122°

PhotoMOS继电器(中)

PhotoMOS继电器的输出采用光电元件和功率MOSFET,最初用于微小模拟量信号的SSR,即:高功能型的HF型,后又相继推出通用型的GU型、高频型的RF型等。
本刊上期介绍了PhotoMOS继电器的概要,本期将介绍有关PhotoMOS继电器内置式、结构独特的控制电路的光电元件的特点、结构、典型电路等内容。

FET型半导体继电器的基本电路
图1为PhotoMOS 继电器所代表的FET型半导体继电器最基本的电路。该电路因输出元件的功率MOSFET是电压驱动型元件,因此,由于光电二极管阵列(P.D.A)供给电压,栅极容量被充电,通过使栅极电压上升到开启电压值(门槛电压),就可使继电器动作。
但是,要想使继电器复位,就必须使栅极尽快放电。在图1所示的电路中,恢复时间过长,因此不可能作为继电器使用。
PhotoMOS继电器,是通过图2所示的光电元件中内置的控制电路来解决这些问题点。
该控制电路对于达到动作时间与恢复时间保持良好平衡的开关特性、以及对输入LED电流的高灵敏度特性,起到至关重要的作用。

光电元件内的控制电路示例
关于光电元件内置式控制电路,如图3(a)~(c)所示。
控制电路(a)
(a)电路是最基本的,为了加快关断时间,关断时要使输出MOS的栅极电荷放电,在栅极和源极间连接固定电阻。但在导通时,为使输出MOS的栅极进行充电,来自其光电二极管阵列的光电流通过该电阻而漏泄,因此,导通时间会变长。
另外,如图4所示,输出电流对输入电流平稳地发生变化,因此,存在着切换元件的速动性较差、温度变化造成的特性变动较大等缺点。
控制电路(b)
(b)电路的速动性比(a)电路稍好一些,但输出MOS的栅极和源极间插入的晶体管是常开型的,因此,抗外来干扰的能力变弱。
控制电路(c)
(c)电路作为放电电路,使用了常闭型(N.C.)元件,因此,关断时输出MOS的电荷可以快速放电。另外,导通时该元件通过第2光电二极管阵列被偏置而处于开放状态,由于第1光电二极管阵列的光电流高效率地传送到输出MOS的栅极上,因此与(a)电路相比,导通时间也会变短。
通过该N.C.元件,速动性也得到极大改善。但是,光电二极管阵列的缺点是需要2列式的。

PhotoMOS继电器的控制电路
以上所述的电路各有利弊,为了制造出高性能(高灵敏度、快速、抗干扰)且低成本的继电器,在该PhotoMOS继电器中配置了图5所示电路结构的光电元件。
在该电路中,与输入部分LED进行光耦合的光电二极管阵列,接受对应输入信号而发光的LED的光,探球网,进而产生光电流,通过偏置电阻使N.C.元件处于开放状态。这样同时具备(c)电路中第2光电二极管阵列的作用。
另外,与(c)电路相同,通过采用N.C.元件,当无输入信号时,功率MOS的栅极源极间出现短路,抗外来干扰能力较强,同时如图4所示,也可进一步达到良好的速动性。
通过旁路元件,使偏置电阻两端的电位下降到一定值以下,与偏置电阻的大小无关,起到使光电流高效率流入电路的作用。该旁路元件插入电路的情况及相反的情况下的输入电流-动作时间的特性如图6所示。
由图6得知,无旁路元件时,即使增加输入电流,光电流也受偏置电阻限制,动作时间可处于饱和状态。对此,当有分路元件时,出现动作时间跟随输入电流量的情况,也适应高速动作的需求。

光电元件的结构与模型
PhotoMOS继电器所用光电元件与通常的光电二极管1单元得到的光电电压(约0.5V)相比,会产生相当高的电压(约8V),因此,使用介质隔离法,在1个内串联连接十多个单元的光电二极管。其断面如图7所示。
由介质隔离法形成的光电二极管周围用介质体(SiO2)包围,因此,与通常的单结晶电路板上形成的光电二极管有所不同,其光电流与单结晶岛深处紧密地结合。如图8所示,在一定的深度之内,因有较强的关联,所以其深度要在考虑到加工时偏差的基础上决定。
光电二极管阵列是串联式连接,因此,光电流等于整个单元中最小的电流值。因此,各光电二极管单元的光电流值相等时的电路效率最高。
光电二极管的光电流,若设扩散条件或单元深度为一定,则入射光的亮度和单元面积成比例,因此,为形成效率最高的电路,应该随着离光源(LED)的距离变远、亮度下降,加大受光单元面积。
图9表示从光源正下方开始的水平距离和相对亮度的仿真结果和实测值。图9(c)中,随着离开光源,实验值会变亮,一般认为是受树脂界面的反射光的影响。

结语
如上所述,PhotoMOS继电器,具有独立控制电路和高效率的光电二极管阵列的光电元件,与其他的FET型半导体继电器相比,该产品具有可直接驱动TTL的高灵敏度、快速切换、抗外来干扰性强、因芯片小型化而实现器件封装小型化和多极触点化的特点。■