Brevet FR2574232A1 — publié le 19860606

"Circuit intégré monolitique, protégé à l'égard d'une inversion de polarité". L'invention part d'un circuit intégré mono- litique, protégé à l'égard d'une inversion de polarité, comportant un étage de commutation à transistor pour la mise en et hors circuit d'une résistance de charge. On connait des circuits protégés à l'égard d'une inversion de polarité qui utilisent un transistor de commutation dans le circuit de sortie duquel est utilisée une diode. La base du transistor de commutation est reliée à un circuit de commande qui rend conducteur le transistor ou le bloque. Le circuit col1ecteur-émetteur du transistor de commutation et la diode relient les bornes de sortie qui sont reliées entre elles par exemple par le circuit en série d'une lampe à incandescence et d'une batterie. Si la polarité de la batterie est inversée par inadvertance, la diode qui se trouve dans le circuit de sortie du transistor de commutation se bloque. Si l'on réalise cette diode, dans un circuit intégré monolithique, par une diode collecteurbase, on pourrait, avec cette diode, bloquer une tension maximale correspondant à la tension de claquage collecteur-base. Dans le cas o la batterie a sa polarité correcte et o le transistor de commutation est bloqué, avec ce circuit com- portant le transistor, on ne peut bloquer qu'une tension maximale correspondant à la tension de claquage collecteur- émetteur qui, comme on le sait, est notablement inférieure à la tension de claquage collecteur-base. En particulier, pour emploi dans les véhicules o des crêtes élevées de tension peuvent survenir dans le réseau de bord, on ne connait jusqu'ici aucun étage de commutation à transistor intégré monolithique qui soit protégé de façon sûre à l'égard d'une tension transitoire élevée et à l'égard d'une inversion de polarité. Le circuit conforme à l'invention caracté- risé en ce quedans le circuit de sortie de l'étage de commutation à transistor on utilise un thyristor symétrique, constitué d'un transistor npn vertical et d'un transistor pnp latéral et dont l'électrode de commande est reliée à des moyens de commutation pour amorcer et maintenir bloqué le thyristor, présente par contre l'avantage que l'on peut exécuter, A co t favorable, l'étage de commutation à tran- sistor sous forme de circuit intégré monolithique protégé de façon sûre à i'égard des crêtes élevées de tension et à l'égard d'une inversion de polarité. L'emploi d'un thyristor symétrique au lieu de la diode habituelle par ailleurs permet de bloquer des tension notablement plus élevées pouvant atteindre plus de 140 V. Il est ici particulièrement avantageux que l'émetteur du thyristor soit formé de la même zone de diffusion que la base de son transistor npn. Dans cette technologie, la tension de blocage - c'est-A-dire la tension de claquage entre le support du collecteur et le substrat - est notablement supérieure A la tension de claquage collecteur-base. L'électrode de commande du thyristor est reliée A des moyens de commutation qui bloquent le thyristor en cas de surtension. En cas d'inversion de polarité, il y a blocage de la diode émetteur-base du transistor pnp latéral appartenant au thyristor. D'autres extensions et améliorations avan- tageuses du circuit mentionné ci-dessus sont possibles grâce aux caractéristiques énumérées ci-dessous: - l'électrode de commande du thyristor est reliée à l'émetteur d'un second transistor pnp dont le collecteur est relié au collecteur-de l'étage de commutation à transitor et dont la base est reliée, par au moins une diode Z, à l'émetteur de l'étage de commutation à transistor et, par l'intermédiaire d'une autre résistance, à l'électrode de commande; et l'électrode de commande est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance, à une première borne qui, dans le cas normal, se trouve à potentiel positif par rapport à une seconde borne reliée à l'émetteur de l'étage de com- mutation à transistor. - la base du second transistor pnp est reliée, par l'intermédiaire de deux diodes montées en série, à la seconde borne; au point de liaison entre les deux diodes sont reliées deux résistances en amont de la base respecti- vement reliées à la base d'un transitor correspondant; les collecteurs de ces deux transistors sont respectivement reliés à la base d'un transistor de l'étage de commutation à transistor conçu sous forme de circuit Darlington; et leurs émetteurs sont reliés à la seconde borne elle-même reliée, par l'intermédiaire d'une résistance à l'une des connexions des résistances en amont de la base. Les éléments de commutation servant de moyen de commutation et reliés à l'électrode de commande du thy- ristor comprennent principalement deux diodes Z-(diodes Zener) et d'autres transistors qui, en cas de surtension, mettent en court-circuit les circuits base-émetteur des transistors à haut gain de l'étage de commutation à tran- sistor et du thyristor. Tous les éléments de commutation peuvent s'intégrer, de façon monolythique, dans des pro- cessus plans simples, ce qui fait que l'on obtient un circuit qui peut se fabriquer dans un faible encombrement et à coût favorable. On explique en détail ci-dessous l'invention à l'aide des dessins: - la figure 1 représente un circuit connu avec protection à l'égard d'une inversion de polarité, - la figure 2 représente un circuit conforme à l'invention, - la figure 3 représente une extension du circuit représenté sur la figure 2, - la figure 4 représente une exécution avec- étage de commutation à transistor exécuté sous forme de circuit Darlington et - la figure 5 représente une variante du circuit représenté sur la figure 4. Le circuit représenté sur la figure 1 comporte, comme étage de commutation à transistor, un transistor npn T1 dont le collecteur est relié à la cathode d'une diode D1. L'anode de la diode D1 est reliée à une borne de sortie A. L'émetteur du transistor T1 est relié à une seconde borne de sortie B reliée par ailleurs, par l'intermédiaire d'une résistance R1, à la base du transistor T1. La borne-du transistor T1 reliée à la base forme l'entrée de commande S, le transistor T1 devenant conducteur ou se bloquant selon que la tension correcte se trouve à cette entrée. Entre les bornes A, B est relié le circuit de série-constitué d'une résistance de charge R2 et d'une batterie UB. Si, au raccordement, on échange entre elles les bornes A et B, de sorte qu'il y a à la borne A un potentiel plus négatif qu'à la borne B, la diode D1 bloque. Dans un circuit intégré monolithique, la diode D1 serait formée par une diode intégrée à transistor à émetteur ouvert, de sorte que l'on pourrait bloquer une tension d'environ 100 V correspondant à la tension de claquage collecteur-base. Si par contre, comme représenté sur le dessin, la borne A est positive par rapport à la borne B, alors le transistor T1, à l'état non conducteur, ne peut bloquer qu'une tension maximale correspondant à la tension de claquage collecteur- émetteur qui, comme on le sait, est notablement inférieureà la tension de claquage collecteur-base. Si, par contre, comme représenté sur le dessin, la borne A est positive par rapport à la borne B, alors le transistor T1, à l'état non conducteur, ne peut bloquer qu'une tension maximale correspondant à la tension de claquage collecteur-émetteur qui, comme on le sait, est notablement inférieure à la tension de claquage collecteur- base. La tension declaquage collecteur-émetteur est d'environ 40V. Pour accroître notablement les valeurs limites des tensions de blocage mentionnées, conformément au circuit représenté sur la figure 2,au lieu de la diode Dl, on emploie un thyristor symétrique T constitué d'un transistor npn T20 et d'un transistor pnp latéral T21. L'émetteur du transistor npn T20 y est relié au collecteur du transistor de commutation Ti, tandis que l'émetteur de transistor pnp T21 est relié à la borne A. La base du tran- sistor P21 est reliée au collecteur du transistor T21 et forme l'électrode de commande reliée à une borne de commande C. Le collecteur du transistor T20 est relié à la base du transistor T21. Ce schéma de remplacement pour le thyristor T correspond directement à l'exécution d'un thyristor en technique intégrée monolithique. Il y est important que le transistor T21 soit d'exécution symétrique. Ceci signifie que sa transition pn émetteur-base bloque à-peu-près pour la même valeur de tension que sa transition collecteur-base. Emetteur et collecteur du transistor T21 sont donc constitués par la diffusion de la base du transitor T20. Le circuit de commande ST, relié à l'entrée de commande S, représente un circuit, connu en soi, de pilotage d'un transistor de commutation, ce pour quoi on n'explique pas en détail ce circuit. Le circuit représenté sur la figure 3 est, par rapport à celui de la figure 2, complété par des moyens de commutation qui, essentiellement, pilotent l'électrode de commande du thyristor T par l'intermédiaire de la borne C. Il est en outre prévu un transistor supplémentaire T31 qui, en présence de surtensions côté sortie, devient conducteur et bloque le transistor TI. De façon plus précise, en présence de fortes surtensions de sorties, la diode T31 devient conductrice, de sorte qu'il apparait à la résistance R35 une tension positive qui rend conducteur le transistor T31 par l'intermédiaire de la résistance R31. On explicite, à l'aide de la figure 4, les autres éléments de commutation du circuit représenté sur la figure 3. Le circuit représenté sur la figure 4 repré- sente la forme d'exécution préférée. Avec ce circuit, on peut bloquer des tensions transitoires, dans les deux sens de polarité, allant jusqu'à plus de 140 V, sans incident. Comme étage de commutationson utilise ici un circuit Darlington de deux transistors T10 ET T11. La base du transistor T10 est reliée au circuit de commande ST. La réssitance base-émetteur R1 de la figure 1 et de la figure 2 est ici remplacée par deux transistors T31 et T32. Sur la plage normale de tension de travail du circuit, ces deux transistors T3I, T32 sont sans courant, de sorte qu'il suffit d'un faible courant du circuit de commande ST pour amener les transistors TiO et Tll dans la zone de saturation. Entre le collecteur commun du circuit Darlington et la borne A se trouve le thyristor qui est constitué des deux transistors T20 et T21 et dont l'électrode de commande est reliée à la borne A par l'intermédiaire d'une résistance R21. A la borne A est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance de charge R2 qui représente,par exemple, une lampe à incandescence, le pôle plus d'une source de tension UB. Son pôle moins est relié à la seconde borne B. Les autres moyens de commutation sont néces- saires pour interrompre le courant qui passe dans le circuit en cas de surtension et pour décaler le circuit existant entre les bornes A et B dans un état "fortement bloqué". Dans ce but, la borne C est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance R31, d'une diode Z D30 et d'une autre diode Z D31, à la borne B. Le point de liaison entre la résistance R30 et la diode Z D30 se trouve à la base d'un autre tran- sistor pnp T30 dont l'émetteur est relié à la borne de commande C et dont le collecteur est relié à l'émetteur du transistor T20. Le point deliaison des deux diodes Z D30 et D31 est relié d'une part, par l'intermédiaire d'une résistance R31, à la base du transistor T31 et d'autre part, par l'intermédiaire d'une autre résistance R32, à la base du transistor T32 dont la base est simultanément reliée aussi, par l'intermédiaire d'une résistance R33, à la borne B. Le collecteur du transistor T32 est relié à l'émetteur du transistor T10 et son émetteur est relié à la borne B. De plus, entre la base et l'émetteur du transistor T21 est encore mise en circuit une résistance R34 pour que le thyristor T20, T21 ne soit pas amorcé par les courants qui s'écoulent de la base du transistor T21. Ces courants pourraient apparaitre par suite de capacités parasites dans le cas de fronts d'ondes de tension de vitesse élevée de modification. Sur la plage normale de tension de travail de la source de tension UB, le circuit seion figure 4 fonctionne comme suit: Supposons tout d'abord que le circuit de commande ST n'envoie pas de courant dans la base du tran- sistor TIO de sorte que ce transistot T10 et le transistor Tll restent sans courant. De ce faitl'ensemble du circuit reste sans courant de sorte qu'il ne passe pas de courant à travers la résistance de charge R2. Une lampe à incan- descence éventuellement utilisée comme résistance de charge reste donc éteinte. Sicpar contrele circuit de commande ST envoie un courant suffisamment important dans la base du circuit Darlington T10, Tll, celuici passe en saturation. Depuis le pôle plus de la batterie un courant passe tout d'abord, par l'intermédiaire des réssitances R2, R21, vers la borne C du thyristor constitué des deux transistors T20 et T21. Le transistor T20 devient conducteur et le thyristor est amorcé. Un courant régulier d'exploi- tation passe dans la résistance de charge R2, de sorte que la lampe à incandescence, utilisée comme résistance de charge, s'allume. Simaintenant on déconnecte le courant d'entrée du circuit Darlington T1O, Tli d'avec le circuit de commande'ST, le circuit Darlington devient à nouveau sans courant et la lampe s'éteint. Si une surtension apparait, la mise hors circuit du circuit de la figure 4 se fait comme suit: Dans le cas normal, la borne A est plus positive que la borne B. Si la tension de la batterie UB croît au-delà de la plage normale de la tension d'exploi- tation, alors l'intensité d'exploitation qui passe à- travers la résistance de charge R2 croit également, de sorte que le circuit Darlington T10, Tll sort de la zone de saturation. A partir de maintenant, la tension continue à croitre avec la tension d'exploitation entre le collecteur du transistor T10 et la borne B. Si le collecteur arrive à un potentiel qui correspond à la tension de claquage de diode Z D30, alors un courant passe de la borne A vers la borne B en passant par les résistances R21, R30 et la diode Z30 et la résistance R31 et en passant par le circuit base-émetteur du transitor T31. Le transistor T31 devient conducteur, passe dans la zone de saturation et enlève alors au transitor T10 son courant pilote. Le circuit Darlington T10, Tll et le thyristor T deviennent sans courant. Si, maintenant la tension continue à croître, un courant pilote s'écoule aussi, par l'intermédiaire de la base du transistor T32, en direction de l'émetteur, de sorte que le transitor T32 passe également dans la zone de saturation et que la base du transistor Tll est alors reliée à son émetteur par un circuit faiblement ohmique. Le transistor pnp T30 devient également conducteur et relie l'électrode de commande du thyristor T à l'émetteur du transistor T20 par un circuit faiblement ohmique. De ce fait, pour tous les transistors à gain élevé TlO, Tll, T20, la base est reliée à l'émetteur par un circuit très fai- blement ohmique. Ces transistors atteignent la tension de blocage maximale possible. Dans le cas du transistor latéral T21, la base et l'émetteur sont reliés par l'inter- médiaire de la résistance R34. Au lieu de la résistance R34, on peut également utiliser un autre transistor latéral dont la base est alors reliée, par l'intermédiaire d'une résis- tance, à un point approprié de division de la chaine résis- tante R21, R30. La tension collecteur-émetteur maximale possible au circuit Dalington T1O, Tll est limitée à un valeur donnée par la forme des tensions de claquage des diodes Z D30 et D31. Si on réalise ce circuit sous forme de circuit intégré monolithique, alors on peut choisir la tension de claquage de la diode Z D30 approximativement égale à la tension de claquage collecteurémetteur du circuit Darlington TlO, Tll, ou en dessous. Pour la tension de claquage de la diode de Z D31, il-faut que la somme des tensions de claquage des deux diodes Z D30, D31 soit toujours, de façon sure inférieure à la tension de claquage collecteur- base du circuit Dalington T1O, Tll. Avec le circuit représenté sur la figure 4, on peut donc maitriser des surtensions au voisinage de la valeur double de la tension de claquage collecteur-base d'un transistor. Selon chaque fois les conditions concernant la stabilité de blocage et la vitesse de modification du front d'onde de tension, on peut simplifier ce circuit. C'est ainsi que l'on peut remplacer le transistor T32 et la résistance R32 et R33 par une résistance simple placée entre la base et l'émetteur du transistor TII. En cas d'inversion de polarité - polarité erronée aux bornes A,B - le circuit selon figure 4 travaille comme suit: La borne A est négative par rapport à la borne B, de sorte que les diodes Z D31, D30 sont montées dans le sens du courant. C'est donc pratiquement la tota- lité de la tension que l'on a au diviseur de tension cons- titué des résistances R30, R2i, tension qui se répartit en fonction de la structure du diviseur sur le transistor latéral T30 et la résistance R21. La résistance R34 envoie un-courant supplémentaire vers le substrat qui toutefois, peut être maintenu suffisamment petit. En cas d'inversion de polarité, ce circuit bloque aussi bien une tension de même valeur que pour la polarité correcte, du fait que la diode émetteur -base du transistor T21 peut se charger au-delà de la tension de claquage collecteur-base d'un transistor npn. Dans l'implantation du circuit, il faut disposer sans potentiel le support de la résistance R21 et R30. On peut toutefois éviter cette condition au-moyen d'une diode placée entre la borne A et la résistance R21. Il est avantageux que le circuit de commande ST soit conçu de façon à limiter le courant qui passe par les transistors T10, Tll à une valeur qui suffise à l'ex- ploitation de la résistance de charge R2. Grâce au circuit représenté sur la figure 4, on peut maitriser, avec une technologie monolithique d'un coût favorable, des tensions transitoires maximales, d'en- viron 150V, qui se présentent dans un réseau de bord non protégé d'un véhicule. Dans le cas du détail de circuit représenté sur la figure 5, au lieu de la résistance R33 utilisée sur la figure 4, on utilise une résistance R35 montée en paral- lèle avec la diode Z D31. Dans cette forme d'exécution, en cas de montée correspondante de la tension, les transistors T31 et T32 bloquent simultanément. REVENDICATIONS 1 ) Circuit intégré monolithique, protégé à l'égard d'une inversion de polarité, comportant un étage de commutation à transistor pour la mise en et hors circuit d'une résistance de charge, caractérisé en ce quedans le circuit de sortie de l'étage de commutation à transistor (T1),on utilise un thyristor (T) symétrique, constitué d'un transistor npn vertical (T20) et d'un transistor pnp latéral (T21) et dont l'électrode de commande est reliée à des moyens de commutation pour amorcer et maintenir bloqué le thyristor (T). 2 ) Circuit selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le collecteur du transistor npn vertical (T20) est formé de la même zone de diffusion que la base du transistor npn latéral (T21). 3 ) Circuit selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'électrode de commande du thyristor (T) est reliée à l'émetteur d'un second transistor pnp (T30) dont le collecteur est relié au collecteur de l'étage de commutation à transistor (T1; T1O, Tll) et dont la base est reliée, par au moins une diode Z (D30), à l'émetteur de l'étage de commutation à transistor(T1; T10, Tll) et, par l'intermédiaire d'une autre résistance (R30-), à l'électrode de commande; et en ce que l'électrode de commande est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance (R21), à une première borne (A) qui, dans le cas normal, se trouve à potentiel positif par rapport à une seconde borne (B) reliée à l'émetteur de l'étage de commutation à transistor (T1; TO10, Tll). 4 ) Circuit selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la base du second transistor pnp (T30) est reliée, par l'intermédiaire de deux diodes Z (D30, D31) montées en série, à la seconde borne (B); en ce qu'au point de liaison entre les deux diodes Z (D30, D31) sont reliées deux résistances en amont de la base (R31, R32) respecti- vement reliées à la base d'un transistor correspondant (T31, T32); en ce que les collecteurs de ces deux transistors (T31, T32) sont respectivement rel.iés à la base d'un transistor (TlO; Tll) de l'étage de commutation à tran- sistor conçu sous forme de circuit Darlington; et en ce que leurs émetteurs sont reliés à la seconde borne (B) elle- même reliée, par l'intermé diaire d'une résistance (R33; R35), à l'une des connexions des résistances en amont de la base (R31, R32).