PhotoMOS繼電器(上)

前言
PhotoMOS繼電器針對(duì)小型、輕量、薄型化的需要，作為適應(yīng)電子化的繼電器，增加了高靈敏性、高速響應(yīng)；從傳感器輸入信號(hào)電平到高頻的控制；從聲音信號(hào)到高頻用途的對(duì)應(yīng)；高可靠性和長(zhǎng)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(jià)電路

圖2 負(fù)載電壓-電流特性的比較

圖3 使用裝置的輸出信號(hào)比較

圖4 開(kāi)路時(shí)的漏電流

PhotoMOS繼電器的動(dòng)作原理
PhotoMOS繼電器的輸出是使用功率MOSFET在輸入輸出間實(shí)現(xiàn)電絕緣 (1,500VAC·1分鐘) 的半導(dǎo)體繼電器。其等價(jià)電路如圖1所示。
動(dòng)作原理是通過(guò)光電元件(太陽(yáng)能電池)將發(fā)光元件 (LED)的光進(jìn)行電壓變換，通過(guò)功率MOSFET的導(dǎo)通、非導(dǎo)通，進(jìn)行負(fù)載控制。

PhotoMOS繼電器的特點(diǎn)
PhotoMOS繼電器具備EMR (有觸點(diǎn)機(jī)械繼電器) 和SSR (無(wú)觸點(diǎn)繼電器) 兩種功能，特點(diǎn)如下文所述。
?可控制微小模擬信號(hào)
晶閘管或光電耦合器及一般的SSR，不能控制數(shù)百mV以下的信號(hào)，但PhotoMOS繼電器閉路時(shí)的偏置電壓極低，因此，即使是對(duì)微小電壓信號(hào)或模擬信號(hào)也可不變形控制(如圖2、3所示)。
?電路板小型化和設(shè)計(jì)容易化
可將發(fā)光元件、光電元件、功率MOSFET集中到一個(gè)封裝中，而且MOSFET的電路門(mén)電極也在封裝中，因此抗干擾或靜電能力較強(qiáng)。另外，內(nèi)置有自身發(fā)電功能的光電元件，所以，不需要外部電源來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。
?用小輸入信號(hào)可控制大負(fù)載
與光電耦合器相比，因增幅率較大，所以可實(shí)現(xiàn)EMR所沒(méi)有的高靈敏度參照表1。
?開(kāi)路時(shí)的漏電流極小
一般的SSR開(kāi)路時(shí)的漏電流大到數(shù)mA，但PhotoMOS繼電器即使施加負(fù)載電壓400V時(shí)，也小得只有1mA以下，見(jiàn)圖4。
?可以適應(yīng)各種負(fù)載控制
電流、電壓通斷范圍較廣，因此，適合繼電器、電機(jī)、燈、螺線(xiàn)管等各種負(fù)載的控制。
?可控制含高頻成分的信號(hào)
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(jié)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(wú)需更換；不發(fā)生電弧(干擾)，無(wú)觸點(diǎn)，因而也無(wú)動(dòng)作聲音。

圖5 電路結(jié)構(gòu)部件的比較

圖6 漏極源極電壓相比泄漏電流的特性

圖7 VGS=-5.0V時(shí)的泄漏耐壓特性

表1 動(dòng)作LED電流和連續(xù)負(fù)載電流的關(guān)系

表2 a觸點(diǎn)型和b觸點(diǎn)型的PhotoMOS繼電器絕對(duì)最大額定比較
*1、f=100Hz、占空比=0.1%
*2、100mesc(1shot)、VL=DC
*3、低溫時(shí)不結(jié)冰。

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

對(duì)B觸點(diǎn)型PhotoMOS繼電器的研制
PhotoMOS繼電器的優(yōu)點(diǎn)已被認(rèn)識(shí)，隨著在信息通信器械、OA器械、FA器械及更廣泛領(lǐng)域中的采用，對(duì)[具有機(jī)械式可構(gòu)成的所有觸點(diǎn)(b點(diǎn)、c點(diǎn))的PhotoMOS繼電器]的研制需求將更加高漲。電路結(jié)構(gòu)部件的比較如圖5所示。
為適應(yīng)這樣的需求，在功率MOSFET形成過(guò)程中使用DSD法(Double-Diffused and Selective Doping Method)，研制出了高耐壓而且低導(dǎo)通電阻的耗盡型功率MOSFET。
該DSD法是在原來(lái)的加強(qiáng)型功率MOSFET制造時(shí)所使用的雙重?cái)U(kuò)散法上，選擇性地組合了擴(kuò)散雜質(zhì)部分的方法，一邊補(bǔ)充系統(tǒng)雜質(zhì)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(shí)，處于低導(dǎo)通電阻(Typ.18Ω)，因而保持良好的導(dǎo)通狀態(tài)，如圖7所示，通過(guò)施加微小的柵極附加電壓，可表現(xiàn)出高耐壓(400V以上)的高絕緣性(低漏泄電流：1mA以下)。
表2、表3是將原來(lái)的a觸點(diǎn)型的PhotoMOS繼電器(AQV214)和b觸點(diǎn)型PhotoMOS繼電器(AQV414)進(jìn)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(yīng)更廣泛的用途。
這種高耐壓、低導(dǎo)通電阻性能本來(lái)是處于交替關(guān)系中，在原來(lái)的增強(qiáng)型功率MOSFET中也需要高技術(shù)，因此，耗盡型功率MOSFET也可以說(shuō)具有劃時(shí)代的性能。
b觸點(diǎn)型PhotoMOS繼電器，是由于搭載了該耗盡型功率MOSFET才得以實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)
如上所述，PhotoMOS繼電器消除了原來(lái)機(jī)械式繼電器所有的“靈敏度差”、“有動(dòng)作噪音”、“開(kāi)閉次數(shù)多減少壽命”等缺點(diǎn)，而且又具備一般SSR所沒(méi)有的高電壓控制、低導(dǎo)通電阻、b觸點(diǎn)電路、AC/DC兼用通電、低泄漏電流等優(yōu)良特性，因此，今后在遠(yuǎn)程通信、通信器械、OA器械、自動(dòng)檢測(cè)、安全與防災(zāi)器械、ME器械、測(cè)量器等方面會(huì)有更大的需求。■