[发明专利]双向光控晶闸管芯片、光触发耦合器和固态继电器

说明书

技术领域

本发明涉及双向光控晶闸管芯片(bi-directional photothyristor chip)、使用上述双向光控晶闸管芯片的触发型耦合器、使用上述触发型耦合器的固态继电器(以下简称为SSR)。

背景技术

一直以来，作为在交流下使用的SSR，有具有如图15所示的电路结构的SSR。该SSR 8包括：包括LED(发光二极管)等发光元件1和触发用的双向光控晶闸管2的光触发耦合器3；用于实际控制负载的双向晶闸管(以下，也有称为主晶闸管的情况)4；和包括电阻器5和电容6等的缓冲电路(snubber circuit)7。

另外，构成上述SSR 8的光触发耦合器3的等效电路图如图16所示。双向光控晶闸管2包括CH(沟道(channel))1的光控晶闸管9和CH2的光控晶闸管10。CH1的光控晶闸管9构成为将PNP晶体管Q1的基极与NPN晶体管Q2的集电极连接，另一方面，将PNP晶体管Q1的集电极与NPN晶体管Q2的基极连接。同样，CH2的光控晶闸管10构成为将PNP晶体管Q3的基极与NPN晶体管Q4的集电极连接，另一方面，将PNP晶体管Q3的集电极与NPN晶体管Q4的基极连接。

另外，在上述CH1侧，PNP晶体管Q1的发射极直接与电极T1连接。另一方面，NPN晶体管Q2的发射极直接与电极T2连接，NPN晶体管Q2的基极经由控制极电阻11与电极T2连接。同样，在CH2侧，PNP晶体管Q3的发射极直接与电极T2连接。另一方面，NPN晶体管Q4的发射极直接与电极T1连接，NPN晶体管Q4的基极经由控制极电阻12与电极T1连接。

具有上述结构的光触发耦合器3如以下那样工作。即，在图16中，在电极T1-电极T2间施加有比元件的导通电压(约1.5V)高的电压的电源电压的偏置的条件下，首先，在电极T1侧与电极T2侧相比处于正电位的情况下，当双向光控晶闸管2接收来自LED 1的光信号时，CH1侧的NPN晶体管Q2成为导通状态。这样，CH1侧的PNP晶体管Q1的基极电流被引出，该PNP晶体管Q1导通。接着，由PNP晶体管Q1的集电极电流，向CH1侧的NPN晶体管Q2供给基极电流，通过正反馈，CH1侧的PNPN部导通，从电极T1向电极T2流过与交流电路的负载相应的导通电流。在该情况下，在CH2侧，偏压施加的方向相反，因此，不发生PNPN部的正反馈，仅流过初级光电流。

另一方面，在上述电极T2侧与电极T1侧相比处于正电位的情况下，CH2侧的PNPN部与上述的情况完全同样地进行正反馈动作而导通，在CH1侧仅流过初级光电流。

这样，当上述CH1侧的PNPN部或CH2侧的PNPN部进行导通动作时，该电流流入主晶闸管4的控制极(gate)，使主晶闸管4导通。

如上所述的具有上述光触发用的双向光控晶闸管2和作为用于实际控制负载的双向晶闸管的主晶闸管4的混合结构的SSR 8，具有能够使电流容量增大的特征。其理由是因为，采用了垂直型的芯片结构，因此，电流路径与PNPN元件的面积成比例地增大，因此能够使芯片尺寸减小。即，可以说是相对于成本的效率高的结构。

而缺点在于，(1)为了得到垂直型的芯片结构，需要采用隔离或台面结构，制造困难。(2)因为上述(1)所以工艺成本高。(3)主晶闸管4无法用光触发(因为作为主晶闸管4的触发电流需要约10mA，通过光激发产生的载流子电流大幅不足)。

近年来，电子行业所处的经济环境日益严峻，越发强烈地期望电子设备的成本的削减和轻便性的提高。为了应对这样的要求，尝试了在具有如图15所示的结构的以往的SSR中，例如为了削减部件数量，省略主晶闸管4来制作如图14所示的电路结构的SSR，仅利用上述光触发用的双向光控晶闸管来直接控制负载。

作为这样能够制作省略了主晶闸管的电路结构的SSR、并能够直接控制负载的上述光触发用的双向光控晶闸管，有日本特许第4065825号公报(专利文献1)中公开的双向光控晶闸管芯片。

图17表示上述专利文献1中公开的双向光控晶闸管芯片的概略图案布局。另外，图18和图19是图17的B-B’箭头方向看的截面概略图。其中，图18表示光导通时的状态，图19表示作为光关断时的电压反转时(换相(commutation)时)的状态。