WO2015068194A1 - 半導体駆動装置 - Google Patents

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light emitting
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尊衛 嶋田
庄司　浩幸
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株式会社日立製作所
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    • H03K17/04—Modifications for accelerating switching
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H—ELECTRICITY
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    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0081—Power supply means, e.g. to the switch driver

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor drive device having an insulating property of transmitting a drive signal and drive power of a switching element by light.
  • Patent Document 1 discloses a circuit using an FET. This circuit aims to shorten the turn-on time and turn-off time by discharging the gate capacitance with the FET.
  • Patent Document 2 discloses a circuit using a capacitor. In this circuit, the turn-on time and the turn-off time are shortened by charging the gate capacitance using a capacitor.
  • Patent Document 3 discloses circuits in which the turn-on time is shortened using a voltage on the load side.
  • Patent Document 4 disclose circuits in which the turn-on time is shortened using a voltage on the load side.
  • Patent No. 2521663 gazette Unexamined-Japanese-Patent No. 2-256315
  • Patent No. 2818611 gazette JP-A-8-321762
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor drive device in which both the turn-on time and the turn-off time are short.
  • a first light emitting element emitting light by power input between primary terminals, and a first photovoltaic power generating electricity upon receiving light emitted from the first light emitting element Device and a first photovoltaic array formed by connecting one or more photovoltaic devices and charging a first capacitor, based on the electromotive state of the first photovoltaic device
  • the voltage of the first capacitor is applied between the secondary terminals.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a semiconductor drive device according to a first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the semiconductor drive device of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a semiconductor drive device according to a second embodiment.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a semiconductor drive device according to a first embodiment of the present invention.
  • the semiconductor drive device drives the switching element Q3 connected between the secondary terminals 21 and 22 by the power input between the primary terminals 11 and 12.
  • the semiconductor drive device includes a light emitting element LED1 connected between the primary terminals 11 and 12, a photovoltaic element PD1 which receives a light emitted from the light emitting element LED1, and a plurality of photovoltaic elements. It comprises a photovoltaic leg in which photovoltaic arrays PD21 and PD22 connected in series are connected in series, and a transistor leg in which transistors Q1 and Q2 are connected in series. The photovoltaic leg and the transistor leg are connected in parallel.
  • Capacitors C1 and C2 are connected in parallel to the photovoltaic arrays PD21 and PD22, respectively.
  • the secondary terminals 21 and 22 are between the connection point of the transistors Q1 and Q2 and the connection point of the photovoltaic arrays PD21 and PD22.
  • diodes D1 and D2 are respectively connected in series in a direction to block the current in the opposite direction to the photovoltaic current. Further, the control means 1 is provided to control the on / off states of the transistors Q1 and Q2 based on the electromotive state of the photovoltaic element PD1.
  • a pulse power source E1 is connected between the primary terminals 11 and 12 via a limiting resistor R1.
  • a control terminal (gate) of a switching element (for example, an IGBT element) Q3 is connected to the secondary terminal 21 via a gate resistor Rg, and a reference for the switching element (for example, an IGBT element) Q3 is connected to the secondary terminal 22.
  • the terminal (emitter) is connected.
  • the control means 1 turns off the transistor Q1 and turns on the transistor Q2 when no voltage is generated in the photovoltaic element PD1.
  • a voltage is generated in the photovoltaic element PD1
  • the transistor Q1 is continuously turned off and the transistor Q2 is turned on.
  • the transistor Q1 is turned on and the transistor Q2 is turned off.
  • I1 is the current of the light emitting element LED1
  • V1 is the voltage of the photovoltaic element PD1
  • VC1 is the voltage of the capacitor C1
  • VC2 is the voltage of the capacitor C2
  • V2 is the voltage between the secondary terminals 21 and 22
  • Vge is It represents the gate-emitter voltage of the switching element Q3.
  • ⁇ Q1> and ⁇ Q2> indicate the on / off states of the transistors Q1 and Q2, respectively, and the high level indicates the on state and the low level indicates the off state.
  • Period T0 In the period T0, the current I1 of the light emitting element LED1 does not flow, and the voltage V1 of the photovoltaic element PD1 is not generated. Therefore, the transistor Q1 is in the off state, and the transistor Q2 is in the on state. However, since the capacitors C1 and C2 are not charged, the transistor Q2 may not be able to maintain the on state in practice. No voltage is applied between the secondary terminals 21 and 22 and between the gate and the emitter. Therefore, the switching element Q3 is in the off state. (Period T1) When the current I1 of the light emitting element LED1 flows, the voltage V1 of the photovoltaic element PD1 is generated, and the state of the period T1 is established.
  • the transistor Q1 Since the state before the voltage V1 of the photovoltaic element PD1 occurs, that is, the state of the period T0 is longer than the predetermined period Tth, the transistor Q1 is maintained in the off state and the transistor Q2 is maintained in the on state in the period T1.
  • Photovoltaic power is generated in the photovoltaic arrays PD21 and PD22, and the capacitors C1 and C2 are charged by the photovoltaic current, and the voltages VC1 and VC2 of the capacitors C1 and C2 gradually increase.
  • the voltage of the capacitor C2 is applied between the secondary terminals 21 and 22, and the voltage V2 between the secondary terminals 21 and 22 has the reverse polarity of the voltage VC2 of the capacitor C2.
  • the capacitors C1 and C2 are not charged, but the diodes D1 and D2 cause the backflow of current from the capacitors C1 and C2 to the photovoltaic arrays PD21 and PD22 In order to prevent this, the voltages VC1 and VC2 of the capacitors C1 and C2 are maintained.
  • the voltage V2 between the secondary terminals 21 and 22 has the reverse polarity of the voltage VC2 of the capacitor C2, and the gate-emitter voltage Vge becomes negative. Therefore, the switching element Q3 is maintained in the off state.
  • Period T3 When the current I1 of the light emitting element LED1 flows, the voltage V1 of the photovoltaic element PD1 is generated, and the state of the period T3 is established. Since the state before the voltage V1 of the photovoltaic element PD1 is generated, that is, the state of the period T2 is shorter than the predetermined period Tth, the transistor Q1 is turned on and the transistor Q2 is turned off in the period T3.
  • the voltage VC1 of the capacitor C1 is applied between the secondary terminals 21 and 22, the voltage V2 between the secondary terminals 21 and 22 is applied between the gate and the emitter via the gate resistor Rg, and the gate-emitter capacitance is As it is charged, the gate-emitter voltage Vge is rapidly rising.
  • the switching element Q3 is turned on.
  • the voltage VC1 of the capacitor C1 may temporarily decrease as the charge is discharged, but since the capacitor C1 is charged by the photovoltaic current of the photovoltaic array PD21, the voltage VC1 of the capacitor C1 is gradually Rise and recover.
  • the voltage VC2 of the capacitor C2 is lowered, the capacitor C2 is charged by the photovoltaic current of the photovoltaic array PD22, so the voltage VC2 of the capacitor C2 is also gradually raised and recovered.
  • the transistor Q1 Since the voltage V1 of the photovoltaic element PD1 is not generated, the transistor Q1 is turned off and the transistor Q2 is turned on.
  • the voltage VC2 of the capacitor C2 is applied in reverse polarity between the secondary terminals 21 and 22 and the voltage V2 between the secondary terminals 21 and 22 is applied between the gate and the emitter via the gate resistor Rg, and the gate and the emitter
  • the capacity is discharged, and the gate-emitter voltage Vge drops rapidly. Therefore, the switching element Q3 is turned off. At this time, the voltage VC2 of the capacitor C2 may decrease as the charge is discharged.
  • the capacitors C1 and C2 are charged when a current flows through the light emitting element LED1.
  • the voltage of the capacitor C1 is output in the direction in which the voltage between the secondary terminals 21 and 22 becomes positive to turn on the switching element Q3 and no current flows in the light emitting element LED1
  • the operation is based on the operation of turning off the switching element Q3 by outputting the voltage of the capacitor C2 in the direction in which the voltage between the terminals 21 and 22 becomes negative.
  • the capacitors C1 and C2 are charged while keeping the switching element Q3 in the OFF state, and the capacitors C1 and C2 are sufficiently charged before starting the switching operation of the switching element Q3. Is possible.
  • the gate-emitter capacitance of the switching element Q3 is rapidly charged using the voltage charged in advance to the capacitor C1, the time required to turn on the switching element Q3 is short. It is possible. Further, since the capacitance between the gate and the emitter of the switching element Q3 is rapidly discharged using the voltage charged in advance to the capacitor C2, it is possible to shorten the time required to turn off the switching element Q3.
  • the gate-emitter capacitance of the switching element Q3 is relatively It is possible to discharge quickly, and it is also possible to relatively shorten the time required to turn off the switching element Q3.
  • the semiconductor drive device of Example 1 provided with the photovoltaic array PD22, the diode D2 and the capacitor C2 can be reliably turned off in a shorter time.
  • the present invention can be applied to a switching element in which the threshold voltage of the gate-emitter voltage is negative.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of a semiconductor drive device according to a second embodiment of the present invention.
  • This semiconductor drive device is different from the semiconductor drive device according to the first embodiment in that a light emitting element LED2 for generating the photovoltaic arrays PD21 and PD22 is provided.
  • the light emitting element LED 2 is configured by connecting a plurality of light emitting elements, and is connected between the primary terminals 13 and 14.
  • a DC power supply E2 is connected between the primary terminals 13 and 14 via a limiting resistor R2.
  • the light emitting element LED2 emits light of a wavelength different from the light emitted by the light emitting element LED1. Furthermore, the spectral sensitivity characteristic of the photovoltaic element PD1 is such that the light receiving sensitivity to the wavelength of the light emitted by the light emitting element LED1 is higher than the light receiving sensitivity to the wavelength of the light emitted by the light emitting element LED2. In this way, even in the state where current is supplied to the light emitting element LED2 to light up the capacitors C1 and C2 to charge the capacitors C1 and C2, the generated state of the PD1 that controls the on / off state of the switching element Q3 is not affected.
  • a shield or the like for blocking light incidence may be provided between the light emitting element LED2 and the photovoltaic element PD1 so that light emitted from the light emitting element LED2 does not enter the photovoltaic element PD1.
  • the semiconductor drive device of the second embodiment additionally includes the light emitting element LED2 for charging the capacitors C1 and C2, separately from the light emitting element LED1 for controlling the on / off state of the switching element Q3.
  • the semiconductor drive device of the second embodiment additionally includes the light emitting element LED2 for charging the capacitors C1 and C2, separately from the light emitting element LED1 for controlling the on / off state of the switching element Q3.
  • the switching element Q3 is described as an IGBT in this specification, the switching element Q3 can be realized by a MOSFET.
  • this reference terminal is a source.
  • the light emitting elements LED1 and LED2, the photovoltaic elements PD1 and photovoltaic arrays PD21 and PD22, the transistors Q1 and Q2, the control means 1 and the diodes D1 and D2 can be housed in one package.
  • transmission of a gate signal for controlling the on / off state of the switching element Q3 and transmission of drive power for charging the gate-emitter capacitance can be realized in one package, and a compact semiconductor drive device can be provided. .
  • the distance between the light emitting elements LED1 and LED2 and the photovoltaic elements PD1 and photovoltaic arrays PD21 and PD22 can be increased.
  • the withstand voltage between the light emitting elements LED1 and LED2 and the photovoltaic elements PD1 and photovoltaic arrays PD21 and PD22 can be increased, it is possible to provide a high breakdown voltage semiconductor drive device. Become.
  • LED1, LED2 ... light emitting elements PD1 ... photovoltaic element, PD21, PD22 ... photovoltaic array, Q1, Q2 ... transistor, Q3 ... switching element, D1, D2 ... diodes, C1, C2 ... capacitor, E1 ... pulse power supply, E2: DC power supply, R1, R2: limiting resistance, Rg: gate resistance, 1: control means, 10 to 14: primary terminal, 21 to 22: secondary terminal.

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Abstract

ターンオン時間とターンオフ時間の両方が短い半導体駆動装置を提供する。 本発明の半導体駆動装置は，１次端子間に入力した電力により発光する発光素子と，発光素子が放出した光を受けて起電する光起電力素子と，一つ又は複数の光起電力素子を接続して成り，かつコンデンサを充電する光起電力アレイとを備え，光起電力素子の起電状態に基づいて，コンデンサの電圧を２次端子間に印加する構成を備えることを特徴とする。

Description

半導体駆動装置
　本発明は、スイッチング素子の駆動信号と駆動電力を光で伝達する絶縁性を備えた半導体駆動装置に関する。
　近年，電力変換機器には小型化，高効率化が求められており，ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子を用いた電源装置が開発されている。このような電源装置では，制御系から絶縁しつつスイッチング素子を駆動しなければならない場合があり，光起電力素子を用いてスイッチング素子を駆動する方法が，従来から広く検討されている。
　しかしながら，光起電力素子の光起電流によりスイッチング素子のゲート容量を充電してターンオンし，放電抵抗によりスイッチング素子のゲート容量を放電してターンオフする方法では，ゲート容量の充放電に要する時間が長くなり，ターンオン時間やターンオフ時間が長くなりやすいという課題がある。
　そこで，〔特許文献１〕には，ＦＥＴを用いた回路が開示されている。この回路では，ＦＥＴによりゲート容量を放電することで，ターンオン時間とターンオフ時間を短くすることを目的としている。
　また，〔特許文献２〕には，コンデンサを用いた回路が開示されている。この回路では，コンデンサを用いてゲート容量を充電することで，ターンオン時間とターンオフ時間を短くしている。
　他にも，〔特許文献３〕，〔特許文献４〕に，負荷側の電圧を用いてターンオン時間を短くした回路が開示されている。
特許第２５２１６６３号公報 特開平２－２５６３１５号公報 特許第２８１８６１１号公報 特開平８－３２１７６２号公報
　しかしながら，従来の〔特許文献１〕に記載された回路では，光起電力素子の光起電流によりスイッチング素子のゲート容量を充電してターンオンするため，ターンオン時間を更に短くすることが難しいという課題があった。
　また，従来の〔特許文献２〕に記載された回路では，放電抵抗によりスイッチング素子のゲート容量を放電してターンオフするため，ターンオフ時間を更に短くすることは，やはり難しいという課題があった。
　また，〔特許文献３〕，〔特許文献４〕に記載された回路では，負荷側の電圧により適用範囲が制限されるという課題があった。
　本発明の目的は，ターンオン時間とターンオフ時間の両方が短い半導体駆動装置を提供することである。
　前記目的を達成するために本発明は，１次端子間に入力した電力により発光する第１の発光素子と，第１の発光素子が放出した光を受けて起電する第１の光起電力素子と，一つ又は複数の光起電力素子を接続して成り，かつ第１のコンデンサを充電する第１の光起電力アレイとを備え，第１の光起電力素子の起電状態に基づいて，第１のコンデンサの電圧を２次端子間に印加することを特徴とする。
　本発明によれば，ターンオン時間とターンオフ時間の両方が短い半導体駆動装置を提供することが実現できる。
実施例１の半導体駆動装置の回路構成図。 実施例１の半導体駆動装置の動作を説明する図。 実施例２の半導体駆動装置の回路構成図。
　以下，本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は，本発明の実施例１による半導体駆動装置の回路構成図である。この半導体駆動装置は，１次端子１１，１２間に入力した電力により，２次端子２１，２２間に接続されたスイッチング素子Ｑ３を駆動する。
　この半導体駆動装置は，１次端子１１，１２間に接続された発光素子ＬＥＤ１と，この発光素子ＬＥＤ１が放出した光を受けて起電する光起電力素子ＰＤ１と，複数の光起電力素子を接続して成る光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２を直列接続した光起電力レッグと，トランジスタＱ１，Ｑ２を直列接続したトランジスタレッグを備えている。この光起電力レッグとトランジスタレッグは並列に接続されている。
　光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２には，コンデンサＣ１，Ｃ２がそれぞれ並列接続されている。トランジスタＱ１，Ｑ２の接続点と，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２の接続点との間を２次端子２１，２２間としている。
　光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２には，これらの光起電流と逆向きの電流を阻止する向きにダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ直列接続されている。また，光起電力素子ＰＤ１の起電状態に基づいてトランジスタＱ１，Ｑ２のオンオフ状態を制御する制御手段１を備えている。
　１次端子１１，１２間には，制限抵抗Ｒ１を介してパルス電源Ｅ１が接続されている。また，２次端子２１にはゲート抵抗Ｒｇを介してスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ素子）Ｑ３の制御端子（ゲート）が接続され，２次端子２２にはスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ素子）Ｑ３の基準端子（エミッタ）が接続されている。
　制御手段１は，光起電力素子ＰＤ１に電圧が生じていない場合には，トランジスタＱ１をオフ状態，トランジスタＱ２をオン状態にする。一方，光起電力素子ＰＤ１に電圧が生じている場合には，光起電力素子ＰＤ１に電圧が生じる前の状態が所定の期間よりも長い場合は引き続きトランジスタＱ１をオフ状態，トランジスタＱ２をオン状態にし，光起電力素子ＰＤ１に電圧が生じる前の状態が所定の期間よりも短い場合はトランジスタＱ１をオン状態，トランジスタＱ２をオフ状態にする。
　以下，図２を用いて本実施例の半導体駆動装置の動作を説明する。図２において，Ｉ１は発光素子ＬＥＤ１の電流，Ｖ１は光起電力素子ＰＤ１の電圧，ＶＣ１はコンデンサＣ１の電圧，ＶＣ２はコンデンサＣ２の電圧，Ｖ２は２次端子２１，２２間の電圧，Ｖｇｅはスイッチング素子Ｑ３のゲート－エミッタ間電圧を表している。また，＜Ｑ１＞，＜Ｑ２＞は，それぞれトランジスタＱ１，Ｑ２のオンオフ状態を示しており，ハイレベルがオン状態，ローレベルがオフ状態を表している。
（期間Ｔ０）
　期間Ｔ０では，発光素子ＬＥＤ１の電流Ｉ１が流れておらず，光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１は生じていない。したがって，トランジスタＱ１はオフ状態，トランジスタＱ２はオン状態である。ただし，コンデンサＣ１，Ｃ２が充電されていないため，実際にはトランジスタＱ２はオン状態を維持できない場合がある。２次端子２１，２２間，ゲート－エミッタ間には電圧が印加されていない。したがって，スイッチング素子Ｑ３はオフ状態である。
（期間Ｔ１）
　発光素子ＬＥＤ１の電流Ｉ１が流れると，光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じ，期間Ｔ１の状態になる。光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じる前の状態，すなわち期間Ｔ０の状態が所定の期間Ｔｔｈよりも長いため，期間Ｔ１では引き続きトランジスタＱ１はオフ状態，トランジスタＱ２はオン状態を維持している。光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２には光起電力が生じ，この光起電流によりコンデンサＣ１，Ｃ２が充電され，コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２は徐々に上昇していく。２次端子２１，２２間にはコンデンサＣ２の電圧が印加され，２次端子２１，２２間の電圧Ｖ２はコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２の逆極性となる。この２次端子２１，２２間の電圧Ｖ２がゲート抵抗Ｒｇを介してゲート－エミッタ間に電圧が印加され，ゲート－エミッタ間電圧Ｖｇｅは負となる。したがって，スイッチング素子Ｑ３は引き続きオフ状態を維持する。
（期間Ｔ２）
　発光素子ＬＥＤ１の電流Ｉ１が流れなくなり，光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じなくなると，期間Ｔ２の状態になる。光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じていないため，トランジスタＱ１はオフ状態，トランジスタＱ２はオン状態である。光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２には光起電力が生じなくなるため，コンデンサＣ１，Ｃ２は充電されなくなるが，ダイオードＤ１，Ｄ２が，コンデンサＣ１，Ｃ２から光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２への電流の逆流を阻止するため，コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２は維持されている。２次端子２１，２２間の電圧Ｖ２はコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２の逆極性となり，ゲート－エミッタ間電圧Ｖｇｅは負となる。したがって，スイッチング素子Ｑ３はオフ状態を維持する。
（期間Ｔ３）
　発光素子ＬＥＤ１の電流Ｉ１が流れると，光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じ，期間Ｔ３の状態になる。光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じる前の状態，すなわち期間Ｔ２の状態が所定の期間Ｔｔｈよりも短いため，期間Ｔ３ではトランジスタＱ１がオン状態，トランジスタＱ２がオフ状態になる。２次端子２１，２２間にはコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１が印加され，この２次端子２１，２２間の電圧Ｖ２がゲート抵抗Ｒｇを介してゲート－エミッタ間に印加され，ゲート－エミッタ間容量が充電されて，ゲート－エミッタ間電圧Ｖｇｅが急速に上昇している。
　したがって，スイッチング素子Ｑ３はターンオンする。このとき，コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１は，電荷の放電に伴い一時的に低下することがあるが，光起電力アレイＰＤ２１の光起電流によりコンデンサＣ１が充電されるため，コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１は徐々に上昇し回復していく。また，コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が低下している場合には，光起電力アレイＰＤ２２の光起電流によりコンデンサＣ２が充電されるため，コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２も徐々に上昇し回復していく。
（期間Ｔ４）
　発光素子ＬＥＤ１の電流Ｉ１が流れなくなり，光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じなくなると，期間Ｔ４の状態になる。光起電力素子ＰＤ１の電圧Ｖ１が生じていないため，トランジスタＱ１はオフ状態，トランジスタＱ２はオン状態になる。２次端子２１，２２間にはコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が逆極性に印加され，この２次端子２１，２２間の電圧Ｖ２がゲート抵抗Ｒｇを介してゲート－エミッタ間に印加され，ゲート－エミッタ間容量が放電されて，ゲート－エミッタ間電圧Ｖｇｅが急速に下降している。したがって，スイッチング素子Ｑ３はターンオフする。このとき，コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２は，電荷の放電に伴い低下することがある。また，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２には光起電力が生じず，ダイオードＤ１，Ｄ２が，コンデンサＣ１，Ｃ２から光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２への放電を阻止する。
（期間Ｔ５）（期間Ｔ６）
　期間Ｔ５，Ｔ６の動作は，それぞれ期間Ｔ３，Ｔ４の動作と同様であり，以降，期間Ｔ３，Ｔ４と同様の動作を繰り返している。
　以上のように，本実施例の半導体駆動装置では，発光素子ＬＥＤ１に電流が流れるとコンデンサＣ１，Ｃ２が充電される。発光素子ＬＥＤ１に電流が流れると２次端子２１，２２間の電圧が正になる向きにコンデンサＣ１の電圧を出力してスイッチング素子Ｑ３をオン状態にし，発光素子ＬＥＤ１に電流が流れないと２次端子２１，２２間の電圧が負になる向きにコンデンサＣ２の電圧を出力してスイッチング素子Ｑ３をオフ状態にする動作を基本としている。
　ただし，発光素子ＬＥＤ１に電流が流れない期間が所定の期間Ｔｔｈより長い場合には，次に発光素子ＬＥＤ１に電流が流れても２次端子２１，２２間の電圧が負になる向きにコンデンサＣ２の電圧を継続して出力し，スイッチング素子Ｑ３をオフ状態に保つ。これにより，本実施例の半導体駆動装置では，スイッチング素子Ｑ３をオフ状態に保ちつつコンデンサＣ１，Ｃ２を充電し，コンデンサＣ１，Ｃ２を十分に充電してからスイッチング素子Ｑ３のスイッチング動作を開始することが可能である。
　このように，本実施例の半導体駆動装置では，予めコンデンサＣ１に充電した電圧を用いて，スイッチング素子Ｑ３のゲート－エミッタ間容量を急速に充電するため，スイッチング素子Ｑ３のターンオンに要する時間を短くすることが可能である。また，予めコンデンサＣ２に充電した電圧を用いて，スイッチング素子Ｑ３のゲート－エミッタ間容量を急速に放電するため，スイッチング素子Ｑ３のターンオフに要する時間も短くすることが可能である。
　もっとも，光起電力アレイＰＤ２２，ダイオードＤ２，コンデンサＣ２を省略し，トランジスタＱ２のコレクタ－エミッタ間を２次端子２１，２２間に変更しても，スイッチング素子Ｑ３のゲート－エミッタ間容量を比較的速く放電することは可能であり，スイッチング素子Ｑ３のターンオフに要する時間も比較的短くすることが可能である。しかしながら，光起電力アレイＰＤ２２，ダイオードＤ２，コンデンサＣ２を備えた実施例１の半導体駆動装置は，より短い時間で確実にターンオフすることが可能である。また，ゲート－エミッタ間電圧のしきい値が負のスイッチング素子にも適用が可能である。
　図３は，本発明の実施例２による半導体駆動装置の回路構成図である。この半導体駆動装置は，実施例１による半導体駆動装置と比較して，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２を起電するための発光素子ＬＥＤ２を備えた点が異なっている。発光素子ＬＥＤ２は，複数の発光素子を接続して構成され，１次端子１３，１４間に接続されている。１次端子１３，１４間には，制限抵抗Ｒ２を介して直流電源Ｅ２が接続されている。
　この実施例２の半導体駆動装置では，発光素子ＬＥＤ２は，発光素子ＬＥＤ１が放出する光とは異なる波長の光を放出するようにしている。さらに，光起電力素子ＰＤ１の分光感度特性は，発光素子ＬＥＤ１が放出する光の波長に対する受光感度が，発光素子ＬＥＤ２が放出する光の波長に対する受光感度よりも高くなるようにしている。このようにすることにより，コンデンサＣ１，Ｃ２を充電するために発光素子ＬＥＤ２に電流を流して点灯させた状態においても，スイッチング素子Ｑ３のオンオフ状態を制御するＰＤ１の起電状態に影響を与えず，発光素子ＬＥＤ１の電流によりスイッチング素子Ｑ３のオンオフ状態を制御することが可能になる。もちろん，発光素子ＬＥＤ２が放出する光が光起電力素子ＰＤ１に入射しないように，発光素子ＬＥＤ２と光起電力素子ＰＤ１との間に光入射遮断用のシールド等を備えてもよい。
　このように実施例２の半導体駆動装置では，スイッチング素子Ｑ３のオンオフ状態を制御する発光素子ＬＥＤ１とは別に，コンデンサＣ１，Ｃ２を充電する発光素子ＬＥＤ２を新たに備えた。これにより，スイッチング素子Ｑ３のオン時間比率が低い場合にも，コンデンサＣ１，Ｃ２を十分に充電することが可能になり，安定にスイッチング素子Ｑ３のオンオフ状態を制御することができる。
　以上，本発明の半導体駆動装置の実施例について説明した。本明細書ではスイッチング素子Ｑ３をＩＧＢＴとして説明したが，スイッチング素子Ｑ３はＭＯＳＦＥＴでも実現できる。スイッチング素子Ｑ３がＭＯＳＦＥＴの場合，この基準端子はソースとなる。
　また，発光素子ＬＥＤ１，ＬＥＤ２，光起電力素子ＰＤ１，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２，トランジスタＱ１，Ｑ２，制御手段１，ダイオードＤ１，Ｄ２は，１つのパッケージに納めることができる。これにより，スイッチング素子Ｑ３のオンオフ状態を制御するゲート信号の伝達と，ゲート－エミッタ間容量を充電する駆動電力の伝達をワンパッケージで実現でき，小型な半導体駆動装置を提供することが可能になる。
　また，発光素子ＬＥＤ１，ＬＥＤ２としてレーザー光を放出する発光素子を用いれば，発光素子ＬＥＤ１，ＬＥＤ２と，光起電力素子ＰＤ１，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２との間の距離を長くすることができる。これにより，発光素子ＬＥＤ１，ＬＥＤ２と，光起電力素子ＰＤ１，光起電力アレイＰＤ２１，ＰＤ２２との間の耐電圧を高くすることができるため，高耐圧な半導体駆動装置を提供することが可能になる。
　ＬＥＤ１，ＬＥＤ２…発光素子、
ＰＤ１…光起電力素子、
ＰＤ２１，ＰＤ２２…光起電力アレイ、
Ｑ１，Ｑ２…トランジスタ、
Ｑ３…スイッチング素子、
Ｄ１，Ｄ２…ダイオード、
Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ、
Ｅ１…パルス電源、
Ｅ２…直流電源、Ｒ１，Ｒ２…制限抵抗、Ｒｇ…ゲート抵抗、１…制御手段、１０～１４…１次端子、２１～２２…２次端子。

Claims (13)

  1. （基本構成）
    　１次端子間に入力した電力により発光する第１の発光素子と，前記第１の発光素子が放出した光を受けて起電する第１の光起電力素子と，一つ又は複数の光起電力素子を接続して成り，かつ第１のコンデンサを充電する第１の光起電力アレイと，を備え，前記第１の光起電力素子の起電状態に基づいて，前記第１のコンデンサの電圧を２次端子間に印加することを特徴とする半導体駆動装置。
  2. （負電圧も生成）
    　請求項１の半導体駆動装置において，
    一つ又は複数の光起電力素子を接続して成り，かつ第２のコンデンサを充電する第２の光起電力アレイを備え，前記第１の光起電力素子の起電状態に基づいて，前記第２のコンデンサの電圧を前記２次端子間に印加することを特徴とする半導体駆動装置。
  3. （発光で正出力し消灯で負出力，または逆）
    　請求項２において，前記２次端子は第１の２次端子と第２の２次端子から成り，前記第１の発光素子の発光に基づいて前記第１の２次端子に前記第２の２次端子より高い電圧を出力し，前記第１の発光素子の消灯に基づいて前記第１の２次端子に前記第２の２次端子より低い電圧を出力することを特徴とする半導体駆動装置。
  4. （直前の消灯期間の長さにより，ドライブするか充電のみか判定）
    　請求項２または３の半導体駆動装置において，前記第１の発光素子が所定の期間よりも短い消灯期間の後に発光した場合は前記第１のコンデンサの電圧を前記２次端子間に印加し，前記第１の発光素子が前記所定の期間よりも長い消灯期間の後に発光した場合は引き続き前記第２のコンデンサの電圧を前記２次端子間に印加することを特徴とする半導体駆動装置。
  5. （充電用LED搭載）
    　請求項２～４に記載されたいずれかの半導体駆動装置において，
    発光することにより前記第１，第２の光起電力アレイを起電する第２の発光素子を備えたことを特徴とする半導体駆動装置。
  6. （信号用LEDと充電用LEDで波長が異なる）
    　請求項５の半導体駆動装置において，前記第２の発光素子は，前記第１の発光素子が放出する光の波長と異なる波長の光を放出することを特徴とする半導体駆動装置。
  7. （信号用PDと充電用PDの受光波長が異なる）
    　請求項６の半導体駆動装置において，前記第１の光起電力素子の分光感度特性は，前記第１の発光素子が放出する光の波長に対する受光感度が，前記第２の発光素子が放出する光の波長に対する受光感度よりも高いことを特徴とする半導体駆動装置。
  8. 　請求項５～７のいずれかの半導体駆動装置において，
    前記第２の発光素子が放出する光が前記第１の光起電力素子に入射しない構造を備えたことを特徴とする半導体駆動装置。
  9. （回路接続）
    　１次端子間に入力した電力により２次端子間に接続されたスイッチング素子を駆動する半導体駆動装置において，
    　１次端子間に接続された第１の発光素子と，前記第１の発光素子が放出した光を受けて起電する第１の光起電力素子と，一つ又は複数の光起電力素子を接続して成る第１の光起電力アレイと第２の光起電力アレイを直列接続した光起電力レッグと，第１のトランジスタと第２のトランジスタを直列接続し，かつ前記光起電力レッグに並列接続したトランジスタレッグと，前記第１の光起電力アレイに並列接続した第１のコンデンサと，前記第２の光起電力アレイに並列接続した第２のコンデンサと，前記第１の光起電力素子の起電状態に基づいて前記第１，第２のトランジスタのオンオフ状態を制御する制御手段とを備え，
    前記第１の光起電力アレイと前記第２の光起電力アレイの接続点と，前記第１のトランジスタと前記第２のトランジスタの接続点との間を前記第２次端子間としたことを特徴とする半導体駆動装置。
  10. （充電用LED搭載）
    　請求項９の半導体駆動装置において，
    発光することにより前記第１，第２の光起電力アレイを起電する第２の発光素子を備えたことを特徴とする半導体駆動装置。
  11. （逆流防止ダイオードあり）
    　請求項９または１０の半導体駆動装置において，
    前記第１，第２の光起電力アレイのそれぞれに，前記第１，第２の光起電力アレイの光起電流と逆向きの電流を阻止する向きに直列接続された第１，第２のダイオードを備えたことを特徴とする半導体駆動装置。
  12. （ワンパッケージ化）
    　請求項１１の半導体駆動装置において，
    前記第１，第２の発光素子と，前記第１の光起電力素子と，前記第１，第２の光起電力アレイと，前記第１，第２のトランジスタと，前記制御手段と，前記第１，第２のダイオードと，をワンパッケージに納めたことを特徴とする半導体駆動装置。
  13. （レーザー光で長距離・高耐圧化）
    　請求項１～１１のいずれかの半導体駆動装置において，
    前記第１の発光素子が放出する光をレーザー光としたことを特徴とする半導体駆動装置。
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