437A
Authority: JP
Inventors: 岳司吉田; 嘉城早崎; 貴司岸田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2022-10-28
Also published as: JP2004153347A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体スイッチ素子の駆動回路並びにそれを用いた半導体リレーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高周波のアナログ信号を高精度に伝達でき、高速にオンオフできるスイッチ要素として半導体スイッチのニーズが高まっている。このような半導体スイッチとしては、発光ダイオードのような発光素子と、フォトダイオードのような光起電力素子と、逆直列に接続され前記光起電力素子の出力によりオンオフされる一対のＭＯＳＦＥＴからなる半導体スイッチ素子とを備えた半導体リレーが知られている。
【０００３】
この種の半導体リレーの回路図を図１０に示す。図１０に示す半導体リレーは、発光ダイオードよりなる発光素子１００を含む１次側回路Ａ１００と、発光素子１００に光結合され光起電力を発生するフォトダイオードよりなる光起電力素子２００を含む２次側回路Ｂ１００とからなる駆動回路と、ゲート端子（以下、ゲートと略す。）同士およびソース端子（以下、ソースと略す。）同士が夫々共通接続された２個のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂからなる半導体スイッチ素子３００とを備え、１次側回路Ａ１００から２次側回路Ｂ１００へ光結合により直流電力を伝達し、２次側回路Ｂ１００に含まれる光起電力素子２００の起電力に応答して半導体スイッチ素子３００をオン／オフさせるように構成されている。なお、半導体スイッチ素子３００は、各ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのドレイン端子（以下、ドレインと略す。）が夫々出力端子ｘ１００，ｘ２００に接続されている。
【０００４】
１次側回路Ａ１００は、発光素子１００と抵抗１０２と駆動電源１０１とが直列に接続されている。駆動電源１０１はパルス電圧を出力するパルス電源により構成されている。
【０００５】
２次側回路Ｂ１００は、光起電力素子２００のアノードが、半導体スイッチ素子３００におけるゲート同士の接続点と接続され、カソードが、バイアス抵抗２０２を介して半導体スイッチ素子３００におけるソース同士の接続点と接続される。また、ノーマリオン型（デプレッション型）のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１のドレインが、半導体スイッチ素子３００におけるゲート同士の接続点に接続され、ソースが、半導体スイッチ素子３００におけるソース同士の接続点に接続され、ゲートが、光起電力素子２００のカソードに接続される。
【０００６】
このノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１は、半導体スイッチ素子３００の各ＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのゲート電荷を引き抜くために設けられている。さらに、ノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１のゲート−ソース間には、ゲート−ドレイン間が短絡されたｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０３のソース−ドレイン間が接続されている。
【０００７】
以下、上述した半導体リレーの動作について説明する。
【０００８】
まず、半導体スイッチ素子３００をオフからオンへ移行させる時の動作について説明する。
【０００９】
駆動電源１０１から抵抗１０２を介して発光素子１００に順方向電流が流れると、発光素子１００が発光し、光起電力素子２００が光起電力を発生する。この光起電力による電流は、最初、光起電力素子２００の正極→ノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１のドレイン→ノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１のソース→バイアス抵抗２０２→光起電力素子２００の負極の経路で流れる。
【００１０】
この電流によってバイアス抵抗２０２の両端にはノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１のゲート−ソース間を逆バイアスする向きに電圧降下が発生し、バイアス抵抗２０２の両端電圧がノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１の閾値電圧を越えるとノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１がハイインピーダンス化する。
【００１１】
この後、光起電力素子２００の光起電力による電流はそのほとんどが光起電力素子２００の正極→ｎチャネルＭＳＯＦＥＴ３００ａ，３００ｂの各ゲート→ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂの各ソース→バイアス抵抗２０２→光起電力素子２００の負極の経路で流れて、各ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのゲート−ソース間を順バイアスする方向に充電する。そして、この充電電圧が各ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂの閾値電圧を越えると各ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂはターンオンする。
【００１２】
さらに、各ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのゲート−ソース間が完全に充電された後は、光起電力による電流はハイインピーダンス化したノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１を通して、光起電力素子２００の正極→ノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１のドレイン→ノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１のソース→バイアス抵抗２０２→光起電力素子２００の負極の経路で流れつづける。
【００１３】
これは、ノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１は自らを通して流れる電流がバイアス抵抗２０２での電圧降下によってハイインピーダンス状態を保持しているためにある一定のインピーダンスで平衡状態に達するからである。
【００１４】
この状態において、バイアス抵抗２０２を流れていた電流の多くは並列接続されている中程度のインピーダンスに調整されたｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０３を流れるようになり、バイアス抵抗２０２の電圧降下によってｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのゲート−ソース間のバイアス電圧が低下してｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのオン抵抗が上昇しないようにしている。
【００１５】
次に、半導体スイッチ素子をオン状態からオフ状態へ移行させる時の動作について説明する。
【００１６】
駆動電源１０１の出力電圧が０Ｖになり、発光素子１００が消灯すると、光起電力素子２００の出力電流が減少する。このため、バイアス抵抗２０２の電圧降下が低下してノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１が低インピーダンス状態となる。すると、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのゲート−ソース間に蓄積されていた電荷および光起電力素子２００の正極と負極との間に蓄積されていた電荷がノーマリオン型のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ２０１を通して放電され、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのゲート−ソース間電圧が閾値電圧を下回ったときに各ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂがターンオフする。
【００１７】
上述のように、この半導体リレーは半導体スイッチ素子３００の各ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのターンオン時には、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのゲート−ソース間を比較的短い時間で充電して高速にターンオンするように動作し、充電が完了した後も光起電力素子の出力電圧のほとんどがｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのゲート−ソース間に印加されてｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂが低オン抵抗に保持されるように動作する。
【００１８】
一方、ターンオフ時においても、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３００ａ，３００ｂのゲート−ソース間に蓄積させている電荷を比較的短い時間で放電して高速にターンオフするように動作する。
【００１９】
しかしながら、現状では発光素子１００と光起電力素子２００との間の光結合による電力伝達効率が１％未満と非常に低いため、半導体スイッチ素子をターンオン／ターンオフさせるのに要する時間をこれ以上短縮することは困難という問題があった。
【００２０】
上記問題を解決するために、電磁結合された第１のコイルと第２のコイルとを用いて、第１のコイルに入力信号電流が流れた瞬間に、第２のコイルに生じる起電力により、スイッチング時間を短縮するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【００２１】
【特許文献１】
特開平２−９０７２０号公報
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、上記特許文献１と同様に、半導体スイッチ素子のスイッチング時間をこれ以上短縮することが困難という問題であり、本発明の目的とするところは、上記特許文献１とは別の構成により、スイッチング時間を短縮させることが可能な半導体スイッチ素子の駆動回路並びにそれを用いた半導体リレーを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の半導体スイッチ素子の駆動回路は、駆動電源からの駆動電力により光信号を発生する発光素子を有する第１の１次側回路と、第１の光起電力素子を有し前記第１の１次側回路と光結合された第１の２次側回路とからなり、前記駆動電源からの駆動電力を前記第１の１次側回路を介して光を媒体として前記第１の２次側回路へと伝達し、前記第１の２次側回路に接続された半導体スイッチ素子に供給して半導体スイッチ素子をオン／オフする第１の電力供給回路を備えると共に、交流電力が印加される第２の１次側回路と、前記第２の１次側回路に印加された交流電力を第２の２次側回路に伝達する絶縁型の電力伝達手段と、前記第２の２次側回路に伝達された交流電力を整流する整流回路とからなり、前記整流回路で整流された交流電力を前記第１の電力供給回路と共に前記半導体スイッチ素子へ供給する第２の電力供給回路を備えたものとした。
【００２４】
請求項２記載の半導体スイッチ素子の駆動回路は、請求項１記載の発明において、前記電力伝達手段は、前記第２の１次側回路と前記第２の２次側回路とを電磁結合するトランスからなるものとした。
【００２５】
請求項３記載の半導体スイッチ素子の駆動回路は、請求項１記載の発明において、前記電力伝達手段は、前記第２の１次側回路と前記第２の２次側回路とを静電結合するコンデンサからなるものとした。
【００２６】
請求項４記載の半導体スイッチ素子の駆動回路は、請求項１乃至３の何れか記載の発明において、前記第２の１次側回路へ印加される交流電力が、前記駆動電源からの駆動電力が発生するタイミング、または消滅するタイミング、または発生するタイミングと消滅するタイミングで印加されるように制御する手段を備えたものとした。
【００２７】
請求項５記載の半導体スイッチ素子の駆動回路は、請求項１乃至３の何れか記載の発明において、前記第２の１次側回路へ、常時交流電力を印加する手段を備えたものとした。
【００２８】
請求項６記載の半導体スイッチ素子の駆動回路は、請求項１乃至５の何れか記載の発明において、前記整流回路は、前記第１の光起電力素子の光起電力の発生時に、前記第２の２次側回路へ伝達された交流電力が前記第１の光起電力素子の光起電力と同一極性となるように整流するものとした。
【００２９】
請求項７記載の半導体スイッチ素子の駆動回路は、請求項１乃至５の何れか記載の発明において、前記整流回路は、前記第１の光起電力素子の光起電力の消滅時に、前記第２の２次側回路へ伝達された交流電力が前記第１の光起電力素子の光起電力と逆極性となるように整流するものとした。
【００３０】
請求項８記載の半導体スイッチ素子の駆動回路は、請求項１乃至５の何れか記載の発明において、前記整流回路は、前記第１の光起電力素子の光起電力の発生時に、前記第２の２次側回路へ伝達された交流電力が前記第１の光起電力素子の光起電力と同一極性となるように整流すると共に、前記第１の光起電力素子の光起電力の消滅時に、前記第２の２次側回路へ伝達された交流電力が前記第１の光起電力素子の光起電力と逆極性となるように整流するものとした。
【００３１】
請求項９記載の半導体スイッチ素子の駆動回路は、請求項８記載の発明において、前記整流回路は、互いに逆直列となるように前記電力伝達手段に接続された２つのＭＯＳＦＥＴと、第２の光起電力素子の光起電力により前記ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御して前記ＭＯＳＦＥＴをオン／オフする光結合駆動回路とからなり、前記光結合駆動回路によりオフされた前記ＭＯＳＦＥＴのボディーダイオードで、前記交流電力を整流するものとした。
【００３２】
請求項１０記載の半導体スイッチ素子の駆動回路は、請求項１乃至９の何れか記載の発明において、前記第１の２次側回路に、前記第１の光起電力素子で発生した電流が前記半導体スイッチ素子に流れ込む向きで、前記第１の光起電力素子と直列に接続される整流素子を備えたものとした。
【００３３】
請求項１１記載の半導体リレーは、２つのＦＥＴの制御端子同士、および各１対の主端子のうち一方の主端子同士を夫々共通接続して構成された半導体スイッチ素子と、共通接続された制御端子と一方の主端子との間に制御入力を与える請求項１乃至１０の何れか記載の半導体スイッチ素子の駆動回路を備えたものとした。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下の実施形態では、本発明に係る駆動回路で駆動する半導体スイッチ素子としてｎチャネルＭＯＳＦＥＴを例示するが、これに限らずｐチャネルＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ）などを含む半導体スイッチ素子全般の駆動回路に対して本発明の技術が適用可能である。また、各実施形態では、絶縁型の電力伝達手段として電磁結合手段又は静電結合手段を例示しているが、これらに限定する趣旨ではなく、熱結合手段や圧電結合手段などの高速で電力伝達が可能な手段であれば、本発明における絶縁型の電力伝達手段に適用可能である。
【００３５】
以下、本発明を実施形態１から実施形態７によって説明する。
【００３６】
（実施形態１）
図１に、本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す。この半導体スイッチ素子の駆動回路は、一つのｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０からなる半導体スイッチ素子と接続され、半導体リレーを構成している。なお、本実施形態では、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲートが制御端子を構成し、ソースが一方の主端子ｘ１を構成し、ドレインが他方の主端子ｘ２を構成しており、ゲート−ソース間に与えられるゲート電圧（ゲート−ソース間電圧）が制御入力となる。
【００３７】
この半導体スイッチ素子の駆動回路は、駆動電源１１からの駆動電力により光信号を発生する発光ダイオードからなる発光素子１０を有する第１の１次側回路Ａ１と、フォトダイオードからなる第１の光起電力素子２０を有し第１の１次側回路Ａ１と光結合された第１の２次側回路Ｂ１とから構成された第１の電力供給回路を備えると共に、第１の電力供給回路と並列関係に、交流電力発生回路４０ａを有する第２の１次側回路Ａ２と、整流回路５０ａを有する第２の２次側回路Ｂ２と、前記第２の１次側回路Ａ２と前記第２の２次側回路Ｂ２とを電磁結合する絶縁型の電力伝達手段であるトランスＴとから構成された第２の電力供給回路を備えてなる。
【００３８】
第１の１次側回路Ａ１は、駆動電源１１と抵抗１２と発光素子１０とが直列に接続される。駆動電源１１は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲート駆動に適したパルス電圧を出力する単極性のパルス電源により構成されており、その出力電圧はｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０がオンするために適した正電圧と０Ｖとの２値をとれるようになっている。
【００３９】
第１の２次側回路Ｂ１は、第１の光起電力素子２０のアノードが、半導体スイッチ素子であるｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲートと接続され、カソードが、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のソースと接続される。
【００４０】
第２の１次側回路Ａ２は、交流電力発生回路４０ａの出力がトランスＴの１次巻線Ｔ１と接続されている。交流電力発生回路４０ａは、駆動電源１１からの駆動電力が発生するタイミングおよび消滅するタイミングで交流電力がトランスＴの１次巻線Ｔ１に印加されるように制御する手段（図示せず）を備えており、交流電力発生回路４０ａの入力が発光素子１０の両端と接続され、駆動電源１１が出力するパルス電圧の立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングで交流電力を発生し、その信号がトランスＴの１次巻線Ｔ１に印加されるようになっている。
【００４１】
第２の２次側回路Ｂ２は、トランスＴの２次巻線Ｔ２が整流回路５０ａと接続され、整流回路５０ａの出力がｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲートおよびソースと接続される。
【００４２】
トランスＴは、駆動電源１１からの電力供給時に光起電力素子２０に生じる光起電力とトランスＴの２次巻線Ｔ２に誘起される誘導起電力との極性を一致させるように、極性が設定してある。
【００４３】
整流回路５０ａは、２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２と２つのダイオードＤ１，Ｄ２とからなり、第１のスイッチＳＷ１の一端と第１のダイオードＤ１のアノードとがトランスＴの２次巻線Ｔ２の一方の端子と接続され、第１のスイッチＳＷ１の他端と第１のダイオードＤ１のカソードとがｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲートと接続されると共に、第２のスイッチＳＷ２の一端と第２のダイオードＤ２のアノードとがトランスＴの２次巻線Ｔ２の他方の端子と接続され、第２のスイッチＳＷ２の他端と第２のダイオードＤ２のカソードとがｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のソースと接続される。第１のダイオードＤ１と第２のダイオードＤ２とは、夫々整流の向きが逆になる。
【００４４】
２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２は、駆動電源１１のパルス電圧が定常的に正電圧および０Ｖのとき、両方ともオフであり、駆動電源１１のパルス電圧の立ち上がり時には、第１のスイッチＳＷ１がオフ、第２のスイッチＳＷ２がオン状態となり、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力が光起電力素子２０に生じる光起電力と同一極性となる向きに整流し、駆動電源１１のパルス電圧の立ち下がり時には、スイッチＳＷ１がオン、スイッチＳＷ２がオフ状態となり、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力が光起電力素子２０の光起電力と逆極性となる向きに整流するように、制御されている。
【００４５】
次に、上記のように構成された半導体スイッチ素子の駆動回路の動作を説明する。
【００４６】
まず、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をオフ状態からオン状態へターンオンさせる時の動作について説明する。
【００４７】
駆動電源１１からパルス電圧が出力されて出力電圧が０Ｖから正電圧に立ち上がると、抵抗１２を介して発光素子１０に電流が流れ、発光素子１０が発光し、発光素子１０と光結合されている光起電力素子２０に光起電力が生じる。
【００４８】
一方、駆動電源１１の出力電圧の立ち上がり時には、交流電力発生回路４０ａから交流電力が発生し、トランスＴの１次巻線Ｔ１に交流電流が流れることで、２次巻線Ｔ２に誘導起電力が生じる。
【００４９】
そして、整流回路５０ａで第１のスイッチＳＷ１がオフ、第２のスイッチＳＷ２がオンし、２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力の極性が光起電力素子２０に生じる光起電力の極性と一致するように整流され、光起電力素子２０の光起電力と合わせて、光起電力素子２０の正極と負極との間の容量（以下、端子間容量という。）とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲート−ソース間容量（以下、入力容量という。）とが充電される。
【００５０】
そして、この充電電圧が閾値電圧を超えるとｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０がターンオンする。
【００５１】
すなわち、光起電力素子２０に生じる光起電力だけでなく、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力と合わせて光起電力素子２０の端子間容量並びにｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量が充電されるため、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をターンオンさせるのに要する時間を短縮させることが可能となる。
【００５２】
次に、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をオン状態からオフ状態へターンオフさせる時の動作を説明する。
【００５３】
駆動電源１１の出力電圧が０Ｖになり、発光素子１０が消灯すると、光起電力素子２０の出力電流が減少する。
【００５４】
一方、駆動電源１１の出力電圧の立ち下がり時には、交流電力発生回路４０ａから交流電力が発生し、トランスＴの１次巻線Ｔ１に交流電力が流れることで、２次巻線Ｔ２に誘導起電力が生じる。
【００５５】
そして、整流回路５０ａで第１のスイッチＳＷ１がオン、第２のスイッチＳＷ２がオフし、２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力の極性が光起電力素子２０の光起電力の極性と逆極性となるように整流される。
【００５６】
この誘導起電力によって、光起電力素子２０の端子間容量とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量に蓄積されていた電荷が急速に放電される。
【００５７】
すなわち、ターンオフ時においては、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力でｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲート−ソース間を逆バイアスすることにより、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をターンオフさせるのに要する時間を短縮させることが可能となる。
【００５８】
かかる半導体スイッチ素子の駆動回路においては、半導体スイッチ素子であるｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のターンオン時のスイッチング時間並びにターンオフ時のスイッチング時間の短縮が可能となる。
【００５９】
なお、第１の２次側回路Ｂ１に、第１の光起電力素子２０で発生した電流がｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０に流れ込む向きで、第１の光起電力素子２０と直列に整流素子を接続してもよい。この整流素子を設けることで、整流回路５０ａで整流された交流電力が、効率的にｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量を充電し、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のスイッチング時間の更なる短縮が可能となる。
【００６０】
（実施形態２）
図２に、本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す。
【００６１】
本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路は、実施形態１の交流電力発生回路４０ａと整流回路５０ａとに代えて、交流電力発生回路４０ｂと整流回路５０ｂとを備えた点に特徴があり、その他の構成は実施形態１と共通するために、共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６２】
本実施形態の交流電力発生回路４０ｂは、駆動電源１１からの駆動電力が発生するタイミングで交流電力がトランスＴの１次巻線Ｔ１に印加されるように制御する手段（図示せず）を備えており、交流電力発生回路４０ｂの入力が発光素子１０の両端と接続され、駆動電源１１が出力するパルス電圧の立ち上がりのタイミングで交流電力を発生し、その信号がトランスＴの１次巻線Ｔ１に印加されるようになっている。
【００６３】
整流回路５０ｂは、ダイオードＤ３からなり、駆動電源１１からのパルス電圧の立ち上がり時にトランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力が光起電力素子２０に生じる光起電力と同一極性となるように、ダイオードＤ３のアノードがトランスＴの２次巻線Ｔ２の一方の端子に接続され、カソードがｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲートに接続され、トランスＴの２次巻線Ｔ２の他方の端子がｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のソースに接続される。
【００６４】
次に、上記のように構成された半導体スイッチ素子の駆動回路を用いて、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をオフ状態からオン状態へターンオンさせる時の動作について説明する。
【００６５】
駆動電源１１からパルス電圧が出力されて出力電圧が０Ｖから正電圧に立ち上がると、抵抗１２を介して発光素子１０に電流が流れ、発光素子１０が発光し、発光素子１０と光結合されている光起電力素子２０に光起電力が生じる。
【００６６】
一方、駆動電源１１の出力電圧の立ち上がり時には、交流電力発生回路４０ｂから交流電力が発生し、トランスＴの１次巻き線Ｔ１に交流電流が流れることで、２次巻線Ｔ２に誘導起電力が生じる。
【００６７】
そして、２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力が正電圧となるように、整流回路５０ｂで整流され、光起電力素子２０の光起電力と合わせて、光起電力素子２０の端子間容量とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量が充電される。
【００６８】
そして、この充電電圧が閾値電圧を超えるとｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０がターンオンする。
【００６９】
すなわち、半導体スイッチ素子であるｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のターンオン時に、光起電力素子２０に生じる光起電力だけでなく、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力と合わせて光起電力素子２０の端子間容量並びにｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量が充電することで、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のターンオン時のスイッチング時間の短縮が可能となる。
【００７０】
（実施形態３）
図３に、本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す。
【００７１】
本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路は、実施形態２の交流電力発生回路４０ｂと整流回路５０ｂとに代えて、交流電力発生回路４０ｃと整流回路５０ｃとを備えた点に特徴があり、その他の構成は実施形態２と共通するために、共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７２】
本実施形態の交流電力発生回路４０ｃは、駆動電源１１からの駆動電力が消滅するタイミングで交流電力がトランスＴの１次巻線Ｔ１に印加されるように制御する手段（図示せず）を備えており、交流電力発生回路４０ｃの入力が発光素子１０の両端と接続され、駆動電源１１が出力するパルス電圧の立ち下がりのタイミングで交流電力を発生し、その信号がトランスＴの１次巻線Ｔ１に印加されるようになっている。
【００７３】
整流回路５０ｃは、ダイオードＤ４からなり、駆動電源１１からのパルス電圧の立ち下がり時にトランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力が光起電力素子２０の光起電力と逆極性となるように、ダイオードＤ４のアノードがトランスＴの２次巻線Ｔ２の一方の端子に接続され、カソードがｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のソースに接続され、トランスＴの２次巻線Ｔ２の他方の端子がｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲートに接続される。
【００７４】
次に、上記のように構成された半導体スイッチ素子の駆動回路を用いて、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をオン状態からオフ状態へターンオフさせる時の動作について説明する。
【００７５】
駆動電源１１の出力電圧が０Ｖになり、発光素子１０が消灯すると、光起電力素子２０の出力電流が減少する。
【００７６】
一方、駆動電源１１の出力電圧の立ち下がり時には、交流電力発生回路４０ｃから交流電力が発生し、トランスＴの１次巻線Ｔ１に交流電力が流れることで、２次巻線Ｔ２に誘導起電力が生じる。
【００７７】
そして、２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力が負電圧となるように、整流回路５０ｂで整流され、光起電力素子２０の端子間容量とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量に蓄積されていた電荷が急速に放電される。
【００７８】
すなわち、半導体スイッチ素子であるｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のターンオフ時に、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力でｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲート−ソース間が逆バイアスすることで、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のターンオフ時のスイッチング時間の短縮が可能となる。
【００７９】
（実施形態４）
図４に、本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す。
【００８０】
本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路は、実施形態１の交流電力発生回路４０ａに代えて、交流電力発生回路４０ｄを備えた点に特徴があり、その他の構成は実施形態１と共通するために、共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００８１】
本実施形態の交流電力発生回路４０ｄは、第１の電力供給回路から独立しており、常時、トランスＴの１次巻線Ｔ１へ交流電力を印加する。
【００８２】
以下、本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路の動作を説明する。
【００８３】
まず、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をオフ状態からオン状態へターンオンさせる時の動作について説明する。
【００８４】
駆動電源１１からパルス電圧が出力されて出力電圧が０Ｖから正電圧に立ち上がると、抵抗１２を介して発光素子１０に電流が流れ、発光素子１０が発光し、発光素子１０と光結合されている光起電力素子２０に光起電力が生じる。
【００８５】
一方、駆動電源１１の出力電圧の立ち上がり時には、整流回路５０ａで第１のスイッチＳＷ１がオフ、第２のスイッチＳＷ２がオンし、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力の極性が光起電力素子２０に生じる光起電力の極性と一致するように整流され、光起電力素子２０の光起電力と２次巻線Ｔ２に生じた誘導起電力とによって、光起電力素子２０の端子間容量とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量とが充電される。
【００８６】
そして、この充電電圧が閾値電圧を超えるとｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０がターンオンする。
【００８７】
すなわち、光起電力素子２０に生じる光起電力だけでなく、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力と合わせて光起電力素子２０の端子間容量並びにｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量が充電されるため、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をターンオンさせるのに要する時間を短縮させることが可能となる。
【００８８】
次に、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をオン状態からオフ状態へターンオフさせる時の動作を説明する。
【００８９】
駆動電源１１の出力電圧が０Ｖになり、発光素子１０が消灯すると、光起電力素子２０の出力電流が減少する。
【００９０】
一方、駆動電源１１の出力電圧の立ち下がり時には、整流回路５０ａで第１のスイッチＳＷ１がオン、第２のスイッチＳＷ２がオフし、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力の極性が光起電力素子２０に生じる光起電力の極性と逆極性となるように整流される。
【００９１】
この誘導起電力によって、光起電力素子２０の端子間容量とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量に蓄積されていた電荷が急速に放電される。
【００９２】
すなわち、ターンオフ時においては、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力でｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲート−ソース間を逆バイアスすることにより、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をターンオフさせるのに要する時間を短縮させることが可能となる。
【００９３】
かかる半導体スイッチ素子の駆動回路においては、半導体スイッチ素子であるｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のターンオン時のスイッチング時間並びにターンオフ時のスイッチング時間の短縮が可能となる。
【００９４】
なお、本実施形態において、整流回路５０ａは、図５に示すように実施形態２の整流回路５０ｂ、または図６に示すように実施形態３の整流回路５０ｃでもよく、夫々、ターンオン時のスイッチング時間またはターンオフ時のスイッチング時間を短縮させることが可能である。
【００９５】
（実施形態５）
図７に、本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す。
【００９６】
本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路は、実施形態１の絶縁型の電力伝達手段であるトランスＴに代えて、第２の１次側回路Ａ２と第２の２次側回路Ｂ２とを静電結合するコンデンサＣ１，Ｃ２を備えた点に特徴があり、その他の構成は実施形態１と共通するために、共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００９７】
コンデンサＣ１，Ｃ２は、整流回路５０ａのスイッチＳＷ１，ＳＷ２の一端とダイオードＤ１，Ｄ２のアノードとの接続点と、交流電力発生回路４０ａの出力との間に接続される。
【００９８】
以下、本実施形態の駆動回路の動作を説明する。
【００９９】
まず、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をオフ状態からオン状態へターンオンさせる時の動作について説明する。
【０１００】
駆動電源１１からパルス電圧が出力されて出力電圧が０Ｖから正電圧に立ち上がると、抵抗１２を介して発光素子１０に電流が流れ、発光素子１０が発光し、発光素子１０と光結合されている光起電力素子２０に光起電力が生じる。
【０１０１】
一方、駆動電源１１の出力電圧の立ち上がり時には、交流電力発生回路４０ａから交流電力が発生し、コンデンサＣ１，Ｃ２を介して交流電流が整流回路５０ａに流れる。
【０１０２】
そして、整流回路５０ａで第１のスイッチＳＷ１がオフ、第２のスイッチＳＷ２がオンし、光起電力素子２０の光起電力と同一極性になるように整流され、光起電力素子２０の光起電力と合わせて、光起電力素子２０の端子間容量とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量とが充電される。
【０１０３】
そして、この充電電圧が閾値電圧を超えるとｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０がターンオンする。
【０１０４】
すなわち、光起電力素子に生じる光起電力だけでなく、コンデンサＣ１，Ｃ２を介して交流電力発生回路４０ａから整流回路５０ａへ供給される電流と合わせて、光起電力素子２０の端子間容量並びにｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量が充電されるため、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をターンオンさせるのに要する時間を短縮させることが可能となる。
【０１０５】
次に、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をオン状態からオフ状態へターンオフさせる時の動作を説明する。
【０１０６】
駆動電源１１の出力電圧が０Ｖになり、発光素子１０が消灯すると、光起電力素子２０の出力電流が減少する。
【０１０７】
一方、駆動電源１１の出力電圧の立ち下がり時には、交流電力発生回路４０ａから交流電力が発生し、コンデンサＣ１，Ｃ２を介して交流電力が整流回路５０ａに流れる。
【０１０８】
そして、整流回路５０ａでスイッチＳＷ１がオン、スイッチＳＷ２がオフし、その交流電力が光起電力素子２０の光起電力の極性と逆極性となるように整流され、整流された交流電力によって、光起電力素子２０の端子間容量とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０の入力容量に蓄積されていた電荷が急速に放電される。
【０１０９】
すなわち、ターンオフ時においては、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲート−ソース間を逆バイアスすることにより、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０をターンオフさせるのに要する時間を短縮させることが可能となる。
【０１１０】
かかる半導体スイッチ素子の駆動回路においては、半導体スイッチ素子であるｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のターンオン時のスイッチング時間並びにターンオフ時のスイッチング時間の短縮が可能となる。
【０１１１】
（実施形態６）
図８に、本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す。
【０１１２】
本実施形態の半導体スイッチ素子の駆動回路は、実施形態１の整流回路５０ａに代えて、整流回路５０ｄを備えた点に特徴があり、その他の構成は実施形態１と共通するために、共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１３】
本実施形態の整流回路５０ｄは、２つのＭＯＳＦＥＴ５１，５２と、ＭＯＳＦＥＴ５１，５２をオン／オフ制御する光結合駆動回路とからなる。
【０１１４】
２つのＭＯＳＦＥＴ５１，５２は、互いに逆直列となるように、夫々のソースがトランスＴの２次巻線の一方の端子と他方の端子へ接続され、一方のＭＯＳＦＥＴ５１のドレインがｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のゲートと接続され、他方のＭＯＳＦＥＴ５２のドレインがｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３０のソースと接続されている。
【０１１５】
光結合駆動回路は、第２の光起電力素子５３，５４と、第２の発光素子５６，５７と、インバータ回路５５とからなる。
【０１１６】
第２の光起電力素子５３，５４の正極は、ＭＯＳＦＥＴ５１，５２のゲートに夫々接続され、負極は、ＭＯＳＦＥＴ５１，５２のソースに夫々接続されている。
【０１１７】
第２の発光素子５６，５７は、一方の第２の発光素子５６がインバータ回路５５を介して駆動電源１１と直列に接続され、他方の第２の発光素子５７が直接駆動電源１１と直列に接続されている。
【０１１８】
上記のように構成された整流回路５０ｄは、駆動電源１１のパルス電圧が正電圧のときには、一方のＭＯＳＦＥＴ５１がオフ、他方のＭＯＳＦＥＴ５２がオンし、一方のＭＯＳＦＥＴ５１のボディダイオードにより、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力が第１の光起電力素子２０に生じる光起電力と同一極性となる向きに整流する。また、駆動電源１１のパルス電圧が０Ｖの時には、一方のＭＯＳＦＥＴ５１がオン、他方のＭＯＳＦＥＴ５２がオフし、トランスＴの２次巻線Ｔ２に生じる誘導起電力が光起電力素子の光起電力と逆極性になるように他方のＭＯＳＦＥＴ５２のボディダイオードにより整流する。
【０１１９】
整流回路５０ｄにおける第２の光起電力素子５３，５４は、チャネル幅サイズの小さいＭＯＳＦＥＴ５１，５２をオンするのに十分な光起電力を発生すればよく、光起電力素子のサイズを小さくできる。よって、光起電力素子５３，５４が光起電力を発生するスピードが速く、かつ、整流回路５０ｄにおけるＭＯＳＦＥＴ５１，５２の入力容量が小さいため、ＭＯＳＦＥＴ５１，５２のスイッチングスピードは速い。よって、実施形態１と同様の動作により、半導体スイッチ素子のスイッチング時間を短縮できると共に、第２の光起電力素子５３，５４と、第２の発光素子５６，５７とが光結合である為、１次側回路Ａ１，Ａ２と２次側回路Ｂ１，Ｂ２とを電気的に完全絶縁することができる。
【０１２０】
（実施形態７）
本実施形態は、図９に示すように、ゲート同士およびソース同士が夫々共通接続された２つのｎチャネルＭＯＳＦＥＴ３１ａ，３１ｂからなる半導体スイッチ素子３１と、実施形態１の駆動回路とを備えた半導体リレーを構成している。
【０１２１】
このように構成される半導体リレーにおいても、実施形態１と同様の動作によりスイッチング時間を短縮させることができる。
【０１２２】
なお、半導体リレーを構成する駆動回路は、実施形態１の駆動回路に限定されるものではなく、実施形態２乃至６に示した何れかの駆動回路であっても構わない。
【０１２３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、駆動電源からの駆動電力により光信号を発生する発光素子を有する第１の１次側回路と、第１の光起電力素子を有し前記第１の１次側回路と光結合された第１の２次側回路とからなり、前記駆動電源からの駆動電力を前記第１の１次側回路を介して光を媒体として前記第１の２次側回路へと伝達し、前記第１の２次側回路に接続された半導体スイッチ素子に供給して半導体スイッチ素子をオン／オフする第１の電力供給回路を備えると共に、交流電力が印加される第２の１次側回路と、前記第２の１次側回路に印加された交流電力を第２の２次側回路に伝達する絶縁型の電力伝達手段と、前記第２の２次側回路に伝達された交流電力を整流する整流回路とからなり、前記整流回路で整流された交流電力を前記第１の電力供給回路と共に前記半導体スイッチ素子へ供給する第２の電力供給回路を備えたので、第１の電力供給回路による電力伝達を第２の電力供給回路により補うことで半導体スイッチ素子のスイッチング時間を短縮させることが可能な駆動回路を実現できるという効果がある。
【０１２４】
請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記電力伝達手段は、前記第２の１次側回路と前記第２の２次側回路とを電磁結合するトランスからなるので、トランスを用いた請求項１記載の絶縁型の電力伝達手段を実現できるという効果がある。
【０１２５】
請求項３の発明は、請求項１記載の発明において、前記電力伝達手段は、前記第２の１次側回路と前記第２の２次側回路とを静電結合するコンデンサからなるので、コンデンサを用いた請求項１記載の絶縁型の電力伝達手段を実現できるという効果がある。
【０１２６】
請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか記載の発明において、前記第２の１次側回路へ印加される交流電力が、前記駆動電源からの駆動電力が発生するタイミング、または消滅するタイミング、または発生するタイミングと消滅するタイミングで印加されるように制御する手段を備えたので、前記半導体スイッチ素子のオン／オフのタイミングで必要とされる交流電力を効率的に供給できるという効果がある。
【０１２７】
請求項５の発明は、請求項１乃至３の何れか記載の発明において、前記第２の１次側回路へ、常時交流電力を印加する手段を備えたので、常に、前記第２の１次側回路に交流電力を供給できるという効果がある。
【０１２８】
請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れか記載の発明において、前記整流回路は、前記第１の光起電力素子の光起電力の発生時に、前記第２の２次側回路へ伝達された交流電力が前記第１の光起電力素子の光起電力と同一極性となるように整流するので、前記第１の光起電力素子の光起電力の発生時に、急速に前記第１の２次側回路の電圧を上昇でき、前記半導体スイッチ素子のターンオン時のスイッチング時間を短縮できるという効果がある。
【０１２９】
請求項７の発明は、請求項１乃至５の何れか記載の発明において、前記整流回路は、前記第１の光起電力素子の光起電力の消滅時に、前記第２の２次側回路へ伝達された交流電力が前記第１の光起電力素子の光起電力と逆極性となるように整流するので、前記第１の光起電力素子の光起電力の消滅時に、急速に前記第１の２次側回路の電圧を下降でき、前記半導体スイッチ素子のターンオフ時のスイッチング時間を短縮できるという効果がある。
【０１３０】
請求項８の発明は、請求項１乃至５の何れか記載の発明において、前記整流回路は、前記第１の光起電力素子の光起電力の発生時に、前記第２の２次側回路へ伝達された交流電力が前記第１の光起電力素子の光起電力と同一極性となるように整流すると共に、前記第１の光起電力素子の光起電力の消滅時に、前記第２の２次側回路へ伝達された交流電力が前記第１の光起電力素子の光起電力と逆極性となるように整流するので、前記第１の光起電力素子の光起電力の発生時と消滅時の両方において、急速に前記第１の２次側回路の電圧を上昇または下降でき、前記半導体スイッチ素子のターンオン時とターンオフ時のスイッチング時間を短縮できるという効果がある。
【０１３１】
請求項９の発明は、請求項８記載の発明において、前記整流回路は、互いに逆直列となるように前記電力伝達手段に接続された２つのＭＯＳＦＥＴと、第２の光起電力素子の光起電力により前記ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御して前記ＭＯＳＦＥＴをオン／オフする光結合駆動回路とからなり、前記光結合駆動回路によりオフされた前記ＭＯＳＦＥＴのボディーダイオードで、前記交流電力を整流することを特徴とするので、電力を伝達する前記２つのＭＯＳＦＥＴとその駆動回路である前記光結合駆動回路とが電気的に絶縁された請求項８記載の整流回路を実現できるという効果がある。
【０１３２】
請求項１０の発明は、請求項１乃至９の何れか記載の発明において、前記第１の２次側回路に、前記第１の光起電力素子で発生した電流が前記半導体スイッチ素子に流れ込む向きで、前記第１の光起電力素子と直列に接続される整流素子を備えたので、第２の電力供給回路からの電力が効率的に前記半導体スイッチ素子へ流れ、半導体スイッチ素子のスイッチング時間を更に短縮できるという効果がある。
【０１３３】
請求項１１の発明は、２つのＦＥＴの制御端子同士、および各１対の主端子のうち一方の主端子同士を夫々共通接続して構成された半導体スイッチ素子と、共通接続された制御端子と一方の主端子との間に制御入力を与える請求項１乃至１０の何れか記載の半導体スイッチ素子の駆動回路を備えたので、スイッチング時間を短縮した半導体リレーを実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す図である。
【図２】実施形態２の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す図である。
【図３】実施形態３の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す図である。
【図４】実施形態４の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す図である。
【図５】実施形態４の別の形態の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す図である。
【図６】実施形態４の別の形態の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す図である。
【図７】実施形態５の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す図である。
【図８】実施形態６の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す図である。
【図９】実施形態７の半導体リレーを示す図である。
【図１０】従来の半導体スイッチ素子の駆動回路を示す図である。
【符号の説明】
１０発光素子
１１駆動電源
１２抵抗
２０光起電力素子
３０ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ
４０ａ〜４０ｄ交流電力発生回路
５０ａ〜５０ｄ整流回路
Ａ１第１の１次側回路
Ａ２第２の１次側回路
Ｂ１第１の２次側回路
Ｂ２第２の２次側回路
Ｔトランス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a drive circuit for a semiconductor switch element and a semiconductor relay using the drive circuit.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a growing need for semiconductor switches as switching elements that can transmit high-frequency analog signals with high accuracy and can be turned on and off at high speed. Such a semiconductor switch includes a light-emitting element such as a light-emitting diode, a photovoltaic element such as a photodiode, and a semiconductor composed of a pair of MOSFETs connected in reverse series and turned on and off by the output of the photovoltaic element. A semiconductor relay provided with a switching element is known.
[0003]
A circuit diagram of this type of semiconductor relay is shown in FIG. The semiconductor relay shown in FIG. 10 includes a primary circuit A100 including a light emitting element 100 made of a light emitting diode, and a secondary including a photovoltaic element 200 made of a photodiode that is optically coupled to the light emitting element 100 and generates a photovoltaic power. A semiconductor device comprising a drive circuit comprising the side circuit B100, and two n-channel MOSFETs 300a and 300b in which a gate terminal (hereinafter abbreviated as a gate) and a source terminal (hereinafter abbreviated as a source) are connected in common. And a switch element 300. The semiconductor switch is responsive to the electromotive force of the photovoltaic element 200 included in the secondary circuit B100 by transmitting DC power from the primary circuit A100 to the secondary circuit B100 by optical coupling. The device 300 is configured to be turned on / off. In the semiconductor switch element 300, the drain terminals (hereinafter abbreviated as drains) of the n-channel MOSFETs 300a and 300b are connected to the output terminals x100 and x200, respectively.
[0004]
In the primary circuit A100, the light emitting element 100, the resistor 102, and the drive power supply 101 are connected in series. The drive power supply 101 is constituted by a pulse power supply that outputs a pulse voltage.
[0005]
In the secondary circuit B100, the anode of the photovoltaic element 200 is connected to the connection point between the gates of the semiconductor switch element 300, and the cathode is connected to the connection point between the sources of the semiconductor switch element 300 via the bias resistor 202. Connected. The drain of the normally-on (depletion type) n-channel MOSFET 201 is connected to the connection point between the gates of the semiconductor switch element 300, the source is connected to the connection point between the sources in the semiconductor switch element 300, and the gate is , Connected to the cathode of the photovoltaic element 200.
[0006]
The normally-on type n-channel MOSFET 201 is provided for extracting the gate charges of the MOSFETs 300 a and 300 b of the semiconductor switch element 300. Further, between the gate and source of the normally-on type n-channel MOSFET 201, the source and drain of the n-channel MOSFET 203 whose gate and drain are short-circuited are connected.
[0007]
Hereinafter, the operation of the above-described semiconductor relay will be described.
[0008]
First, an operation when the semiconductor switch element 300 is shifted from OFF to ON will be described.
[0009]
When a forward current flows from the driving power supply 101 to the light emitting element 100 via the resistor 102, the light emitting element 100 emits light, and the photovoltaic element 200 generates photovoltaic power. The current caused by this photovoltaic power is first from the positive electrode of the photovoltaic element 200 → the drain of the normally-on type n-channel MOSFET 201 → the source of the normally-on type n-channel MOSFET 201 → the bias resistor 202 → the negative electrode of the photovoltaic element 200. It flows along the route.
[0010]
Due to this current, a voltage drop occurs in the opposite direction of the gate-source of the normally-on type n-channel MOSFET 201 at both ends of the bias resistor 202, and the voltage across the bias resistor 202 is the threshold value of the normally-on-type n-channel MOSFET 201. When the voltage is exceeded, the normally-on type n-channel MOSFET 201 becomes high impedance.
[0011]
After that, most of the current due to the photovoltaic power of the photovoltaic element 200 is the positive electrode of the photovoltaic element 200 → the gates of the n-channel MSOFETs 300a and 300b → the sources of the n-channel MOSFETs 300a and 300b → the bias resistor 202 → the photovoltaic. It flows in the negative electrode path of the power element 200 and charges in the direction of forward biasing between the gate and the source of each n-channel MOSFET 300a, 300b. When this charging voltage exceeds the threshold voltage of each n-channel MOSFET 300a, 300b, each n-channel MOSFET 300a, 300b is turned on.
[0012]
Further, after the gate-source of each of the n-channel MOSFETs 300a and 300b is fully charged, the current caused by the photovoltaic power passes through the normally-on n-channel MOSFET 201 with high impedance, and the positive polarity of the photovoltaic element 200 is changed to no. The flow continues along the path of the drain of the mullion type n-channel MOSFET 201 → the source of the normally on type n channel MOSFET 201 → the bias resistor 202 → the negative electrode of the photovoltaic element 200.
[0013]
This is because the normally-on type n-channel MOSFET 201 reaches an equilibrium state with a certain impedance because the current flowing through the normally-on type n-channel MOSFET 201 maintains a high impedance state due to a voltage drop across the bias resistor 202.
[0014]
In this state, most of the current flowing through the bias resistor 202 flows through the n-channel MOSFET 203 adjusted to a medium impedance connected in parallel, and the voltage drop of the bias resistor 202 causes the n-channel MOSFETs 300a and 300b to flow. The on-resistance of the n-channel MOSFETs 300a and 300b is prevented from increasing due to a decrease in the gate-source bias voltage.
[0015]
Next, an operation when the semiconductor switch element is shifted from the on state to the off state will be described.
[0016]
When the output voltage of the drive power supply 101 becomes 0 V and the light emitting element 100 is turned off, the output current of the photovoltaic element 200 decreases. For this reason, the voltage drop of the bias resistor 202 is lowered, and the normally-on type n-channel MOSFET 201 enters a low impedance state. Then, the charge accumulated between the gate and source of the n-channel MOSFETs 300a and 300b and the charge accumulated between the positive electrode and the negative electrode of the photovoltaic element 200 are discharged through the normally-on n-channel MOSFET 201, and n Each n-channel MOSFET 300a, 300b is turned off when the gate-source voltage of the channel MOSFET 300a, 300b falls below the threshold voltage.
[0017]
As described above, when the n-channel MOSFETs 300a and 300b of the semiconductor switching element 300 are turned on, the semiconductor relay operates to charge the gate-source of the n-channel MOSFETs 300a and 300b in a relatively short time and to turn on at high speed. Even after the charging is completed, most of the output voltage of the photovoltaic element is applied between the gate and the source of the n-channel MOSFETs 300a and 300b so that the n-channel MOSFETs 300a and 300b are held at a low on-resistance.
[0018]
On the other hand, even at the time of turn-off, the charge accumulated between the gate and the source of the n-channel MOSFETs 300a and 300b is discharged in a relatively short time to operate at high speed.
[0019]
However, at present, the power transfer efficiency due to optical coupling between the light emitting element 100 and the photovoltaic element 200 is very low, less than 1%, so that the time required to turn on / off the semiconductor switch element is further reduced. There was a problem that it was difficult.
[0020]
In order to solve the above problem, the electromotive force generated in the second coil at the moment when the input signal current flows in the first coil using the first and second coils coupled electromagnetically, There is one that shortens the switching time (see, for example, Patent Document 1).
[0021]
[Patent Document 1]
JP-A-2-90720
[0022]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved by the present invention is a problem that it is difficult to shorten the switching time of the semiconductor switch element any more as in the above-mentioned Patent Document 1. The object of the present invention is the above-mentioned Patent Document 1. Another object of the present invention is to provide a semiconductor switch element driving circuit capable of reducing the switching time and a semiconductor relay using the same.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a drive circuit for a semiconductor switch element according to claim 1 includes a first primary circuit having a light emitting element that generates an optical signal by drive power from a drive power supply, and first light. A first secondary circuit having an electromotive force element and optically coupled with the first primary circuit, and driving power from the drive power source is optically transmitted through the first primary circuit. A first power supply circuit that transmits to the first secondary circuit as a medium and supplies the semiconductor switch element connected to the first secondary circuit to turn the semiconductor switch element on and off A second primary circuit to which AC power is applied, and an insulated power transmission means for transmitting the AC power applied to the second primary circuit to the second secondary circuit. A rectifier circuit for rectifying the AC power transmitted to the second secondary circuit. Was assumed that a second power supply circuit for supplying to said semiconductor switch device with AC electric power rectified by the rectifier circuit and the first power supply circuit.
[0024]
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor switch element drive circuit according to the first aspect of the present invention, the power transmission means is a transformer that electromagnetically couples the second primary circuit and the second secondary circuit. It consisted of
[0025]
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor switch element drive circuit according to the first aspect, the power transmission means electrostatically couples the second primary circuit and the second secondary circuit. It consisted of a capacitor.
[0026]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the semiconductor switch element drive circuit according to any one of the first to third aspects, wherein the AC power applied to the second primary circuit is the drive power from the drive power supply. Means for controlling to be applied at the timing of occurrence, the timing of disappearance, or the timing of occurrence and disappearance was provided.
[0027]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the semiconductor switch element drive circuit according to any one of the first to third aspects, further comprising means for constantly applying AC power to the second primary circuit.
[0028]
According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor switch element drive circuit according to any one of the first to fifth aspects of the present invention, the rectifier circuit is configured such that the second rectifier circuit generates the second photovoltaic power when the first photovoltaic element is generated. The AC power transmitted to the secondary side circuit is rectified so as to have the same polarity as the photovoltaic power of the first photovoltaic element.
[0029]
According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor switch element drive circuit according to any one of the first to fifth aspects of the present invention, the rectifier circuit includes the second rectifier circuit when the photovoltaic power of the first photovoltaic element disappears. The AC power transmitted to the secondary side circuit is rectified so as to have a polarity opposite to the photovoltaic power of the first photovoltaic element.
[0030]
The semiconductor switch element drive circuit according to claim 8 is the semiconductor switch element drive circuit according to any one of claims 1 to 5, wherein the rectifier circuit is configured such that the second rectifier circuit is configured to generate the second electromotive force when the first photovoltaic element is generated. The AC power transmitted to the secondary side of the first rectifier is rectified so as to have the same polarity as the photovoltaic power of the first photovoltaic element, and when the photovoltaic power of the first photovoltaic element disappears The AC power transmitted to the second secondary circuit is rectified so as to have a polarity opposite to the photovoltaic power of the first photovoltaic element.
[0031]
According to a ninth aspect of the present invention, in the semiconductor switch element drive circuit according to the eighth aspect of the present invention, the rectifier circuit includes two MOSFETs connected to the power transmission means so as to be in reverse series with each other; An optical coupling driving circuit for controlling the gate voltage of the MOSFET by the photovoltaic power of the electromotive force element to turn the MOSFET on / off, and the body diode of the MOSFET turned off by the optical coupling driving circuit, The power was rectified.
[0032]
According to a tenth aspect of the present invention, in the semiconductor switch element drive circuit according to any one of the first to ninth aspects, the current generated in the first photovoltaic element is generated in the first secondary circuit. A rectifying element connected in series with the first photovoltaic element in a direction to flow into the semiconductor switch element was provided.
[0033]
The semiconductor relay according to claim 11 is connected to a semiconductor switch element configured by commonly connecting the control terminals of the two FETs and one of the pair of main terminals to each other. 11. The semiconductor switch element drive circuit according to claim 1, wherein a control input is provided between the terminal and one of the main terminals.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following embodiments, an n-channel MOSFET is exemplified as a semiconductor switching element driven by the driving circuit according to the present invention. However, the present invention is not limited to this, and semiconductor switching elements including a p-channel MOSFET, IGBT (insulated gate bipolar transistor), etc. The technology of the present invention can be applied to these drive circuits. In each embodiment, the electromagnetic coupling unit or the electrostatic coupling unit is exemplified as the insulated power transmission unit. However, the present invention is not limited to these, and the power transmission is performed at a high speed such as a thermal coupling unit or a piezoelectric coupling unit. As long as it can be used, it can be applied to the insulated power transmission means in the present invention.
[0035]
Hereinafter, the present invention will be described with reference to Embodiments 1 to 7.
[0036]
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a drive circuit for the semiconductor switch element of this embodiment. The drive circuit for this semiconductor switch element is connected to a semiconductor switch element made up of one n-channel MOSFET 30 and constitutes a semiconductor relay. In the present embodiment, the gate of the n-channel MOSFET 30 constitutes a control terminal, the source constitutes one main terminal x1, and the drain constitutes the other main terminal x2, which is given between the gate and the source. The gate voltage (gate-source voltage) is the control input.
[0037]
The semiconductor switch element driving circuit includes a first primary circuit A1 having a light emitting element 10 made of a light emitting diode that generates an optical signal by driving power from a driving power supply 11, and a first light emitting element made of a photodiode. A first power supply circuit including a power element 20 and a first secondary circuit B1 optically coupled to the first primary circuit A1 is provided, and in parallel with the first power supply circuit. In relation, the second primary circuit A2 having the AC power generation circuit 40a, the second secondary circuit B2 having the rectifier circuit 50a, the second primary circuit A2 and the second 2 A second power supply circuit including a transformer T, which is an insulating power transmission means for electromagnetically coupling the secondary circuit B2, is provided.
[0038]
In the first primary side circuit A1, the drive power supply 11, the resistor 12, and the light emitting element 10 are connected in series. The drive power supply 11 is composed of a unipolar pulse power supply that outputs a pulse voltage suitable for driving the gate of the n-channel MOSFET 30. The output voltage is a positive voltage suitable for turning on the n-channel MOSFET 30 and 0V. Two values can be taken.
[0039]
In the first secondary circuit B1, the anode of the first photovoltaic element 20 is connected to the gate of the n-channel MOSFET 30 that is a semiconductor switch element, and the cathode is connected to the source of the n-channel MOSFET 30.
[0040]
In the second primary circuit A2, the output of the AC power generation circuit 40a is connected to the primary winding T1 of the transformer T. The AC power generation circuit 40a includes means (not shown) for controlling the AC power to be applied to the primary winding T1 of the transformer T at the timing when the driving power from the driving power supply 11 is generated and when it is extinguished. The input of the AC power generation circuit 40a is connected to both ends of the light emitting element 10, and AC power is generated at the rise and fall timings of the pulse voltage output from the drive power supply 11, and the signal is the primary of the transformer T. It is applied to the winding T1.
[0041]
In the second secondary circuit B2, the secondary winding T2 of the transformer T is connected to the rectifier circuit 50a, and the output of the rectifier circuit 50a is connected to the gate and source of the n-channel MOSFET 30.
[0042]
The polarity of the transformer T is set so that the polarity of the photovoltaic force generated in the photovoltaic element 20 when power is supplied from the driving power supply 11 and the induced electromotive force induced in the secondary winding T2 of the transformer T are matched. It is.
[0043]
The rectifier circuit 50a includes two switches SW1 and SW2 and two diodes D1 and D2, and one end of the first switch SW1 and the anode of the first diode D1 are one of the secondary windings T2 of the transformer T. The other end of the first switch SW1 and the cathode of the first diode D1 are connected to the gate of the n-channel MOSFET 30, and one end of the second switch SW2 and the anode of the second diode D2 are connected to the terminal. Is connected to the other terminal of the secondary winding T2 of the transformer T, and the other end of the second switch SW2 and the cathode of the second diode D2 are connected to the source of the n-channel MOSFET 30. The first diode D1 and the second diode D2 have opposite rectification directions.
[0044]
The two switches SW1 and SW2 are both off when the pulse voltage of the drive power supply 11 is constantly positive and 0 V. When the pulse voltage of the drive power supply 11 rises, the first switch SW1 is off, 2 switch SW2 is turned on, and the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T is rectified so as to have the same polarity as the photovoltaic force generated in the photovoltaic element 20, and the pulse voltage of the drive power supply 11 is At the time of falling, the switch SW1 is turned on and the switch SW2 is turned off so that the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T is rectified in a direction opposite to the photoelectromotive force of the photovoltaic element 20. Being controlled.
[0045]
Next, the operation of the drive circuit for the semiconductor switch element configured as described above will be described.
[0046]
First, the operation when the n-channel MOSFET 30 is turned on from the off state to the on state will be described.
[0047]
When a pulse voltage is output from the drive power supply 11 and the output voltage rises from 0 V to a positive voltage, a current flows to the light emitting element 10 through the resistor 12, the light emitting element 10 emits light, and is optically coupled to the light emitting element 10. A photovoltaic force is generated in the photovoltaic element 20.
[0048]
On the other hand, when the output voltage of the drive power supply 11 rises, AC power is generated from the AC power generation circuit 40a, and an AC current flows through the primary winding T1 of the transformer T, so that an induced electromotive force is generated in the secondary winding T2. Arise.
[0049]
Then, in the rectifier circuit 50a, the first switch SW1 is turned off and the second switch SW2 is turned on, and the polarity of the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 matches the polarity of the photovoltaic force generated in the photovoltaic element 20. The capacitance between the positive electrode and the negative electrode of the photovoltaic device 20 (hereinafter referred to as inter-terminal capacitance) and the gate-source of the n-channel MOSFET 30 are combined with the photovoltaic power of the photovoltaic device 20. Inter-capacity (hereinafter referred to as input capacity) is charged.
[0050]
When this charging voltage exceeds the threshold voltage, the n-channel MOSFET 30 is turned on.
[0051]
That is, not only the photovoltaic power generated in the photovoltaic device 20 but also the inter-terminal capacitance of the photovoltaic device 20 and the input capacitance of the n-channel MOSFET 30 are charged together with the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T. Therefore, the time required to turn on the n-channel MOSFET 30 can be shortened.
[0052]
Next, an operation when the n-channel MOSFET 30 is turned off from the on state to the off state will be described.
[0053]
When the output voltage of the drive power supply 11 becomes 0 V and the light emitting element 10 is turned off, the output current of the photovoltaic element 20 decreases.
[0054]
On the other hand, when the output voltage of the drive power supply 11 falls, AC power is generated from the AC power generation circuit 40a, and AC power flows through the primary winding T1 of the transformer T, so that an induced electromotive force is generated in the secondary winding T2. Occurs.
[0055]
In the rectifier circuit 50a, the first switch SW1 is turned on, the second switch SW2 is turned off, and the polarity of the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 is opposite to the polarity of the photovoltaic force of the photovoltaic element 20. It is rectified to become
[0056]
Due to the induced electromotive force, the charges accumulated in the inter-terminal capacitance of the photovoltaic element 20 and the input capacitance of the n-channel MOSFET 30 are rapidly discharged.
[0057]
That is, at the time of turn-off, the time required to turn off the n-channel MOSFET 30 is shortened by reverse-biasing the gate-source of the n-channel MOSFET 30 with the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T. Is possible.
[0058]
In such a semiconductor switch element drive circuit, it is possible to shorten the switching time when the n-channel MOSFET 30 as the semiconductor switch element is turned on and the switching time when the n-channel MOSFET 30 is turned off.
[0059]
In addition, a rectifying element is connected in series with the first photovoltaic element 20 in such a direction that the current generated by the first photovoltaic element 20 flows into the n-channel MOSFET 30 into the first secondary circuit B1. Also good. By providing this rectifying element, the AC power rectified by the rectifying circuit 50a efficiently charges the input capacitance of the n-channel MOSFET 30, and the switching time of the n-channel MOSFET 30 can be further shortened.
[0060]
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows a drive circuit for the semiconductor switch element of this embodiment.
[0061]
The drive circuit of the semiconductor switch element according to the present embodiment is characterized in that it is provided with an AC power generation circuit 40b and a rectification circuit 50b instead of the AC power generation circuit 40a and the rectification circuit 50a according to the first embodiment. Since the configuration is the same as that of the first embodiment, the common portions are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
[0062]
The AC power generation circuit 40b of the present embodiment includes means (not shown) for controlling the AC power to be applied to the primary winding T1 of the transformer T at the timing when the driving power from the driving power supply 11 is generated. The input of the AC power generation circuit 40b is connected to both ends of the light emitting element 10, and AC power is generated at the rising timing of the pulse voltage output from the drive power supply 11, and the signal is the primary winding T1 of the transformer T. To be applied.
[0063]
The rectifier circuit 50b includes a diode D3 so that the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T when the pulse voltage from the drive power supply 11 rises has the same polarity as the photovoltaic force generated in the photovoltaic element 20. Further, the anode of the diode D3 is connected to one terminal of the secondary winding T2 of the transformer T, the cathode is connected to the gate of the n-channel MOSFET 30, and the other terminal of the secondary winding T2 of the transformer T is connected to the n-channel MOSFET 30. Connected to the source.
[0064]
Next, an operation when the n-channel MOSFET 30 is turned on from the off state to the on state using the semiconductor switch element drive circuit configured as described above will be described.
[0065]
When a pulse voltage is output from the drive power supply 11 and the output voltage rises from 0 V to a positive voltage, a current flows to the light emitting element 10 through the resistor 12, the light emitting element 10 emits light, and is optically coupled to the light emitting element 10. A photovoltaic force is generated in the photovoltaic element 20.
[0066]
On the other hand, when the output voltage of the drive power supply 11 rises, AC power is generated from the AC power generation circuit 40b, and an AC current flows through the primary winding T1 of the transformer T, so that an induced electromotive force is generated in the secondary winding T2. Arise.
[0067]
The rectification circuit 50b rectifies the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 to be a positive voltage, and together with the photovoltaic power of the photovoltaic element 20, the inter-terminal capacitance of the photovoltaic element 20 The input capacitance of the n-channel MOSFET 30 is charged.
[0068]
When this charging voltage exceeds the threshold voltage, the n-channel MOSFET 30 is turned on.
[0069]
That is, not only the photovoltaic power generated in the photovoltaic element 20 but also the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T when the n-channel MOSFET 30 that is a semiconductor switching element is turned on. Since the inter-terminal capacitance and the input capacitance of the n-channel MOSFET 30 are charged, the switching time when the n-channel MOSFET 30 is turned on can be shortened.
[0070]
(Embodiment 3)
FIG. 3 shows a drive circuit for the semiconductor switch element of this embodiment.
[0071]
The drive circuit for the semiconductor switch element of the present embodiment is characterized in that it is provided with an AC power generation circuit 40c and a rectification circuit 50c instead of the AC power generation circuit 40b and the rectification circuit 50b of the second embodiment. Since the configuration is the same as that of the second embodiment, common portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0072]
The AC power generation circuit 40c of the present embodiment includes means (not shown) for controlling the AC power to be applied to the primary winding T1 of the transformer T at the timing when the driving power from the driving power supply 11 disappears. The input of the AC power generation circuit 40c is connected to both ends of the light emitting element 10, and AC power is generated at the falling timing of the pulse voltage output from the drive power supply 11, and the signal is the primary winding of the transformer T. It is applied to T1.
[0073]
The rectifier circuit 50c includes a diode D4 so that the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T when the pulse voltage from the drive power supply 11 falls is opposite in polarity to the photovoltaic power of the photovoltaic element 20. The anode of the diode D4 is connected to one terminal of the secondary winding T2 of the transformer T, the cathode is connected to the source of the n-channel MOSFET 30, and the other terminal of the secondary winding T2 of the transformer T is connected to the n-channel MOSFET 30. Connected to the gate.
[0074]
Next, the operation when the n-channel MOSFET 30 is turned off from the on-state to the off-state using the semiconductor switch element drive circuit configured as described above will be described.
[0075]
When the output voltage of the drive power supply 11 becomes 0 V and the light emitting element 10 is turned off, the output current of the photovoltaic element 20 decreases.
[0076]
On the other hand, when the output voltage of the drive power supply 11 falls, AC power is generated from the AC power generation circuit 40c, and AC power flows through the primary winding T1 of the transformer T, so that an induced electromotive force is generated in the secondary winding T2. Occurs.
[0077]
The electric charge accumulated in the inter-terminal capacitance of the photovoltaic element 20 and the input capacitance of the n-channel MOSFET 30 is rectified by the rectifier circuit 50b so that the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 becomes a negative voltage. It is rapidly discharged.
[0078]
That is, when the n-channel MOSFET 30 which is a semiconductor switch element is turned off, the gate-source of the n-channel MOSFET 30 is reverse-biased by the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T. The switching time can be shortened.
[0079]
(Embodiment 4)
FIG. 4 shows a drive circuit for the semiconductor switch element of the present embodiment.
[0080]
The semiconductor switch element drive circuit of the present embodiment is characterized in that it includes an AC power generation circuit 40d instead of the AC power generation circuit 40a of the first embodiment, and other configurations are the same as those of the first embodiment. In addition, common parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0081]
The AC power generation circuit 40d of the present embodiment is independent of the first power supply circuit, and always applies AC power to the primary winding T1 of the transformer T.
[0082]
The operation of the semiconductor switch element drive circuit of this embodiment will be described below.
[0083]
First, the operation when the n-channel MOSFET 30 is turned on from the off state to the on state will be described.
[0084]
When a pulse voltage is output from the drive power supply 11 and the output voltage rises from 0 V to a positive voltage, a current flows to the light emitting element 10 through the resistor 12, the light emitting element 10 emits light, and is optically coupled to the light emitting element 10. A photovoltaic force is generated in the photovoltaic element 20.
[0085]
On the other hand, when the output voltage of the drive power supply 11 rises, the first switch SW1 is turned off and the second switch SW2 is turned on in the rectifier circuit 50a, and the polarity of the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T is light. The terminals of the photovoltaic element 20 are rectified so as to coincide with the polarity of the photovoltaic element 20 generated in the photovoltaic element 20 and the photovoltaic element 20 and the induced electromotive force generated in the secondary winding T2. The inter-capacitance and the input capacity of the n-channel MOSFET 30 are charged.
[0086]
When this charging voltage exceeds the threshold voltage, the n-channel MOSFET 30 is turned on.
[0087]
That is, not only the photovoltaic power generated in the photovoltaic device 20 but also the inter-terminal capacitance of the photovoltaic device 20 and the input capacitance of the n-channel MOSFET 30 are charged together with the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T. Therefore, the time required to turn on the n-channel MOSFET 30 can be shortened.
[0088]
Next, an operation when the n-channel MOSFET 30 is turned off from the on state to the off state will be described.
[0089]
When the output voltage of the drive power supply 11 becomes 0 V and the light emitting element 10 is turned off, the output current of the photovoltaic element 20 decreases.
[0090]
On the other hand, when the output voltage of the drive power supply 11 falls, the first switch SW1 is turned on and the second switch SW2 is turned off in the rectifier circuit 50a, and the polarity of the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T is Rectification is performed so as to have a polarity opposite to the polarity of the photovoltaic force generated in the photovoltaic element 20.
[0091]
Due to the induced electromotive force, the charges accumulated in the inter-terminal capacitance of the photovoltaic element 20 and the input capacitance of the n-channel MOSFET 30 are rapidly discharged.
[0092]
That is, at the time of turn-off, the time required to turn off the n-channel MOSFET 30 is shortened by reverse-biasing the gate-source of the n-channel MOSFET 30 with the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T. Is possible.
[0093]
In such a semiconductor switch element drive circuit, it is possible to shorten the switching time when the n-channel MOSFET 30 as the semiconductor switch element is turned on and the switching time when the n-channel MOSFET 30 is turned off.
[0094]
In the present embodiment, the rectifier circuit 50a may be the rectifier circuit 50b of the second embodiment as shown in FIG. 5 or the rectifier circuit 50c of the third embodiment as shown in FIG. Alternatively, the switching time at turn-off can be shortened.
[0095]
(Embodiment 5)
FIG. 7 shows a drive circuit for the semiconductor switch element of this embodiment.
[0096]
The drive circuit for the semiconductor switch element according to the present embodiment includes a second primary side circuit A2 and a second secondary side circuit B2 in place of the transformer T, which is an insulating power transmission unit according to the first embodiment. Since the capacitors C1 and C2 that are electrically coupled are provided, and other configurations are the same as those in the first embodiment, common portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0097]
Capacitors C1 and C2 are connected between a connection point between one end of switches SW1 and SW2 of rectifier circuit 50a and the anodes of diodes D1 and D2 and the output of AC power generation circuit 40a.
[0098]
Hereinafter, the operation of the drive circuit of this embodiment will be described.
[0099]
First, the operation when the n-channel MOSFET 30 is turned on from the off state to the on state will be described.
[0100]
When a pulse voltage is output from the drive power supply 11 and the output voltage rises from 0 V to a positive voltage, a current flows to the light emitting element 10 through the resistor 12, the light emitting element 10 emits light, and is optically coupled to the light emitting element 10. A photovoltaic force is generated in the photovoltaic element 20.
[0101]
On the other hand, when the output voltage of the drive power supply 11 rises, AC power is generated from the AC power generation circuit 40a, and AC current flows to the rectification circuit 50a via the capacitors C1 and C2.
[0102]
Then, in the rectifier circuit 50a, the first switch SW1 is turned off and the second switch SW2 is turned on, and rectification is performed so as to have the same polarity as the photovoltaic power of the photovoltaic element 20. Together with the power, the inter-terminal capacitance of the photovoltaic element 20 and the input capacitance of the n-channel MOSFET 30 are charged.
[0103]
When this charging voltage exceeds the threshold voltage, the n-channel MOSFET 30 is turned on.
[0104]
That is, not only the photovoltaic power generated in the photovoltaic element, but also the inter-terminal capacitance of the photovoltaic element 20 and the current supplied from the AC power generating circuit 40a to the rectifying circuit 50a via the capacitors C1 and C2. Since the input capacitance of the n-channel MOSFET 30 is charged, the time required to turn on the n-channel MOSFET 30 can be shortened.
[0105]
Next, an operation when the n-channel MOSFET 30 is turned off from the on state to the off state will be described.
[0106]
When the output voltage of the drive power supply 11 becomes 0 V and the light emitting element 10 is turned off, the output current of the photovoltaic element 20 decreases.
[0107]
On the other hand, when the output voltage of the drive power supply 11 falls, AC power is generated from the AC power generation circuit 40a, and the AC power flows to the rectifier circuit 50a via the capacitors C1 and C2.
[0108]
Then, in the rectifier circuit 50a, the switch SW1 is turned on and the switch SW2 is turned off, and the AC power is rectified so as to have a polarity opposite to the polarity of the photovoltaic power of the photovoltaic element 20, and the rectified AC power The charges accumulated in the inter-terminal capacitance of the electromotive force element 20 and the input capacitance of the n-channel MOSFET 30 are rapidly discharged.
[0109]
That is, at the time of turn-off, the time required to turn off the n-channel MOSFET 30 can be shortened by reverse biasing the gate-source of the n-channel MOSFET 30.
[0110]
In such a semiconductor switch element drive circuit, it is possible to shorten the switching time when the n-channel MOSFET 30 as the semiconductor switch element is turned on and the switching time when the n-channel MOSFET 30 is turned off.
[0111]
(Embodiment 6)
FIG. 8 shows a drive circuit for the semiconductor switch element of this embodiment.
[0112]
The drive circuit for the semiconductor switch element according to the present embodiment is characterized in that a rectifier circuit 50d is provided instead of the rectifier circuit 50a according to the first embodiment, and the other configurations are the same as those in the first embodiment. Parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0113]
The rectifier circuit 50d according to the present embodiment includes two MOSFETs 51 and 52 and an optically coupled drive circuit that controls on / off of the MOSFETs 51 and 52.
[0114]
The two MOSFETs 51 and 52 have their sources connected to one terminal and the other terminal of the secondary winding of the transformer T so that they are in anti-series with each other, and the drain of one MOSFET 51 is the gate of the n-channel MOSFET 30. The other MOSFET 52 has its drain connected to the source of the n-channel MOSFET 30.
[0115]
The optical coupling drive circuit includes second photovoltaic elements 53 and 54, second light emitting elements 56 and 57, and an inverter circuit 55.
[0116]
The positive electrodes of the second photovoltaic elements 53 and 54 are connected to the gates of the MOSFETs 51 and 52, respectively, and the negative electrodes are connected to the sources of the MOSFETs 51 and 52, respectively.
[0117]
In the second light emitting elements 56 and 57, one second light emitting element 56 is connected in series with the driving power supply 11 via the inverter circuit 55, and the other second light emitting element 57 is directly connected in series with the driving power supply 11. It is connected.
[0118]
In the rectifier circuit 50d configured as described above, when the pulse voltage of the driving power supply 11 is a positive voltage, one MOSFET 51 is turned off and the other MOSFET 52 is turned on. The induced electromotive force generated in the winding T2 is rectified so as to have the same polarity as the photovoltaic force generated in the first photovoltaic element 20. When the pulse voltage of the drive power supply 11 is 0V, one MOSFET 51 is turned on, the other MOSFET 52 is turned off, and the induced electromotive force generated in the secondary winding T2 of the transformer T is opposite to the photovoltaic force of the photovoltaic element. Rectification is performed by the body diode of the other MOSFET 52 so as to be polar.
[0119]
The second photovoltaic elements 53 and 54 in the rectifier circuit 50d only need to generate photovoltaic power sufficient to turn on the MOSFETs 51 and 52 having a small channel width size, and the size of the photovoltaic elements can be reduced. Therefore, since the photovoltaic elements 53 and 54 generate the photovoltaic power at a high speed and the input capacitance of the MOSFETs 51 and 52 in the rectifier circuit 50d is small, the switching speed of the MOSFETs 51 and 52 is fast. Therefore, the switching operation of the semiconductor switch element can be shortened by the same operation as in the first embodiment, and the second photovoltaic elements 53 and 54 and the second light emitting elements 56 and 57 are optically coupled. The primary side circuits A1 and A2 and the secondary side circuits B1 and B2 can be electrically completely insulated.
[0120]
(Embodiment 7)
As shown in FIG. 9, the present embodiment is a semiconductor relay including a semiconductor switch element 31 composed of two n-channel MOSFETs 31a and 31b whose gates and sources are commonly connected, and the drive circuit of the first embodiment. Is configured.
[0121]
Even in the semiconductor relay configured as described above, the switching time can be shortened by the same operation as that of the first embodiment.
[0122]
In addition, the drive circuit which comprises a semiconductor relay is not limited to the drive circuit of Embodiment 1, The drive circuit shown in Embodiment 2 thru | or 6 may be sufficient.
[0123]
【The invention's effect】
The invention according to claim 1 is a first primary side circuit having a light emitting element for generating an optical signal by driving power from a driving power source, and the first primary side circuit having a first photovoltaic element. And a first secondary circuit that is optically coupled to the first secondary circuit, and the drive power from the drive power supply is transmitted to the first secondary circuit through the first primary circuit using light as a medium. And a first power supply circuit that supplies power to the semiconductor switch element connected to the first secondary circuit to turn the semiconductor switch element on and off, and a second primary to which AC power is applied. Side circuit, insulated power transmission means for transmitting AC power applied to the second primary circuit to the second secondary circuit, and AC transmitted to the second secondary circuit A rectifier circuit for rectifying power, and AC power rectified by the rectifier circuit is used as the first power supply. Since the second power supply circuit for supplying the semiconductor switch element together with the circuit is provided, the switching time of the semiconductor switch element can be shortened by supplementing the power transmission by the first power supply circuit with the second power supply circuit. There is an effect that it is possible to realize a drive circuit capable of.
[0124]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the power transmission means includes a transformer that electromagnetically couples the second primary side circuit and the second secondary side circuit. The insulation type power transmission means according to claim 1 used can be realized.
[0125]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the power transmission means includes a capacitor that electrostatically couples the second primary circuit and the second secondary circuit. The insulation type power transmission means according to claim 1 using the above can be realized.
[0126]
According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the AC power applied to the second primary circuit is the timing at which the driving power from the driving power source is generated or disappears. Since it is provided with means for controlling to be applied at the timing of generation or at the timing of generation and disappearance, the AC power required at the on / off timing of the semiconductor switch element can be efficiently supplied There is.
[0127]
According to a fifth aspect of the invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, since the second primary circuit is provided with means for constantly applying AC power, the second primary is always provided. There is an effect that AC power can be supplied to the side circuit.
[0128]
According to a sixth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fifth aspects, the rectifier circuit is connected to the second secondary circuit when the photovoltaic power of the first photovoltaic element is generated. Since the transmitted AC power is rectified so as to have the same polarity as the photovoltaic power of the first photovoltaic element, the first alternating current is rapidly generated when the photovoltaic power of the first photovoltaic element is generated. The secondary side circuit voltage can be increased, and the switching time when the semiconductor switch element is turned on can be shortened.
[0129]
According to a seventh aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fifth aspects, the rectifier circuit is connected to the second secondary side circuit when the photovoltaic power of the first photovoltaic element disappears. Since the transmitted AC power is rectified so as to have a polarity opposite to that of the photovoltaic power of the first photovoltaic element, the first AC power is rapidly extinguished when the photovoltaic power of the first photovoltaic element disappears. The secondary side circuit voltage can be lowered, and the switching time when the semiconductor switch element is turned off can be shortened.
[0130]
According to an eighth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fifth aspects, the rectifier circuit is connected to the second secondary circuit when the photovoltaic power of the first photovoltaic element is generated. The transmitted AC power is rectified so as to have the same polarity as the photovoltaic power of the first photovoltaic element, and when the photovoltaic power of the first photovoltaic element disappears, the second 2 Since the AC power transmitted to the secondary circuit is rectified so as to have the opposite polarity to the photovoltaic power of the first photovoltaic device, the photovoltaic power of the first photovoltaic device is generated and disappears. In both cases, the voltage of the first secondary circuit can be rapidly increased or decreased, and the switching time when the semiconductor switch element is turned on and turned off can be shortened.
[0131]
According to a ninth aspect of the present invention, in the eighth aspect of the present invention, the rectifier circuit includes two MOSFETs connected to the power transmission means so as to be in reverse series with each other, and the photovoltaic of the second photovoltaic element. And an optical coupling driving circuit that controls the gate voltage of the MOSFET by electric power to turn the MOSFET on / off, and rectifies the AC power by the body diode of the MOSFET turned off by the optical coupling driving circuit. Since it is characterized, there is an effect that the rectifier circuit according to claim 8 can be realized in which the two MOSFETs for transmitting electric power and the optical coupling drive circuit which is a drive circuit thereof are electrically insulated.
[0132]
According to a tenth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to ninth aspects, a current generated in the first photovoltaic element flows into the semiconductor switch element in the first secondary circuit. Since the rectifier element connected in series with the first photovoltaic element is provided, the power from the second power supply circuit efficiently flows to the semiconductor switch element, and the switching time of the semiconductor switch element is reduced. There is an effect that it can be further reduced.
[0133]
According to the eleventh aspect of the present invention, there are provided a semiconductor switch element configured by commonly connecting the control terminals of two FETs and one of the pair of main terminals, and a control terminal connected in common. Since the drive circuit for a semiconductor switch element according to any one of claims 1 to 10 which gives a control input to one main terminal is provided, there is an effect that a semiconductor relay with a shortened switching time can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a drive circuit for a semiconductor switch element according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a drive circuit for a semiconductor switch element according to a second embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating a drive circuit for a semiconductor switch element according to a third embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a drive circuit for a semiconductor switch element according to a fourth embodiment.
5 is a diagram showing a drive circuit for a semiconductor switch element according to another embodiment of Embodiment 4. FIG.
6 is a diagram showing a drive circuit for a semiconductor switch element according to another embodiment of Embodiment 4. FIG.
FIG. 7 is a diagram illustrating a drive circuit for a semiconductor switch element according to a fifth embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating a drive circuit for a semiconductor switch element according to a sixth embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a semiconductor relay according to a seventh embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing a driving circuit for a conventional semiconductor switch element.
[Explanation of symbols]
10 Light emitting element
11 Drive power supply
12 Resistance
20 Photovoltaic element
30 n-channel MOSFET
40a to 40d AC power generation circuit
50a-50d rectifier circuit
A1 first primary side circuit
A2 Second primary side circuit
B1 First secondary side circuit
B2 Second secondary circuit
T transformer

Claims

A first primary circuit having a light emitting element that generates an optical signal by driving power from a driving power supply, and a first optical circuit that has a first photovoltaic element and is optically coupled to the first primary circuit. Secondary power circuit, and transmits drive power from the drive power supply to the first secondary circuit through the first primary circuit to the first secondary circuit using light as a medium. A first power supply circuit that supplies power to the semiconductor switch element connected to the secondary circuit to turn the semiconductor switch element on and off, and a second primary circuit to which AC power is applied; Insulating power transmission means for transmitting AC power applied to the primary side circuit to the second secondary side circuit; and a rectifier circuit for rectifying the AC power transmitted to the second secondary side circuit; AC power rectified by the rectifier circuit together with the first power supply circuit Driving circuit of the semiconductor switch element comprising the second power supply circuit for supplying to the body switch element.

2. The drive circuit for a semiconductor switch element according to claim 1, wherein the power transmission means comprises a transformer that electromagnetically couples the second primary side circuit and the second secondary side circuit.

2. The drive circuit for a semiconductor switch element according to claim 1, wherein the power transmission means includes a capacitor that electrostatically couples the second primary circuit and the second secondary circuit.

Means for controlling the AC power applied to the second primary side circuit to be applied at a timing when the driving power from the driving power source is generated, disappears, or occurs and disappears The drive circuit for a semiconductor switch element according to any one of claims 1 to 3, further comprising:

4. The semiconductor switch element drive circuit according to claim 1, further comprising means for constantly applying AC power to the second primary circuit.

In the rectifier circuit, when the photovoltaic power of the first photovoltaic element is generated, the AC power transmitted to the second secondary circuit is the same as the photovoltaic power of the first photovoltaic element. 6. The semiconductor switch element drive circuit according to claim 1, wherein the circuit is rectified so as to be polar.

In the rectifier circuit, when the photovoltaic power of the first photovoltaic element disappears, the AC power transmitted to the second secondary circuit is opposite to the photovoltaic power of the first photovoltaic element. 6. The semiconductor switch element drive circuit according to claim 1, wherein the circuit is rectified so as to be polar.

In the rectifier circuit, when the photovoltaic power of the first photovoltaic element is generated, the AC power transmitted to the second secondary circuit is the same as the photovoltaic power of the first photovoltaic element. The AC power rectified to be polar and the AC power transmitted to the second secondary circuit at the time of extinction of the photovoltaic power of the first photovoltaic element is the light of the first photovoltaic element. 6. The semiconductor switch element drive circuit according to claim 1, wherein the circuit is rectified so as to have a polarity opposite to that of the electromotive force.

The rectifier circuit controls two MOSFETs connected to the power transmission means so as to be in reverse series with each other, and controls the gate voltage of the MOSFET by the photoelectromotive force of the second photovoltaic element to turn on the MOSFET. 9. The semiconductor switch element drive circuit according to claim 8, comprising: an optical coupling drive circuit that turns off / off, and rectifies the AC power by a body diode of the MOSFET turned off by the optical coupling drive circuit.

The first secondary circuit includes a rectifying element connected in series with the first photovoltaic element in a direction in which a current generated in the first photovoltaic element flows into the semiconductor switch element. 10. The drive circuit for a semiconductor switch element according to claim 1, wherein the drive circuit is a semiconductor switch element drive circuit.

Between the control terminals of the two FETs and one of the pair of main terminals, one of the main terminals is connected in common, and between the commonly connected control terminal and one of the main terminals A semiconductor relay comprising the semiconductor switch element driving circuit according to claim 1, wherein a control input is provided to the semiconductor relay element.