JP6601026B2 - 半導体スイッチ回路及び半導体リレー回路 - Google Patents

Description

本発明は、半導体スイッチ回路及び半導体リレー回路に関する。

電力回路で用いられるリレーは、直流及び交流に拘わらず、機械式のものが多い。このような機械式のリレーの寿命（開閉回数）は、要求される寿命よりも短いことが多い。また、機械式のリレーのサイズは、大きくなる傾向がある。そこで、近年においては、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）等の半導体スイッチを用いてリレーを製作することが考えられている。

半導体スイッチを用いたリレーでは、半導体スイッチがオン状態からオフ状態に遷移する際に、半導体スイッチの許容電圧を超える大きなサージ電圧が発生するおそれがあるため、サージ電圧の対策が重要になる。ここで、サージ電圧を抑制するには、サージアブソーバ等のサージ対策部品を使用することが一般的である。しかしながら、サージ電圧は、主に配線のインダクタンスが原因で生ずるため、配線のインダクタンスに応じたサージ対策部品を選定して調整する必要がある。尚、配線のインダクタンスが極めて大きな場合、或いは電力回路に大電流が流れた場合には、サージ電圧（サージ電流）がサージ対策部品の最大許容値を超えてしまい、リレーが破壊される可能性もある。

以下の特許文献１には、サージ等の過電圧からパワーＭＯＳＦＥＴを保護する電圧制限回路を備えたパワーＭＯＳＦＥＴ回路が開示されている。具体的に、以下の特許文献１には、パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン・ゲート間に、ツェナーダイオードとダイオードとからなるアクティブクランプとしての電圧制限回路が接続され、サージ等の過電圧が発生した場合に、パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン・ゲート間を電圧制限回路でクランプするパワーＭＯＳＦＥＴ回路が開示されている。このようなパワーＭＯＳＦＥＴ回路を用いれば、サージ電圧を良好に抑制し得るリレーを製作することが可能であると考えられる。

特開平１１−２６１０６４号公報

ところで、上述した特許文献１等に開示された通常のアクティブクランプ回路は、予め設定された閾値を超えるサージ電圧が発生した場合に、半導体スイッチをオン状態にし、サージ電圧の原因となったエネルギー（配線のインダクタンスに蓄積されたエネルギー）を放出させることで、半導体スイッチの破壊を防止するものである。

しかしながら、通常のアクティブクランプ回路では、半導体スイッチが誤ってオン状態になる可能性があるという問題がある。例えば、半導体スイッチとしてのパワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態に維持する制御信号がゲートに入力されている場合であっても、ドレインに印加される電圧が大きく変動すると、アクティブクランプ回路の作用によってパワーＭＯＳＦＥＴが誤ってオン状態になってしまうことがある。このような誤動作が生ずると、電力回路全体の誤動作が引き起こされることから、半導体スイッチの誤動作が生じないような対策が必要になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、サージ電圧を抑制しつつ誤動作を防止することが可能な半導体スイッチ回路及び半導体リレー回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体スイッチ回路（１０、２０）は、パワーＭＯＳＦＥＴ（１１、２１）と、前記パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン・ゲート間に接続されたアクティブクランプとしての電圧制限回路（Ｘ）と、前記電圧制限回路に直列接続されて前記パワーＭＯＳＦＥＴをオン状態にする制御信号（Ｃ１、Ｃ２）によってオン状態になるフォトカプラ（ＰＣ）と、前記パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態にする制御信号（Ｃ１、Ｃ２）が入力されてから、予め設定された一定時間だけ前記フォトカプラのオン状態を維持するコンデンサ（Ｃ）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の半導体スイッチ回路は、前記電圧制限回路が、前記フォトカプラのフォトトランジスタに直列接続されており、前記コンデンサが、前記フォトカプラの発光ダイオードに並列接続されていることを特徴としている。
また、本発明の半導体スイッチ回路は、前記コンデンサが、前記パワーＭＯＳＦＥＴをオン状態にする制御信号によって充電されることを特徴としている。
また、本発明の半導体スイッチ回路は、前記コンデンサの容量が、前記パワーＭＯＳＦＥＴが接続される回路のインダクタンスの大きさを考慮して設定されていることを特徴としている。
本発明の半導体リレー回路（１）は、上記の何れかに記載の半導体スイッチ回路を第１半導体スイッチ回路（１０）及び第２半導体スイッチ回路（２０）として備えており、前記第１半導体スイッチ回路及び前記第２半導体スイッチ回路に設けられた前記パワーＭＯＳＦＥＴのソースが互いに接続されており、前記第１半導体スイッチ回路及び前記第２半導体スイッチ回路に設けられた前記パワーＭＯＳＦＥＴのゲートに前記制御信号がそれぞれ入力されることを特徴としている。
また、本発明の半導体リレー回路は、前記第１半導体スイッチ回路及び前記第２半導体スイッチ回路に設けられた前記パワーＭＯＳＦＥＴのドレインが互いに接続されていても良い。

本発明によれば、直列接続された電圧制限回路及びフォトカプラをパワーＭＯＳＦＥＴのドレイン・ゲート間に接続し、パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態にする制御信号が入力されてから、予め設定された一定時間だけコンデンサによってフォトカプラのオン状態を維持するようにしているため、サージ電圧を抑制しつつ誤動作を防止することが可能であるという効果がある。

本発明の一実施形態による半導体リレー回路の回路図である。 本発明の一実施形態において、評価に用いた半導体リレー回路を示す回路図である。 図２に示す半導体リレー回路のシミュレーション結果を示す図である。 従来の半導体リレー回路のシミュレーション結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による半導体スイッチ回路及び半導体リレー回路について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による半導体リレー回路の回路図である。図１に示す通り、本実施形態の半導体リレー回路１は、半導体スイッチ回路１０（第１半導体スイッチ回路）、半導体スイッチ回路２０（第２半導体スイッチ回路）、及びゲートドライバ回路３０を備えており、外部から入力される制御信号Ｃ０に応じて、端子Ｔ１，Ｔ２間を導通状態又は非導通状態にする回路である。尚、半導体リレー回路１は、端子Ｔ１，Ｔ２間が導通状態である場合には、電流が双方向（端子Ｔ１から端子Ｔ２への方向、及び、端子Ｔ２から端子Ｔ１への方向）に流れる。

半導体スイッチ回路１０は、パワーＭＯＳＦＥＴ１１及びアクティブクランプ回路１２を備えており、ゲートドライバ回路３０から出力される制御信号Ｃ１に応じてオン状態又はオフ状態になる。同様に、半導体スイッチ回路２０は、パワーＭＯＳＦＥＴ２１及びアクティブクランプ回路２２を備えており、ゲートドライバ回路３０から出力される制御信号Ｃ２に応じてオン状態又はオフ状態になる。

パワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１は、例えばエンハンスメント型のＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。パワーＭＯＳＦＥＴ１１は、ドレインが端子Ｔ１に接続され、ソースがパワーＭＯＳＦＥＴ２１のソースに接続され、ゲートがアクティブクランプ回路１２に接続されている。パワーＭＯＳＦＥＴ２１は、ドレインが端子Ｔ２に接続され、ソースがパワーＭＯＳＦＥＴ１１のソースに接続され、ゲートがアクティブクランプ回路２２に接続されている。つまり、パワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１は、ソースが互いに接続された状態で端子Ｔ１，Ｔ２間に設けられている。尚、パワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１のゲートには、アクティブクランプ回路１２，２２を介したゲートドライバ回路３０からの制御信号Ｃ１，Ｃ２がそれぞれ入力される。

アクティブクランプ回路１２は、抵抗Ｒ１〜Ｒ４、ツェナーダイオードＴＤ、ダイオードＤ１〜Ｄ３、フォトカプラＰＣ、及びコンデンサＣを備える。このアクティブクランプ回路１２は、ゲートドライバ回路３０からの制御信号Ｃ１をパワーＭＯＳＦＥＴ１１に供給するとともに、パワーＭＯＳＦＥＴ１１の誤動作を防止しつつ、パワーＭＯＳＦＥＴ１１がオン状態からオフ状態に遷移する際に発生するサージ電圧を抑制する回路である。ここで、上記のパワーＭＯＳＦＥＴ１１の誤動作とは、例えば半導体スイッチ回路１０（パワーＭＯＳＦＥＴ１１）をオフ状態に維持する制御信号Ｃ１がゲートに入力されている場合であっても、ドレインに印加される電圧が大きく変動することによってパワーＭＯＳＦＥＴ１１が誤ってオン状態になってしまう動作である。

抵抗Ｒ１は、一端がゲートドライバ回路３０に接続され、他端がパワーＭＯＳＦＥＴ１１のゲートに接続されたゲート抵抗である。つまり、ゲートドライバ回路３０からの制御信号Ｃ１は、抵抗Ｒ１を介してパワーＭＯＳＦＥＴ１１のゲートに供給されるようにされている。ツェナーダイオードＴＤ、ダイオードＤ１、及び抵抗Ｒ２が直列接続された回路は、アクティブクランプとしての電圧制限回路Ｘであり、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン・ゲート間に設けられている。この回路は、パワーＭＯＳＦＥＴ１１がオン状態からオフ状態に遷移する際に発生するサージ電圧を抑制するために設けられる。

具体的に、ツェナーダイオードＴＤは、アノードがダイオードＤ１のアノードに接続され、カソードがパワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン（端子Ｔ１）に接続されている。ダイオードＤ１は、アノードがツェナーダイオードＴＤのアノードに接続され、カソードが抵抗Ｒ２の一端に接続されている。抵抗Ｒ２は、一端がダイオードＤ１のカソードに接続され、他端がフォトカプラＰＣを介してパワーＭＯＳＦＥＴ１１のゲートに接続されている。

フォトカプラＰＣは、電圧制限回路Ｘに直列接続されて、電圧制限回路ＸとともにパワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン・ゲート間に設けられている。このフォトカプラＰＣは、前述したパワーＭＯＳＦＥＴ１１の誤動作を防止するために設けられる。フォトカプラＰＣは、図１に示す通り、発光ダイオードとフォトトランジスタとを備えており、発光ダイオードから光が発せられない状態ではオフ状態（フォトトランジスタがオフ状態）になり、発光ダイオードから光が発せられている状態ではオン状態（フォトトランジスタがオン状態）になる。

フォトカプラＰＣのフォトトランジスタは、コレクタが電圧制限回路Ｘをなす抵抗Ｒ２の他端に接続されており、エミッタがパワーＭＯＳＦＥＴ１１のゲートに接続されている。また、フォトカプラＰＣの発光ダイオードは、アノードがダイオードＤ２、抵抗Ｒ３、及び抵抗Ｒ４が直列接続された回路に接続されており、カソードがパワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１のソースに接続されている。また、フォトカプラＰＣの発光ダイオードのアノード・カソード間には、抵抗Ｒ４を介してコンデンサＣが並列接続されているとともに、逆極性のダイオードＤ３が並列接続されている。

ダイオードＤ２は、逆流防止のために設けられており、アノードが抵抗Ｒ１の一端（ゲートドライバ回路３０）に接続され、カソードが抵抗Ｒ３の一端に接続されている。抵抗Ｒ３は、一端がダイオードＤ２のカソードに接続され、他端が抵抗Ｒ４の一端に接続されている。抵抗Ｒ４は、一端が抵抗Ｒ３の他端に接続され、他端がフォトカプラＰＣに設けられた発光ダイオードのアノードに接続されている。

コンデンサＣは、フォトカプラＰＣと同様に、前述したパワーＭＯＳＦＥＴ１１の誤動作を防止するために設けられる。具体的に、コンデンサＣは、半導体スイッチ回路１０（パワーＭＯＳＦＥＴ１１）をオフ状態にする制御信号Ｃ１が入力されてから予め設定された一定時間だけフォトカプラＰＣのオン状態を維持するために設けられる。尚、コンデンサＣは、パワーＭＯＳＦＥＴ１１をオン状態にする制御信号Ｃ１（ダイオードＤ２、抵抗Ｒ３、及び抵抗Ｒ４が直列接続された回路を介して入力される制御信号Ｃ１）によって充電される。

ここで、コンデンサＣの容量及び抵抗Ｒ４の抵抗値は、端子Ｔ１，Ｔ２に接続されるインダクタンスの大きさを考慮して設定される。即ち、サージ電圧の原因となるインダクタンスに蓄積されたエネルギーを放出させるために必要な時間を考慮して設定される。コンデンサＣの容量及び抵抗Ｒ４の抵抗値を調整すれば、コンデンサＣ及び抵抗Ｒ４からなるＲＣ回路の時定数が変わるため、上述したフォトカプラＰＣのオン状態を維持する時間を調整することが可能である。

アクティブクランプ回路２２は、アクティブクランプ回路１２と同様の回路であり、ゲートドライバ回路３０からの制御信号Ｃ２をパワーＭＯＳＦＥＴ２１に供給するとともに、パワーＭＯＳＦＥＴ２１の誤動作を防止しつつ、パワーＭＯＳＦＥＴ２１がオン状態からオフ状態に遷移する際に発生するサージ電圧を抑制する回路である。尚、アクティブクランプ回路２２の詳細な説明は省略する。ゲートドライバ回路３０は、外部から入力される制御信号Ｃ０に応じて、半導体スイッチ回路１０を制御する制御信号Ｃ１と、第２半導体スイッチ回路２０を制御する制御信号Ｃ２とを生成して出力する。

次に、上記構成における半導体リレー回路１の動作について説明する。まず、外部から半導体リレー回路１をオン状態にする制御信号Ｃ０が入力されると、この制御信号Ｃ０に基づいて半導体スイッチ回路１０，２０をオン状態にする制御信号Ｃ１，Ｃ２がゲートドライバ回路３０で生成される。生成された制御信号Ｃ１は、アクティブクランプ回路１２に出力され、生成された制御信号Ｃ２は、アクティブクランプ回路２２に出力される。

アクティブクランプ回路１２に入力された制御信号Ｃ１は、抵抗Ｒ１を介してパワーＭＯＳＦＥＴ１１に供給され、パワーＭＯＳＦＥＴ１１がオン状態になる。また、アクティブクランプ回路２２に入力された制御信号Ｃ２は、不図示の抵抗（抵抗Ｒ１と同様の抵抗）を介してパワーＭＯＳＦＥＴ２１に供給され、パワーＭＯＳＦＥＴ２１がオン状態になる。これにより、端子Ｔ１，Ｔ２間が導通状態になり、双方向（端子Ｔ１から端子Ｔ２への方向、及び、端子Ｔ２から端子Ｔ１への方向）に電流を流すことが可能になる。

また、アクティブクランプ回路１２に入力された制御信号Ｃ１は、ダイオードＤ２、抵抗Ｒ３、及び抵抗Ｒ４を介してフォトカプラＰＣに供給される。これにより、フォトカプラＰＣがオン状態になり、電圧制限回路ＸがフォトカプラＰＣを介してパワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン・ゲート間に接続された状態になる。同時に、ダイオードＤ２及び抵抗Ｒ３を介した制御信号Ｃ１によって、アクティブクランプ回路１２に設けられたコンデンサＣが充電される。

尚、アクティブクランプ回路２２についても、以上の動作と同様の動作が行われる。つまり、アクティブクランプ回路２２に設けられた不図示のフォトカプラ（フォトカプラＰＣに相当するフォトカプラ）がオン状態になって不図示の電圧制限回路（電圧制限回路Ｘに相当する電圧制限回路）が不図示のフォトカプラを介してパワーＭＯＳＦＥＴ２１のドレイン・ゲート間に接続された状態になる。また、不図示のコンデンサ（コンデンサＣに相当するコンデンサ）が充電される。

次に、外部から半導体リレー回路１をオフ状態にする制御信号Ｃ０が入力されると、この制御信号Ｃ０に基づいて半導体スイッチ回路１０，２０をオフ状態にする制御信号Ｃ１，Ｃ２がゲートドライバ回路３０で生成される。生成された制御信号Ｃ１は、アクティブクランプ回路１２に出力され、生成された制御信号Ｃ２は、アクティブクランプ回路２２に出力される。

アクティブクランプ回路１２に入力された制御信号Ｃ１は、抵抗Ｒ１を介してパワーＭＯＳＦＥＴ１１に供給され、パワーＭＯＳＦＥＴ１１がオフ状態になる。また、アクティブクランプ回路２２に入力された制御信号Ｃ２は、不図示の抵抗（抵抗Ｒ１に相当する抵抗）を介してパワーＭＯＳＦＥＴ２１に供給され、パワーＭＯＳＦＥＴ２１がオフ状態になる。すると、パワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１がオフ状態になった瞬間にサージ電圧が発生する。

ここで、アクティブクランプ回路１２に設けられたコンデンサＣの作用によって、半導体スイッチ回路１０をオフ状態にする制御信号Ｃ１が入力されてから予め設定された一定時間だけフォトカプラＰＣのオン状態が維持される。同様に、アクティブクランプ回路２２についても、不図示のコンデンサ（コンデンサＣに相当するコンデンサ）の作用によって、半導体スイッチ回路２０をオフ状態にする制御信号Ｃ２が入力されてから予め設定された一定時間だけ不図示のフォトカプラ（フォトカプラＰＣに相当するフォトカプラ）のオン状態が維持される。

このため、パワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１がオフ状態になった瞬間は、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン・ゲート間に電圧制限回路Ｘが接続された状態が維持されるとともにパワーＭＯＳＦＥＴ２１のドレイン・ゲート間に不図示の電圧制限回路（電圧制限回路Ｘに相当する電圧制限回路）が接続された状態が維持される。パワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１がオフ状態になった瞬間に発生したサージ電圧は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン・ゲート間に接続された電圧制限回路Ｘに印加され、電圧制限回路Ｘの両端には、ツェナーダイオードＴＤの降伏電圧（ツェナー電圧）、ダイオードＤ１の順方向電圧、及び抵抗Ｒ２の電圧降下を合計した合計電圧が生ずる。

このような電圧が生ずると、パワーＭＯＳＦＥＴ１１が再びオン状態になり、サージ電圧の原因となったエネルギー（例えば、端子Ｔ１に接続されたインダクタンス蓄積されたエネルギー）が放出される。尚、このような動作が行われている間、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン・ソース間の電圧は、おおむね上記の合計電圧、フォトカプラＰＣのフォトトランジスタによる電圧降下、及びパワーＭＯＳＦＥＴ１１のゲートＯＮ閾値電圧を加算した電圧にクランプされる。サージ電圧の原因となったエネルギーが放出されると、パワーＭＯＳＦＥＴ１１はオフ状態になる。

ここで、半導体スイッチ回路１０をオフ状態にする制御信号Ｃ１がアクティブクランプ回路１２に入力されてから前述した一定時間が経過すると、フォトカプラＰＣがオフ状態になる。同様に、半導体スイッチ回路２０をオフ状態にする制御信号Ｃ２がアクティブクランプ回路２２に入力されてから前述した一定時間が経過すると、不図示のフォトカプラ（フォトカプラＰＣに相当するフォトカプラ）がオフ状態になる。

すると、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン・ゲート間から電圧制限回路Ｘが切り離されるとともに、パワーＭＯＳＦＥＴ２１のドレイン・ゲート間から不図示の電圧制限回路（電圧制限回路Ｘに相当する電圧制限回路）が切り離された状態になる。これにより、パワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１のドレイン・ゲート間から電圧制限回路が接続されていることに起因して生ずる誤動作（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１のドレインに印加される電圧が大きく変動することによってパワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１が誤ってオン状態になってしまう動作）が防止される。

尚、アクティブクランプ回路１２に設けられた電圧制限回路Ｘは、半導体スイッチ回路１０をオン状態にする制御信号Ｃ１が入力されてフォトカプラＰＣがオン状態になるまで、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン・ゲート間から切り離された状態にされる。同様に、アクティブクランプ回路２２に設けられた不図示の電圧制限回路は、半導体スイッチ回路２０をオン状態にする制御信号Ｃ２が入力されてフォトカプラ（フォトカプラＰＣに相当するフォトカプラ）がオン状態になるまで、パワーＭＯＳＦＥＴ２１のドレイン・ゲート間から切り離された状態にされる。

図２は、本発明の一実施形態において、評価に用いた半導体リレー回路を示す回路図である。尚、図２においては、図１に示す構成に相当する構成については同一の符号を付してある。図２に示す通り、評価に用いた半導体リレー回路１は、図１に示すアクティブクランプ回路２２を省略し、パワーＭＯＳＦＥＴ２１のゲートとゲートドライバ回路３０とを抵抗ＲＶで接続した回路である。このような回路を用いるのは、評価を容易にするためである。

図２に示す半導体リレー回路１の評価を行うために、直流電源ＰＳ、信号源Ｓ１、及びインダクタンスＬ１の直列回路を端子Ｔ１に接続し、負荷ＬＤを端子Ｔ２に接続している。直流電源ＰＳは、負荷ＬＤに対して直流電力を供給する電源である。信号源Ｓ１は、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレインに印加される電圧の変動を模擬するためのものである。インダクタンスＬ１は、例えばサージ電圧の原因となる配線のインダクタンスを模擬するものである。負荷ＬＤは、直流電源ＰＳからの直流電力が供給される抵抗である。尚、ここでは評価を容易にするために、負荷ＬＤを抵抗成分のみとしている。

また、図２に示す半導体リレー回路１の評価を行うために、ゲートドライバ回路３０は、図２に示す通り、信号源Ｓ２を備えるものとしている。この信号源Ｓ２は、半導体スイッチ回路１０を制御する制御信号Ｃ１、及び半導体スイッチ回路２０を制御する制御信号Ｃ２を模擬するパルス状の信号を出力するものである。

図３は、図２に示す半導体リレー回路のシミュレーション結果を示す図である。図４は、従来の半導体リレー回路のシミュレーション結果を示す図である。尚、図４（ａ）は、パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン・ゲート間に電圧制限回路が設けられていない半導体リレー回路のシミュレーション結果を示す図であり、図４（ｂ）は、パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン・ゲート間に設けられた電圧制限回路を切り離すことができない半導体リレー回路のシミュレーション結果を示す図である。

つまり、図４（ａ）に示すシミュレーション結果が得られた半導体リレー回路は、図２に示す半導体リレー回路のアクティブクランプ回路１２を省略し、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のゲートとゲートドライバ回路３０とを抵抗（抵抗ＲＶと同様の抵抗）で接続した回路である。また、図４（ｂ）に示すシミュレーション結果が得られた半導体リレー回路は、図２に示す半導体リレー回路のアクティブクランプ回路１２に設けられた抵抗Ｒ３，Ｒ４、ダイオードＤ２，Ｄ３、フォトカプラＰＣ、及びコンデンサＣを省略した回路である。

図３及び図４に示すグラフは、直流電源ＰＳ及び信号源Ｓ１の電圧Ｖ０、信号源Ｓ２の電圧Ｖ１、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のソース・ドレイン間の電圧Ｖ２、及び負荷ＬＤに流れる電流Ｉ１の経時変化を示すグラフである。但し、図３に示すグラフでは、電圧Ｖ０の経時変化の図示を省略している。尚、図３及び図４に示すグラフでは、横軸に時間をとり、縦軸に電圧及び電流をとってある。

図３及び図４に示す通り、シミュレーションでは、信号源Ｓ２の電圧Ｖ１を時刻「１ｍｓｅｃ」でハイレベルからローレベルに立ち下げて、半導体スイッチ回路１０，２０を時刻「１ｍｓｅｃ」でオフ状態にしている。また、図４に示す通り、シミュレーションでは、信号源Ｓ１によって電圧Ｖ０を時刻「８ｍｓｅｃ」で変化させて、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレインに印加される電圧が時刻「８ｍｓｅｃ」で大きく変化する状態を模擬している。

まず、図４（ａ）を参照すると、半導体スイッチ回路１０，２０がオフ状態にされた時刻「１ｍｓｅｃ」においてサージ電圧が発生し、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のソース・ドレイン間の電圧Ｖ２がＶ［Ｖ］を超える程度まで急激に上昇していることが分かる。ここで、図３及び図４中のＶ［Ｖ］は、パワーＭＯＳＦＥＴ１１の最大許容電圧であるため、実際の回路では、パワーＭＯＳＦＥＴ１１の破壊が生じていることになる。つまり、電圧制限回路Ｘが設けられていないと、サージ電圧によってパワーＭＯＳＦＥＴ１１の破壊が生ずる。

また、負荷ＬＤに流れる電流Ｉ１（パワーＭＯＳＦＥＴ１１に流れる電流）は、半導体スイッチ回路１０，２０が共にオン状態である時刻「１ｍｓｅｃ」よりも前ではＩ［Ａ］で一定である。尚、半導体スイッチ回路１０，２０がオフ状態にされた時刻「１ｍｓｅｃ」以後は、上述の通り、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のソース・ドレイン間の電圧Ｖ２が最大許容電圧を超えていることから、電流Ｉ１は解析不良状態（解析不能状態）である。

次に、図４（ｂ）を参照すると、半導体スイッチ回路１０，２０がオフ状態にされた時刻「１ｍｓｅｃ」において、図４（ａ）と同様に、サージ電圧が発生してパワーＭＯＳＦＥＴ１１のソース・ドレイン間の電圧Ｖ２が上昇している。しかしながら、この電圧Ｖ２は、電圧制限回路Ｘの作用によってパワーＭＯＳＦＥＴ１１の最大許容電圧Ｖ［Ｖ］よりも小さい電圧に抑えられていることが分かる。

また、負荷ＬＤに流れる電流Ｉ１は、図４（ａ）と同様に、半導体スイッチ回路１０，２０が共にオン状態である時刻「１ｍｓｅｃ」よりも前ではＩ［Ａ］で一定である。但し、半導体スイッチ回路１０，２０がオフ状態にされた時刻「１ｍｓｅｃ」以後は急激に減少し、２［ｍｓｅｃ］程度の時間で零になっていることが分かる。

ここで、図４（ｂ）を参照すると、オフ状態にされているパワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレインに印加される電圧が大きく変化する時刻「８ｍｓｅｃ」以降において、負荷ＬＤに流れる電流Ｉ１が徐々に上昇していることか分かる。これは、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレインに印加される電圧が大きく変動すると、電圧制限回路Ｘの作用によってパワーＭＯＳＦＥＴ１１が再びオン状態になるためである。

続いて、図３を参照すると、半導体スイッチ回路１０，２０がオフ状態にされた時刻「１ｍｓｅｃ」において、サージ電圧が発生してパワーＭＯＳＦＥＴ１１のソース・ドレイン間の電圧Ｖ２が上昇している。しかしながら、この電圧Ｖ２は、図４（ｂ）と同様に、電圧制限回路Ｘの作用によってパワーＭＯＳＦＥＴ１１の最大許容電圧Ｖ［Ｖ］よりも小さい電圧に抑えられていることが分かる。

また、負荷ＬＤに流れる電流Ｉ１は、図４（ｂ）と同様に、半導体スイッチ回路１０，２０が共にオン状態である時刻「１ｍｓｅｃ」よりも前ではＩ［Ａ］で一定である。但し、半導体スイッチ回路１０，２０がオフ状態にされた時刻「１ｍｓｅｃ」以後は急激に減少し、２［ｍｓｅｃ］程度の時間で零になっていることが分かる。

ここで、図３を参照すると、オフ状態にされているパワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレインに印加される電圧が大きく変化する時刻「８ｍｓｅｃ」以降において、図４（ｂ）とは異なり、負荷ＬＤに流れる電流Ｉ１は零のままであることが分かる。これは、フォトカプラＰＣによって、パワーＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン・ゲート間から電圧制限回路Ｘが切り離された状態にされたためである。尚、図３に示す例において、電圧制限回路Ｘの切り離しは、時刻「３ｍｓｅｃ」〜時刻「８ｍｓｅｃ」の間に行われている。

以上の通り、本実施形態では、電圧制限回路ＸとフォトカプラＰＣとが直列接続された回路を、パワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１のドレイン・ゲート間に接続し、半導体スイッチ回路１０，２０をオフ状態にする制御信号が入力されてから予め設定された一定時間だけフォトカプラＰＣのオン状態を維持し、上記の一定時間を経過した後にフォトカプラＰＣをオフ状態にするようにしている。このため、サージ電圧を抑制しつつ誤動作を防止することが可能である。

以上、本発明の一実施形態による半導体スイッチ回路及び半導体リレー回路について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、主に２つの半導体スイッチ回路１０，２０を備える半導体リレー回路１について説明したが、半導体スイッチ回路１０，２０は単体で用いることも可能である。また、上述した実施形態において、端子Ｔ１，Ｔ２間に設けられたパワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１は、ソースが互いに接続されていたが、これらパワーＭＯＳＦＥＴ１１，２１は、ドレインが互いに接続されていても良い。

１…半導体リレー回路、１０…半導体スイッチ回路、１１…パワーＭＯＳＦＥＴ、２０…半導体スイッチ回路、２１…パワーＭＯＳＦＥＴ、Ｃ…コンデンサ、Ｃ１，Ｃ２…制御信号、ＰＣ…フォトカプラ、Ｘ…電圧制限回路

Claims (5)

1. パワーＭＯＳＦＥＴと、
   前記パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン・ゲート間に接続されるアクティブクランプとしての電圧制限回路と、
   前記パワーＭＯＳＦＥＴのドレイン・ゲート間において前記電圧制限回路に直列接続され、前記パワーＭＯＳＦＥＴをオン状態にする制御信号が入力された場合にオン状態になるフォトカプラと、
   前記フォトカプラに入力される前記パワーＭＯＳＦＥＴをオン状態にする制御信号によって充電され、前記フォトカプラに前記パワーＭＯＳＦＥＴをオフ状態にする制御信号が入力されてから、予め設定された一定時間だけ前記フォトカプラのオン状態を維持するコンデンサと
   を備えることを特徴とする半導体スイッチ回路。
2. 前記電圧制限回路は、前記フォトカプラのフォトトランジスタに直列接続されており、
   前記コンデンサは、前記フォトカプラの発光ダイオードに並列接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体スイッチ回路。
3. 前記コンデンサの容量は、前記パワーＭＯＳＦＥＴが接続される回路のインダクタンスの大きさを考慮して設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体スイッチ回路。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の半導体スイッチ回路を第１半導体スイッチ回路及び第２半導体スイッチ回路として備えており、
   前記第１半導体スイッチ回路及び前記第２半導体スイッチ回路に設けられた前記パワーＭＯＳＦＥＴのソースが互いに接続されており、
   前記第１半導体スイッチ回路及び前記第２半導体スイッチ回路に設けられた前記パワーＭＯＳＦＥＴのゲートに前記制御信号がそれぞれ入力される
   ことを特徴とする半導体リレー回路。
5. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の半導体スイッチ回路を第１半導体スイッチ回路及び第２半導体スイッチ回路として備えており、
   前記第１半導体スイッチ回路及び前記第２半導体スイッチ回路に設けられた前記パワーＭＯＳＦＥＴのドレインが互いに接続されており、
   前記第１半導体スイッチ回路及び前記第２半導体スイッチ回路に設けられた前記パワーＭＯＳＦＥＴのゲートに前記制御信号がそれぞれ入力される
   ことを特徴とする半導体リレー回路。

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