PhotoMOS繼電器(上)

2020-11-26 電子產品世界

松下電工的PhotoMOS繼電器使用光電元件和功率MOSFET進行輸出。該繼電器通過光結合使輸入輸出間完全絕緣，與原來的機械繼電器有所不同的是用LED和光電元件進行輸入輸出傳送，其壽命可謂類似永久性的。
本刊分上中下三部分對PhotoMOS繼電器的概要、控制電路、可靠性進行介紹。本期介紹PhotoMOS 繼電器概要部分。

前言
PhotoMOS繼電器針對小型、輕量、薄型化的需要，作為適應電子化的繼電器，增加了高靈敏性、高速響應；從傳感器輸入信號電平到高頻的控制；從聲音信號到高頻用途的對應；高可靠性和長壽命；可表面安裝的SMD型；多功能化和靜音化等新的功能。



圖1 PhotoMOS繼電器的等價電路


圖2 負載電壓-電流特性的比較


圖3 使用裝置的輸出信號比較


圖4 開路時的漏電流

PhotoMOS繼電器的動作原理
PhotoMOS繼電器的輸出是使用功率MOSFET在輸入輸出間實現電絕緣 (1,500VAC·1分鐘) 的半導體繼電器。其等價電路如圖1所示。
動作原理是通過光電元件(太陽能電池)將發光元件 (LED)的光進行電壓變換，通過功率MOSFET的導通、非導通，進行負載控制。

PhotoMOS繼電器的特點
PhotoMOS繼電器具備EMR (有觸點機械繼電器) 和SSR (無觸點繼電器) 兩種功能，特點如下文所述。
?可控制微小模擬信號
晶閘管或光電耦合器及一般的SSR，不能控制數百mV以下的信號，但PhotoMOS繼電器閉路時的偏置電壓極低，因此，即使是對微小電壓信號或模擬信號也可不變形控制(如圖2、3所示)。
?電路板小型化和設計容易化
可將發光元件、光電元件、功率MOSFET集中到一個封裝中，而且MOSFET的電路門電極也在封裝中，因此抗幹擾或靜電能力較強。另外，內置有自身發電功能的光電元件，所以，不需要外部電源來驅動功率MOSFET。
?用小輸入信號可控制大負載
與光電耦合器相比，因增幅率較大，所以可實現EMR所沒有的高靈敏度參照表1。
?開路時的漏電流極小
一般的SSR開路時的漏電流大到數mA，但PhotoMOS繼電器即使施加負載電壓400V時，也小得只有1mA以下，見圖4。
?可以適應各種負載控制
電流、電壓通斷範圍較廣，因此，適合繼電器、電機、燈、螺線管等各種負載的控制。
?可控制含高頻成分的信號
RF型輸出端子間容量小至Typ.5pF，絕緣損失為40dB以上(1MHz)。
另外還有體積小、節省空間，安裝不受限制；熱起電力小至1mV以下；壽命近似永久性，無需更換；不發生電弧(幹擾)，無觸點，因而也無動作聲音。


圖5 電路結構部件的比較


圖6 漏極源極電壓相比洩漏電流的特性


圖7 VGS=-5.0V時的洩漏耐壓特性


表1 動作LED電流和連續負載電流的關係


表2 a觸點型和b觸點型的PhotoMOS繼電器絕對最大額定比較
*1、f=100Hz、佔空比=0.1%
*2、100mesc(1shot)、VL=DC
*3、低溫時不結冰。


表3 a觸點型和b觸點型PhotoMOS繼電器的電氣特性比較
*另外lalb觸點型（AQWG14）具有組合AQV214和AQV414的特性。
*平均1.14V（lf=5mA時）

對B觸點型PhotoMOS繼電器的研製
PhotoMOS繼電器的優點已被認識，隨著在信息通信器械、OA器械、FA器械及更廣泛領域中的採用，對[具有機械式可構成的所有觸點(b點、c點)的PhotoMOS繼電器]的研製需求將更加高漲。電路結構部件的比較如圖5所示。
為適應這樣的需求，在功率MOSFET形成過程中使用DSD法(Double-Diffused and Selective Doping Method)，研製出了高耐壓而且低導通電阻的耗盡型功率MOSFET。
該DSD法是在原來的加強型功率MOSFET製造時所使用的雙重擴散法上，選擇性地組合了擴散雜質部分的方法，一邊補充系統雜質濃度，一邊形成與電路板濃度相同的低濃度浮淺層的方法。
該功率MOSFET如圖6所示，柵極電壓為0時，處於低導通電阻(Typ.18Ω)，因而保持良好的導通狀態，如圖7所示，通過施加微小的柵極附加電壓，可表現出高耐壓(400V以上)的高絕緣性(低漏洩電流：1mA以下)。
表2、表3是將原來的a觸點型的PhotoMOS繼電器(AQV214)和b觸點型PhotoMOS繼電器(AQV414)進行了比較，可以看到兩者幾乎都有同樣的性能。因此，也可以組合雙方的電路，可以適應更廣泛的用途。
這種高耐壓、低導通電阻性能本來是處於交替關係中，在原來的增強型功率MOSFET中也需要高技術，因此，耗盡型功率MOSFET也可以說具有劃時代的性能。
b觸點型PhotoMOS繼電器，是由於搭載了該耗盡型功率MOSFET才得以實現。

結語
如上所述，PhotoMOS繼電器消除了原來機械式繼電器所有的「靈敏度差」、「有動作噪音」、「開閉次數多減少壽命」等缺點，而且又具備一般SSR所沒有的高電壓控制、低導通電阻、b觸點電路、AC/DC兼用通電、低洩漏電流等優良特性，因此，今後在遠程通信、通信器械、OA器械、自動檢測、安全與防災器械、ME器械、測量器等方面會有更大的需求。■

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