JPS6348208B2

JPS6348208B2 -

Info

Publication number: JPS6348208B2
Application number: JP54047801A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Akamatsu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1979-04-17
Filing date: 1979-04-17
Publication date: 1988-09-28
Also published as: JPS55138927A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は光結合半導体スイツチ装置の改良に
関する。パワトランジスタを制御する場合、ベー
ス制御電力が大きくなるため、各種の増幅手段を
必要とする。そして、この増幅手段に対して、補
助電源を必要とするなど、時間的に連続して導通
させるには複雑となる。

これに対し、光感応素子を用い補助電源なしで
直接増幅できれば問題はない。このような考え方
に基づいて、第１図に示すものが提案されてい
る。同図において、１は主トランジスタ、２は増
幅素子用トランジスタ（以下、中間増幅素子と呼
称する）、３はホトトランジスタ、ホトサイリス
タなどの光感応半導体素子（以下、光感応素子と
呼称する）、４はこの光感応素子３に光を照射す
る発光ダイオードなどの発光素子である。そし
て、S₁，S₂は入力信号が印加される入力端子、Ｃ
は主スイツチ端子、Ｅは接地端子である。ところ
で、第１図に示す装置では、高圧大電流スイツチ
装置になつて来ると、光制御感度を上げるための
高い電流増幅度を得たり、高耐圧を得たりする必
要性から、ライムタイムの長い半導体ウエハを用
いる必要があり、スイツチング速度が著しく遅く
なる。特に、軽負荷時には蓄積時間が数〜数
10μsecにも達する。このため、定常ON状態では
問題がなくても、ターンオンスイツチング過度時
のスイツチング損失エネルギ（過渡電圧と過渡電
流との積の過渡期間の時間積分値）により半導体
素子が破壊し易い。

さらに、この種の装置において、一般に定常の
導電状態では、単に直流増幅度のみがあればよい
ので、発光素子４からの光により連続通電させ得
る。

例えば、スイツチング速度を度外視すれば主ト
ランジスタ１および中間増幅素子２からなるダー
リントン接続によつて直流電流増幅度を数百〜数
万にすることができる。従つて光感応素子３と発
光素子４とからなる光結合部で数100μA〜数
10μAの出力を取り出せば、1A〜数10Aの主トラ
ンジスタを導通させることができる。従つて、こ
の定常特性上の観点では余り問題はない。

しかしターンオンさせる時が問題となる。前記
定常特性を得るには、ライフタイムの長い半導体
ウエハを用い、エミツタとベースとの入り組んだ
パターンを木目細くすれば良く、これらはIC、
高増幅度トランジスタ（１つでHfe≧500）の製
造技術の転用で達成される。しかし、ターンオン
タイムが極端に長くなり、ターンオン途中の損失
で破壊すると云う新たな問題が生じる。

この発明は以上の点に鑑み、このような問題を
解決すると共にかかる欠点を除去すべくなされた
もので、その目的は簡単な構成によつて、ターン
オフ速度を早め、かつ連続オン中の光入力を下げ
て蓄積効果も軽減して更に高速化を図ることがで
き、また、ターンオフスイツチング速度の向上を
図ることができると共にターンオフスイツチング
損失の軽減を行い、スイツチング可能な電力容量
を向上することができる光結合半導体スイツチ装
置を提供することにある。

このような目的を達成するため、この発明は、
光を発する発光手段と、制御極および受光面を有
する光感応スイツチ素子を設け上記発光手段から
の光を受けて導通する光感応半導体スイツチ手段
と、この光感応半導体スイツチ手段が導通するタ
ーンオン初期に上記発光手段からの発光を強化す
る初期発光強化手段と、上記光感応スイツチ素子
の制御極へ上記光感応半導体スイツチ手段を非導
通にさせるときに逆バイアスを加える逆バイアス
手段とを備えてなるようにしたものである。

以下、この発明の一実施例を図に従つて説明す
る。

第２図はこの発明の一実施例を示す回路図であ
る。

この第２図において第１図と同一符号のものは
相当部分を示し、５は主トランジスタ１に逆並列
となるようにそのコレクタ・エミツタ間に接続さ
れたアバランシエダイオード（定電圧ダイオー
ド）、１００はパルス発生器１１０などからなり
光感応スイツチ素子の制御極へ光感応半導体スイ
ツチ手段を非導通にさせるときに逆バイアスを加
える逆バイアス手段、５０はターンオン初期に発
光強化を行い発光素子４へON―OFF電気入力を
与えて制御する発光制御手段、７，８は主トラン
ジスタ１と中間増幅素子２および光感応素子３を
共通に直列逆バイアスするためのダイオードであ
る。ここに、後述の説明からも明らかなように、
発光素子４は発光手段を構成し、又、光感応素子
３は後述のインダクタ２０３と協働して光感応半
導体スイツチ手段を構成する。そして、この光感
応素子３は制御極を有している。

第２図において、主スイツチ端子Ｃ―Ｅ間を導
通させる時発光制御手段５０より発光素子４へ電
流i₄を与え、発光素子４を発光させ、その光を光
感応素子３に照射し、この光感応素子３の電流を
中間増幅素子２で増幅して主トランジスタ１の制
御極（ベース）に与える。この時、光感応素子３
〜主トランジスタ１のターンオン遅れが1μsec〜
数10μsecに達すると、このターンオン過渡時の損
失で主トランジスタ１〜光感応素子３が破壊する
虞れがある。。特に、主スイツチ端子Ｃ―Ｅが接
続される主回路（電源２０１，負荷２０２などを
含む）２００側の過渡インピーダンスが低い場
合、ターンオン初期の主電流で破壊し易い。この
ため、後述第４図、第５図で示す如く、ターンオ
ン初期の発光を強くする。“ターンオン初期発光
強化手段”を設ける。ここで、スナツバとしてコ
ンデンサ類を用いず、同図の如くアバランシエダ
イオード５でサージ電圧を吸収し、且つ端子Ｃ―
Ｅから見た主回路２００側のターンオン初期イン
ピーダンスを高くする手段２０３〔例えばリアク
トルや可飽和リアクトル〕を設けた場合には、上
記ターンオン遅れによる破壊問題は更に改善され
る。

これに対し、この発明ではターンオン時間の短
縮とターンオン時のスイツチング損失の軽減及び
これによる破壊防止のために、ターンオン初期の
発光を強化する手段を備えるが、以下その細部実
施例を第４図及び第５図により説明する。

上記初期発光強化手段６０を持つ発光制御手段
５０細部実施例を第４図に示す。同図ａの実施例
においては、補助電源５１と第１抵抗５２と第２
抵抗５３とを通してコンデンサ５４を所定電圧に
充電しておく。次に発光素子４へ電流i_4Aを流す
時トランジスタ５５を導通させると、ターンオン
初期には継続的電流i₄₂とコンデンサ５４からの
放電々流である初期強化電流i₄₁との和の電流が
発光素子４へ流れる。このため、発光素子４への
入力電流i_4Aは第５図ａの如き初期ピークを有す
る波形となる。即ち、ターンオン初期に波高値の
高い電流が流れ、波尾においては、継続的電流
i₄₂が流れる。

第４図ｂの実施例においては、発光素子４のカ
ソード側にこの発光素子４に直列に接続された第
１抵抗５２を介して通電制御する第１トランジス
タ５５ａと、前記発光素子４のカソードに接続さ
れた第２抵抗５３を直列に介して通電制御する第
２トランジスタ５５ｂとを備える。一方、信号入
力端子Sigに与えられる信号に対して、第１トラ
ンジスタ５５ａは継続的に導通制御される。他方
第２トランジスタ５５ｂは端子Sigに与えられる
上記信号に応答して抵抗５７、コンデンサ５８、
ダイオード５９からなる微分手段によつてターン
オン初期のみ導通させられる。この結果、第１ト
ランジスタ５５ａを通る継続的電流i₄₂と第２ト
ランジスタ５５ｂを通る初期強化電流i₄₂との和
が流れ、第５図ｂに示す波形i_4Bの如き初期ピー
クを有する波形の発光入力電流i_4Bが得られる。

以上の如くして、ターンオン初期の発光を強化
できる。

光感応素子３高耐圧で高増幅度にしようとした
場合に応答速度の低下と、これによる素子のター
ンオンスイツチング過渡破壊を生じるが、前記初
期発光強化により上記スイツチング速度を向上さ
せるだけでなく、スイツチング破壊をも防止でき
る。

さらに、第２図、第３図において、補助スイツ
チ素子１０１を用いた場合、光感応素子３に光を
照射している期間中、補助スイツチ素子１０１を
OFF状態にしておくので、光感応素子３の制御
極の電位〔素子１〜３の内部接合電圧降下〕が逆
バイアス制御端子RBに現われる。この電圧を
V_RB-Eとすると、発光制御入力電流i₄の波形と対
照した制御極間電圧波形は第５図Ｃの如き波形と
なる。ここに、実線又は点線で示したV₁₀₀は逆バ
イアスパルス発生器１１０から与えられる電圧波
形の例である。

更に、第２図実施例において、ターンオフ特性
の改善のために、光感応素子３にも制御極を設
け、これを逆バイアスする手段１００を備える。
特にターンオフ時に、パルス逆バイアスを行うパ
ルス発生器１１０を備える。これにより、光感応
素子〔例えばホトトランジスタ〕３にも、ライフ
タイムの長い半導体を用いることができ、その耐
圧及び増幅度（あるいは光感応出力電流）を高く
できる、一方、そのターンオフ速度の短縮もでき
る。この結果ターンオフ途中の損失を軽減し、タ
ーンオフ損失による光感応素子３の破壊も防止で
きる。

更に、逆バイアス手段１００中に補助スイツチ
素子１０１を設け、パルス逆バイアスを行う時に
はそのパルス発生器１１０の出力電圧V₁₀₀自体で
抵抗１０２を介して補助スイツチ素子１０１を導
通させる。他方、光感応素子３を導通させる時に
は出力電圧V₁₀₀を発生させないので補助スイツチ
素子１０１は非導通となる。従つて、発光素子４
から光を照射されて光感応素子３が導通する時、
光感応電流がその制御極（ベース）から―端子
RB―補助スイツチ素子１０１―巻線１０３―端
子Ｅ―なる分路へ漏れることを上記補助スイツチ
素子１０１で阻止できる。これにより、光感応電
流が光感応素子３のエミツタへ確実に到達するこ
ととなり、高い光感度を保つことができる。第２
図に示す補助スイツチ素子１０１としてはトラン
ジスタの他サイリスタ（光サイリスタ，ゲートタ
ーンオフサイリスタ）なども使用できる。

更に、逆バイアス手段１００は、主トランジス
タ１及び中間増幅素子２の各々の制御極をも逆バ
イアスしている。即ち、ダイオード７，８を光感
応素子３及び中間増幅素子２の各々の制御極に逆
並列接続し、さらに主トランジスタ１の制御極と
合せて直列にして逆バイアス手段１００の出力端
子間に接続してある。これにより、中間増幅素子
２及び主トランジスタ１もターンオフ時間が短縮
され、ターンオフ途中の損失によるこれら素子の
破壊も防止できる。

また、このように、光感応スイツチ素子の制御
極へ光感応半導体スイツチ手段を非導通にさせる
ときに逆バイアスを加える逆バイアス手段１００
を備えているので、ターンオフ速度を早めかつ連
続オン中の光入力を下げて蓄積効果も軽減してい
るので更に高速化される。

以上の如くして、光感度を保ちつつ高圧化を行
えると共に、高耐圧と高増幅度を得ようとするこ
とに伴うターンオン，ターンオフ両過渡損失を軽
減し、それらの過渡損失によるスイツチング時の
素子の破壊を防止できる。特に、光感応素子自体
の光感度を保ちつつ高圧化でき、そのスイツチン
グ破壊を防止できる。更に、中間増幅素子２や主
トランジスタ１も合せて逆バイアスすれば、全体
として光結合制御による高圧大電力スイツチ装置
が得られる。

第３図は、この発明の他の実施例を示し、この
実施例では光感応素子３と中間増幅素子２との半
導体の反転層の構成が互に反対となるようにし
て、光サイリスタ６を形成したものである。

この場合、光感応素子３の増幅度を高くし、中
間増幅素子２の増幅度を抑制して同一ウエハ上に
PNPNサイリスタ素子としてつくることができ
る。又、光感応素子３のベースはサイリスタ素子
のゲート極に相当し、これを逆バイアスすること
により、ターンオフさせることができる。即ち、
光感応ゲートターンオフサイリスタであると云え
る。この実施例では、中間増幅素子２と光感応素
子３との正帰還作用により、ターンオン初期の主
トランジスタ１のベース電流として高いパルス電
流を流し得るので、ターンオン破壊しにくい。

更に、第２図においては、ターンオン時のスイ
ツチング損失を軽減し、このスイツチング損失に
よる破壊防止のために、di／dt抑制手段であるインダクタ（リアクトル、可飽和リアクトルなど）２
０３を用いると共に、この磁気エネルギを吸収し
てサージ電圧を抑制する定電圧素子（アバランシ
エダイオードなど）５を主トランジスタ１に逆並
列接続している。これにより、光感応素子３のタ
ーンオン遅れに対応して、主トランジスタ１の端
子Ｃ―Ｅ間の電流の立ち上り速度を遅らせること
ができ、ターンオン時の光感応素子３ないし主ト
ランジスタ１の損失及びこれによる破壊を防止で
きる。

以上の説明から明らかなように、この発明によ
れば、光感応スイツチ素子の制御極へ光感応半導
体スイツチ手段を非導通にさせるときに逆バイア
スを加える逆バイアス手段とを備えることによ
り、ターンオフ速度を早め、かつ連続オン中の光
入力を下げて蓄積効果も軽減しているので更に高
速化され、また、光感応スイツチ素子の制御極に
光を照射する発光手段の発光ターンオン初期に強
化するターンオン初期発光強化手段を設けること
により、ターンオン速度の低下を軽減しつつ高耐
圧又は高感度の光結合半導体スイツチ装置が得ら
れ、高電圧回路でのターンオン時のスイツチング
損失による破壊を防止することができるので、実
用上の効果は極めて大である。

また光感応スイツチ手段を制御極付光サイリス
タとし、これにより主トランジスタを制御するよ
うに構成すればターンオン遅れが改善され、ター
ンオン時の主トランジスタの破壊問題が改善され
ると共に、制御極の逆バイアスをも行なえば、そ
の制御極によるターンオンもでき、また、主トラ
ンジスタに、定電圧素子を逆並列となるように設
け、主トランジスタに直列にリアクトル又は可飽
和リアクトルを設ければ、ターンオン時のスイツ
チング損失による破壊を防止することができると
いう点において極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によつて解決すべき問題を示
すための接続図、第２図はこの発明の一実施例を
示す回路図、第３図はこの発明の他の一実施例を
示す回路図、第４図ａ，ｂは、この発明に用いる
ターンオン初期発光強化手段の夫々一実施例を示
す回路図、第５図はこの発明の各実施例の動作説
明用波形図である。図において、１は主トランジスタ、２は増幅素
子、３は光感応半導体素子、４は発光素子、５は
定電圧素子、６は制御極付光サイリスタ、５０は
発光制御手段、６０はターンオン初期発光強化手
段、１００は逆バイアス手段、１１０はパルス発
生器、１０１は光感応電流の逆バイアス回路への
漏れを防止する補助スイツチ素子、２０３はイン
ダクタ、２００は主回路である。尚、図中同一符
号は同一或いは相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】１光を発する発光手段と、制御極および受光面
を有する光感応スイツチ素子を設け前記発光手段
からの光を受けて導通する光感応半導体スイツチ
手段と、この光感応半導体スイツチ手段が導通す
るターンオン初期に前記発光手段からの発光を強
化する初期発光強化手段と、前記光感応スイツチ
素子の制御極へ前記光感応半導体スイツチ手段を
非導通にさせるときに逆バイアスを加える逆バイ
アス手段とを備えてなることを特徴とする光結合
半導体スイツチ装置。２光感応半導体スイツチ手段は、光感応半導体
スイツチ素子とこの光感応半導体スイツチ素子か
らの出力を制御入力とするトランジスタスイツチ
手段とからなることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の光結合半導体スイツチ装置。３光感応半導体スイツチ手段は、光感応半導体
スイツチ素子とこの光感応半導体スイツチ素子に
直列接続されたインダクタとからなることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の光結合半導体
スイツチ装置。４光感応半導体スイツチ素子は、光サイリスタ
またはホトトランジスタからなることを特徴とす
る特許請求の範囲第２項記載の光結合半導体スイ
ツチ装置。５インダクタは可飽和リアクトルなることを特
徴とする特許請求の範囲第３項記載の光結合半導
体スイツチ装置。６トランジスタスイツチ手段は、光感応半導体
スイツチ素子の出力側にベース電極が接続された
主トランジスタとこの主トランジスタに逆並列と
なるようにそのコレクタ・エミツタ間に接続され
た定電圧素子とからなることを特徴とする特許請
求の範囲第２項又は第４項記載の光結合半導体ス
イツチ装置。７トランジスタスイツチ手段は、光感応半導体
スイツチ素子の出力側にベース電極が接続された
主トランジスタとこの主トランジスタに逆並列と
なるようにそのコレクタ・エミツタ間に接続され
た定電圧素子と前記主トランジスタに直列接続さ
れたインダクタとからなることを特徴とする特許
請求の範囲第２項又は第４項に記載の光結合半導
体スイツチ装置。８インダクタは可飽和リアクトルであることを
特徴とする特許請求の範囲第７項記載の光結合半
導体スイツチ装置。