Brevet FR2518851A1 — publié le 19830624

La présente invention concerne un circuit de commande destiné à être utilisé avec un premier dispositif de commutation à diode commandée du type comprenant un bloc de semiconducteur ayant une partie de volume de résis- tivité relativement élevée, et une première région d'un pre- mier type de conductivité et de résistivité relativement faible, et des seconde et troisième régions d'un second type de conductivité, opposé au premier type de conductivi- té, les première et troisième régions étant connectées à une borne de sortie du premier dispositif de commutation, la seconde région étant connectée à une borne de commande du dispositif de commutation, et les première, seconde et troi- sième régions étant mutuellement séparées par des parties du volume du bloc de semiconducteur, et un second dispositif de commutation à diode commandée-ayant le même type et prati- quement les mêmes caractéristiques électriques que le pre- mier dispositif de commutation, avec une borne de sortie du second dispositif de commutation connectée à la borne de commande du premier dispositif de commutation. Le brevet U S 4 250 409 décrit un circuit de com- mande destiné à commander l'état de dispositifs de commutation à l'état solide à haute tension et capables d'acheminer un courant relativement élevé, tels que les dispositifs de commutation à diode commandée (encore appelés GDS) qui sont décrits dans l'article intitulé "A 500 V Monolithic Bidirec- tional 2 x 2 Crosspoint Array," 1980 IEEE International Solid- State Circuits Conference-Digest of Technical Paperspages- et 171 Comme l'indique le brevet précité, des problèmes spéciaux apparaissent dans la commande des dispositifs GDS du fait qu'il est nécessaire de fournir un courant élevé à la porte, ou d'absorber un courant élevé-provenant de la por - te, pour commuter le dispositif à l'état bloqué Le circuit de commande comprend un nombre modéré de transistors et un élément limiteur de courant Un problème qui se pose avec-ce circuit de commande consiste en ce-que des niveaux de cou- rant relativement indésirables sont injectés dans les dispo- sitifs de commutation de charge et dans les circuits qui leur sont associés, du fait de variations dans le limiteur de courant. Il est souhaitable de disposer d'un circuit qui remplisse la même fonction de base que le circuit de comman- de décrit ci-dessus, mais qui ne nécessite pas de limiteur de courant et dont la réalisation nécessite moins de compo- sants et une aire de silicium plus réduite. Conformément à l'invention, ces problèmes sont résolus dans un circuit de commande tel que celui décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte des troisième et-quatrième dispositifs de commutation, comportant chacun une borne de commande et des première et seconde bornes de sortie; le circuit de commande est capable de fournir du courant au second dispositif de commutation jusqu'à un - niveau de courant présélectionné; la borne de commande du troisième dispositif de commutation et une première borne de sortie du quatrième dispositif de commutation sont connectées à une première borne d'entrée du circuit de com- mande; une seconde borne de sortie du quatrième dispositif de commutation est connectée à une première borne de sortie du second dispositif de commutation; la borne de commande du quatrième dispositif de commutation et la première borne de sortie du troisième dispositif de commutation sont connec- tées ensemble et sont connectées à une seconde borne du cir- cuit de commande; et une -seconde borne de sortie du troisiè- me dispositif de commutation est connectée à la borne de commande du second dispositif de commutation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant au dessin annexé qui représente ce mode de réalisa- tion de l'invention. L'invention porte sur un circuit de commande uti- lisé avec un dispositif de commutation de commande (GDSC) qui est connecté par une borne de sortie à la borne de com- mande d'un dispositif de commutation de charge semblable (GDSL 1 ou GDSL 2) Chacun des dispositifs de commutation de commande et de charge comporte une borne de commande et des première et seconde bornes de sortie Dans un mode de réali- sation préféré, ces dispositifs de commutation sont des dis- positifs de commutation à diode commandée dont les bornes de sortie sont l'anode et la cathode et dont la borne de com- mande est la porte Le circuit de commande de l'invention comprend essentiellement deux dispositifs de commutation (Q 2 et Q 3), et chacun d'eux comporte une borne de commande et des première et seconde bornes de sortie Dans un mode de réalisation, les premier et second dispositifs de commuta- tion sont des transistors bipolaires de type p-n-p La base de Q 2 et l'émetteur de Q 3 sont connectés ensemble à une borne d'entrée L'émetteur de Q 2 et la base de Q 3 sont connectés à une borne commune Le collecteur de Q 3 est connecté à l'anode de GDSC et le collecteur de Q 2 est con- necté à la porte de GDSC Q 2 et Q 3 ont essentiellement pour fonction de commander l'état de GDSC. On va maintenant considérer la figure i qui représente un système de commutation 10 comprenant un cir- cuit de commande 12 (à l'intérieur du plus grand cadre rec- tangulaire) qui est connecté par une borne de sortie 34 aux portes d'une paire de dispositifs de commutation à diode commandée, GDSL 1 et GDSL 2, qui sont des dispositifs de char- ge (série) à haute tension L'anode de GDSL 1 et la cathode de GDSL 2 sont connectées à une borne XO et à une première borne d'une résistance R 3 Une seconde borne de R 3 est connectée à une borne 36 ainsi qu'à une source de potentiel Vi L'anode de GDSL 2 et la cathode de GDSL 1 sont connectées à une borne YO et à une première borne d'une résistance R 4. Une seconde borne de R 4 est connectée à une borne 38 et à une source de potentiel V 2 La combinaison de GDSL 1 et GDSL 2 fonctionne à la manière d'un dispositif de commutation bidirectionnel qui assure une conduction sélective entre les bornes XO et YO, par l'intermédiaire d'un chemin à résistan- ce relativement faible passant par GDSL 1 ou GDSL 2 A titre d'exemple, on supposera que ces dispositifs de commutation sont des dispositifs de commutation à diode commandée Le circuit de commande 12 applique les potentiels nécessaires sur les bornes 34 et XO et il fournit les potentiels nécessaires ainsi que les possibilités nécessaires en ce qui concerne le courant débité ou absorbé, pour commander les états de GDSL 1 et GDSL 2. On sait qu'un dispositif de commutation à diode commandée (GDS) comprend un bloc de semiconducteur ayant une partie de volume qui est d'un premier type de conducti- vité, et qui a une résistivité relativement élevée, une région d'anode du premier type de conductivité et de résis- tivité relativement faible, et des régions de porte, ou d'électrode de commande, et de cathode, d'un second type de conductivité opposé au premier type de conductivité Les régions d'anode et de cathode sont connectées à des bornes de sortie du dispositif de commutation La région de porte est connectée à une borne de commande du dispositif de com- mutation Les régions d'anode, de porte et de cathode sont mutuellement séparées par des parties du volume du bloc de semiconducteur Dans l'état conducteur, la conduction entre les régions de cathode et d'anode s'effectue par double injection de porteurs, formant un plasma conducteur On fait passer le dispositif à l'état bloqué en appliquant une ten- sion suffisante à la région de porte pour appauvrir en por- teurs la partie de volume comprise entre les régions d'ano- de et de cathode. Le circuit de commande 12 comprend essentiellement un dispositif de commutation à haute tension GDSC, une pre- mière branche de circuit de tension 14 (représentée dans un- rectangle en trait mixte), et une seconde branche de circuit de tension 16 (représentée dans un autre rectangle en trait mixte) A titre d'exemple, on considère que GDSC est un dispositif de commutation à diode commandée La branche de circuit 14 maintient sélectivement GDSL 1 et GDSL 2 à l'état conducteur de façon que l'un ou l'autre des dispositifs GDSL puisse conduire si les potentiels sur ses bornes d'ano- de et de cathode sont suffisants pour assurer la conduction, ou elle peut interdire la conduction dans les deux disposi- tifs de commutation de charge en maintenant ces derniers à l'état bloqué, ou elle peut interrompre le courant qui cir- cule dans GDSL 1 et/ou GDSL 2, dans le cas de la circulation d'un courant relativement faible dans ces dispositifs (c'est-à-dire que l'un des dispositifs GDSL est commuté à l'état bloqué) La branche de circuit 16 a essentiellement pour fonction de commuter GDSL 1 et GDSL 2 à l'état bloqué et elle contribue donc à interrompre la circulation d'un cou- rant relativement élevé entre les bornes XQ et YO, indé- pendamment des potentiels appliqués à ces bornes, à condi- tion que-ces potentiels soient compris dans des limites pré- sélectionnées. La branche de circuit 14 comprend des transistors p-n-p Qi, Q 2 et Q 3, un transistor n-p-n Q 4 et des résistan- ces Ri et R 2 Une borne d'entrée VIN 18 est connectée à une première borne de Ri Une seconde borne de Ri est connectée aux bases de Qi et Q 2, à l'émetteur de Q 3 et à une borne 20. L'émetteur de QI est connecté à une première borne de R 2 et à une borne 22 Une seconde borne de R 2 est connectée à l'émetteur de Q 2, à la base de Q 3 et à une borne 26 qui est connectée à une alimentation V++ Le collecteur de Q 1 est connecté à la base de Q 4 et à une borne 24 Le collecteur de Q 2 est connecté à la porte de GDSC et à uneborne 28 Le collecteur de Q 3 est connecté à l'anode de GDSC et à une borne 30 L'émetteur de Q 4 est connecté à XO et le collec- teur de Q 4 est connecté aux portes de GDSL 1 et GDSL 2,-à la cathode de GDSC et à la borne de sortie 34. La branche de circuit 16 comprend essentiellement une diode D 1 dont la cathode est connectée à la borne 30 et dont l'anode est connectée à une borne 32 ainsi qu'à une alimentation V+ De façon caractéristique, l'alimentation V+ correspond à un potentiel moins positif que celui de l'alimentation V++. Le fonctionnement de base du système 10 est le suivant: en supposant que GDSL 1 et GDSL 2 ne soient pas conducteurs et que la tension appliquée sur la borne d'en- trée 18 soit un " 1 " (ce qui correspond de façon caractéris- tique à un niveau plus positif de 2,5 volts que V++), Q 1, Q 2 et Q 4 sont alors polarisés au blocage et Q 3 est polarisé à l'état conducteur GDSC est polarisé à l'état conducteur du fait que son anode (borne 30) est à un potentiel proche de V++, et que la borne de porte est de façon caractéristi- que à un potentiel flottant, au niveau de V++ ou à un niveau moins positif Les courants de fuite de GDSL 1 et GDSL 2 peuvent circuler à partir de la borne 18, en passant par le circuit émetteur-collecteur de Q 3 et le circuit ano- de-cathode de GDSC, vers les portes de GDSL 1 et GDSL 2 Un niveau de potentiel approximativement égal à celui de V++ apparaît sur la borne 34 GDSL 1 et GDSL 2 sont polarisés au blocage et ne peuvent pas conduire de courant. En supposant maintenant que VIN commute de " 1 " à " O " (un niveau de tension " O " est de façon caractéristique moins positif de 2,2 volts que V++), Q 1, Q 2 et Q 4 sont main- tenant polarisés à l'état conducteur et Q 3 est polarisé au blocage Lorsque Q 1 devient polarisé à l'état conducteur, 2518-851 le potentiel de la porte de GDSC (borne 28) augmente jusqu'à environ V++ Le potentiel de l'anode de GDSC (borne ), qui était également à environ V+ +, commence à diminuer du fait que GDSC et Q 4 sont tous deux conducteurs Les potentiels de l'anode et de la cathode de GDSC diminuent jusqu'à ce qu'ils soient inférieurs d'environ 20 volts au potentiel de la porte de GDSC, puis ce dernier se bloque. Ainsi, du fait que Q 4 est conducteur, la borne 34 continue à se décharger vers le potentiel de la borne XO. On va maintenant supposer que Vi est à + 200 volts et que V 2 est au potentiel de la masse, tandis que V++ = + 315 volts et V+ = + 275 volts Lorsque la borne 34 se décharge jusqu'à un potentiel situé approximativement à + 20 volts par rapport au potentiel de la borne XO, GDSL 1 devient conducteur et provoque une décharge rapide de la borne 34 jusqu'à un potentiel approximativement égal à celui de la borne XO GDSL 1 est ainsi conducteur et conduit le courant de la borne XO vers la borne YO D'autre part, si le potentiel de Vi était de + 200 volts et si le poten- tiel de V 2 devenait celui de la masse, GDSL 2 deviendrait conducteur et conduirait le courant de la borne YO vers la borne XO. En présence d'un courant qui circule par GDSL 1 ou GDSL 2, on suppose maintenant -que VIN est commutée de " O " à " 1 " Qi, Q 2 et Q 4 sont alors commutés au blocage et Q 3 est commuté à l'état conducteur Initialement, la porte de GDSC (borne 28) est approximativement à V++, et l'anode (borne 30) est à un potentiel inférieur d'environ 20 volts. Ceci fait que GDSC est dans un état bloqué Le potentiel de l'anode de GDSC commence alors à augmenter vers V++ et GDSC devient conducteur Les potentiels de l'anode, de la cathode et de la porte de GDSC commencent alors à diminuer du fait que du courant est débité vers le dispositif de commutation à diode commandée de charge (GDSL 1 ou GDSL 2)qui est à l'état conducteur La porte (borne 28) de GDSC est 251885 1 maintenue à environ 0,7-volt au-dessous de l'anode (borne 30) de GDSC, du fait que ce dernier conduit Lorsque le potentiel de l'anode de GDSC tombe à environ une chute de tension de diode au-dessous du niveau de potentiel de V+, D 1 devient conductrice et fournit un courant important qui est dirigé par GDSC vers la borne 34 et la porte de GDSL 1 ou GDSL 2. Le potentiel de V+ (borne 32) et le courant qui est appliqué à la porte de GDSL 1 ou GDSL 2 sont tous deux présélectionnés de façon à être suffisants pour interrompre la circulation du courant dans le dispositif de commutation de charge à diode commandée qui conduit, et donc pour blo- quer ce dernier Lorsque GDSL 1 ou GDSL 2 se bloque, le cou- rant qui entre par la porte de ce dispositif est notablement réduit Ceci permet au potentiel de la borne 30 de s'élever approximativement jusqu'au niveau de V++, et donc de polari- ser en inverse D 1 Ceci interrompt toute circulation de cou- rant à partir de V+. Si le niveau du courant qui circule dans GDSL 1 ou GDSL 2 est suffisamment faible, le courant relativement modé- ré qui circule dans Q 3 et pénètre dans GDSC est suffisant pour interrompre la circulation du courant dans GDSL 1 ou GDSL 2, et le potentiel de la borne 30 ne tombe pas suffisam- ment pour polariser en direct D 1. La combinaison des transistors Q 2 'et Q 3 commande GDSC et commande au moins en partie l'état de GDSL 1 et GDSL 2, de façon relativement indépendante de V+, de D 1 et de la combinaison de Q 1 et Q 4, ces derniers étant équiva- lents aux transistors correspondants du brevet U S. 4 250 409. R 3 et R 4 ont pour fonction de limiter le courant qui peut circuler dans GDSL 1 et/ou GDSL 2, et de permettre à la différence de potentiel entre les bornes XO et YO d'avoir une valeur caractéristique d'environ 2,2 volts lorsque GDSL 1 ou GDSL 2 est débloqué et conduit. On a fabriqué et testé le système de commutation 10 et on a trouvé qu'il fonctionnait parfaitement On a fabri- qué l'ensemble du circuit de commande 12 et de GDSL 1 et GDSL 2 sur un seul substrat de semiconducteur, en utilisant une isolation diélectrique Le circuit fabriqué comportait également une seconde paire de dispositifs de commutation de charge à diode commandée, avec deux transistors supplé- mentaires semblables à Q 1 et Q 4 La cathode de GDSC de ce circuit fabriqué était connectée aux anodes d'une paire de diodes supplémentaires (non représentées) qui sont simi- laires aux diodes correspondantes représentées sur la figure 4 du brevet U S 4 250 409. Le circuit fabriqué avait les caractéristiques suivantes: V++ = + 315 volts, V+ = + 275 volts, V 1 = 200 volts, V 2 = 200 volts, R 1 = 18 kiloohms, R 2 _= 10 kiloohms, VIN l'11 ' = + 317,5 volts, VIN "O" = + 312, 8 volts et GDSC, GDSL 1 et GDSL 2 avaient tous la structure de base décrite dans l'article intitulé "A 500 V Monolithic Bidirectional 2 x 2 Crosspoint Array," 1980 IEEE International Solid- State Circuits Conference-Digest of Technical Papers, pages 170 et 171. Les modes de réalisation décrits ici sont destinés à illustrer les principes généraux de l'invention Diverses modifications peuvent être réalisées sans sortir du cadre de l'invention Par exemple, les transistors bipolaires Q 1, Q 2, Q 3 et Q 4 pourraient être des transistors à effet de champ ou d'autres types de dispositifs de commutation capables d'accepter des tensions relativement élevées et des courants modérés De plus, on peut remplacer Dl par un transistor ou un autre dispositif de commutation On peut en outre interca- lérentre D 1 et l'alimentation V+ des dispositifs de commuta- tion actionnés de façon électrique ou optique, comme il est représenté sur la figure 4 du brevet U S 4 250 409 De plus, avec des fuites approximativement égales pour GDSC et GDSL 1 et/ou GDSL 2, on pourrait supprimer R 2, Q 1 et Q 4 et le circuit 14 continuerait à fonctionner On pourrait également brancher un limiteur de courant ou un élément similaire entre la borne 34 et les bornes XO ou YO, ou à une alimentation négative, et on pourrait supprimer R 2, Q 1 et Q 4 On pourrait également remplacer GDSC et/ou GDSL 1 et/ou GDSL 2 par des dispositifs de commutation autres que des dispositifs de commutation à diode commandée De tels dispositifs de commu- tation seraient caractérisés en ce qu'ils exigent l'applica- tion d'une tension de commande élevée sur une borne de com- mande, et l'application d'un courant dirigé vers la borne de -commande pour interrompre (couper) la conduction entre leurs bornes de sortie. REVENDICATIONS 1 Circuit de commande destiné à être utilisé avec un premier dispositif de commutation à diode-commandée (GDSL 1) du type comprenant un bloc de semiconducteur ayant une partie de volume de résistivité relativement élevée, et une première région d'un premier type de conductivité et de résistivité relativement faible, et des seconde et troisième régions d'un second type de conductivité, opposé au premier type de conductivité, les première et troisième régions étant connectées à des bornes de sortie (XO, YO) du premier dispositif de commutation, la seconde région étant connectée à une borne de commande ( 34) du dispositif de commutation, les première, seconde et troisième régions étant mutuelle- ment séparées par des parties du volume du bloc de semicon- ducteur, et un second dispositif de commutation à diode commandée (GDSC) ayant le même type et pratiquement les mêmes caractéristiques électriques que le premier dispositif de commutation, avec une borne de sortie du second disposi- tif de commutation connectée à la borne de commande ( 34) du premier dispositif de commutation, caractérisé en ce qu'il comporte des troisième (Q 2) et quatrième (Q 3) dispositifs de commutation, ayant chacun une borne de commande et des pre- mière et seconde bornes de sortie; le circuit de commande est capable de fournir du courant au second dispositif de commutation, jusqu'à un niveau de courant présélectionné; la borne de commande ( 20) du troisième dispositif de commu- tation et une première borne de sortie du quatrième disposi- tif de commutation sont connectées à une première borne d'entrée ( 18) du circuit de commande; une seconde borne de sortie ( 30) du quatrième dispositif de commutation est connectée à une première borne de sortie du second disposi- tif de commutation (GDSC); la borne de commande ( 26) du quatrième dispositif de commutation et la première borne de sortie du troisième dispositif de commutation (Q 2) sont connectées ensemble et sont connectées à une seconde borne (V++) du circuit de commande; et une seconde borne de sor- tie ( 28) du troisième dispositif de commutation est connectée à la borne de commande du second dispositif de commutation. 2 Circuit de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une branche de circuit ( 16 > est connec-. tée au second dispositif de commutation et est capable de fournir au second dispositif de commutation un niveau de courant notablement supérieur au niveau présélectionné, si et seulement si le niveau du courant qui entre dans le second dispositif de commutation atteint le niveau présélec- tionné; il existe des cinquième (Qi) et sixième (Q 4) dis- positifs de commutation, chacun d'eux ayant une borne de commande et des première et seconde bornes de sortie et étant capable de fonctionner à une tension relativement éle- vée; la borne de commande ( 20) du cinquième dispositif de commutation est connectée à la borne de commande du troisiè- me dispositif de commutation, la seconde borne de sortie du cinquième dispositif de commutation est connectée à la borne de commande ( 24) du sixième dispositif de commutation, et la première borne de sortie du cinquième dispositif de commuta- tion est connectée à la borne de commande ( 26) du quatrième dispositif de commutation; la première borne de sortie du sixième dispositif de commutation est connectée à l'une des bornes de sortie (XO) du premier dispositif de commutation,- et la seconde borne de sortie du sixième dispositif de commutation est connectée à la seconde borne de sortie ( 34) du second dispositif de commutation (GDSC) - 3 Circuit de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des premier (Rl) et second (R 2) éléments à résistance, ayant chacun une première borne et une seconde borne; la première borne du premier-élément à résistance est connectée à la première borne d'entrée (VIN) du circuit de commande; la seconde borne ( 20) du pre- mier élément à résistance est connectée aux bornes de com- mande des troisième (Q 2) et cinquième (Ql) dispositifs de commutation et à la première borne de sortie du quatrième (Q 3) dispositif de commutation; la première borne ( 22) du second élément à résistance est connectée à la première borne de sortie du cinquième dispositif de commutation;-et la seconde borne ( 26) du second élément à résistance est connectée à la première borne de sortie du troisième dispo- sitif de commutation et à la borne de commande du quatrième dispositif de commutation. 4 Circuit de commande selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier et second dispositifs de commutation sont adaptés, par leur structure,à un fonction- nement à tension élevée et à courant relativement élevé; les troisième, quatrième, cinquième et sixième dispositifs de commutation sont adaptés, par leur structure, à un fonctionnement à tension élevée et à courant modéré; et les premier et second éléments à résistance sont des premiè- re et seconde résistances.