Brevet FR2594570A1 — publié le 19870821

i La présente invention concerne un dispositif de commutation à semiconducteur, y compris son circuit de commande, pour fournir de façon contrôlable une haute tension d'alimentation à une charge électrique. Plus particulièrement, l'invention concerne un circuit d'alimentation d'interface dans lequel un circuit de commande à basse tension est placé hors de la puce d'alimentation mais est ali- menté par un régulateur de tension contenu dans la puce d'alimen- tation séparée. Les circuits d'alimentation d'interface ("PIC") classiques sont utiles pour appliquer une haute tension d'alimentation à une charge électrique d'une manière contrôlable. Ces dispositifs sont désignés dans le commerce sous les noms commerciaux "ChipSwitch" et "PVR" par le cessionnaire de la présente demande de brevet. Les circuits d'alimentation d'interface comprennent une borne de commande, telle que la "gâchette" d'un thyristor ou la "base" d'un transistor bipolaire de puissance. Des circuits de commande de différentes formes ont été proposés pour fournir des signaux de com- mutation aux bornes de commande des dispositifs de commutation. Les circuits de commande peuvent fournir également différentes formes de conditionnement d'alimentation, telles qu'une augmentation du temps de mise sous tension de l'alimentation fournie d'une absence de charge à une pleine charge d'une manière graduelle, un contrôle du déclenchement de passage par zéro, une suppression de déclenche- ment due à des surtensions ou l'équivalent. Une approche classique pour mettre en oeuvre un circuit PIC a consisté à intégrer à la fois une structure de commutation d'ali- mentation et son circuit de commande associé dans le même corps de puce. Les dispositifs PIC de ce type sont quelquefois appelés des circuits intégrés CI d'alimentation "prompts", en raison de l'inclu- sion de circuits de commande souvent compliqués dans la puce d'ali- mentation. Actuellement, la quantité d'intelligence qui peut être inté- grée dans un dispositif d'alimentation est limitée pour des raisons à établir dans la suite.L'invention fournit une technique grâce à la- quelle on peut incorporer une quantité importante d'intelligencedans un dispositif PIC au moyen de procédés bien établis et économiques. La capacité de résistance à une tension d'un commutateur de puissance, intégré ou non, est une de ses caractéristiques les plus importantes. C'est particulièrement vrai dans des environnements bruyants, tels qu'on les rencontre dans des applications industriel- les et de l'automobile, o des tensions transitoires sont tout à fait communes. Dans un circuit PIC monolithique, toutes les fonc- tions d'intelligence et de commande doivent avoir la même capacité de résistance à la tension que l'unité de commutation de puissance, ou d'autres techniques de tamponnage et d'isolement spéciales doi- vent être mises en oeuvre pour protéger effectivement ces fonctions de commande de la partie à haute tension de la matrice. Ces techni- ques augmentent les dimensions de matrice et les coûts de traitement. Puisque cette tension est normalement supérieure à 30 ou volts, les techniques de fabrication traditionnelles, bien éta- blies et économiques qui sont normalement mises en oeuvre pour réa- liser des circuits et des microprocesseurs ne peuvent pas être uti- lisées pour un circuit PIC "intelligent". On doit mettre en oeuvre d'autres techniques de fabrication qui exigent de grandes quantités de surface de matrice de silicium pour intégrer la plupart des fonc- tions de base. Ces techniques ont un rendement intrinsèquement fai- ble. Cela entraine la limitation de la quantité d'intelligence qui peut faire partie du commutateur de puissance. En conséquence, un but de la présente invention est de four- nir un commutateur de puissance dans lequel on puisse incorporer un haut degré d'intelligence à faible coût. Un autre but de l'invention est de fournir un commutateur de puissance qui puisse être fabriqué par des techniques de fabrica- tion bien établies ayant un haut rendement de fabrication. Un autre but est de fournir un commutateur de puissance uti- lisant une quantité minimale de surface de l'ensemble de la puce - tout en contenant un circuit de commande ayant un haut degré d'intelligence. Selon l'invention, un circuit PIC est constitué. d'une puce de commande à basse tension et d'une puce d'alimentation en haute tension contenues dans le même bottier et, de préférence, sur le même substrat de montage ou sur le même support de conducteurs. Les puces sont fabriquées séparément l'une de l'autre. La puce d'alimentation en haute tension comprend un dispositif de commutation de puissance déclenchable périodiquement pour fournir par commutation une haute tension d'alimentation à une charge élec- trique. On entend par "haute tension" des tensions considérablement supérieures à environ 5 volts, qui est la tension conventionnelle- ment utilisée pour commander une puce de microprocesseur. La haute tension a une amplitude utilisée généralement dans les maisons et les usines et elle pourrait être égale, par exemple, à 120 volts ou à 220 volts en courant alternatif. Un moyen pour engendrer une basse tension réglée à partir de la haute tension qui est appliquée à la puce d'alimentation est inclus dans la puce d'alimentation de l'invention. On entend par "basse tension" la tension généralement utilisée pour alimenter des puces de microprocesseur, typiquement de 5 volts en courant alterna- tif. D'autres moyens sont prévus pour appliquer la basse tension ré- glée à un conducteur d'alimentation d'entrée de la puce de commande. En conséquence, la puce de commande à basse tension est alimentée par la puce d'alimentation en haute tension. Des moyens sont égale- ment prévus pour connecter un conducteur de commande de sortie de la puce de commande au dispositif de commutation de puissance. Le circuit PIC de l'invention peut incorporer un haut degré "d'intelligence", puisqu'on peut fabriquer la puce de commande à basse tension par des techniques de fabrication à haute densité. La puce de commande à basse tension peut être constituée par une puce de microprocesseur standard ou un autre dispositif qui peut être fabri- qué en mettant en oeuvre des techniques bien établies. Le coût d'en- semble du circuit PIC est bas car le dispositif de commande à basse tension n'est pas nécessairement fabriqué avec une capacité de ré- sistance à une haute tension ou autrement tamponné spécialement par des techniques d'isolement de la partie à haute tension du circuit PIC, comme dans les circuits PIC de l'art antérieur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente inven- tion seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 est un schéma fonctionnel d'un circuit PIC selon la présente invention; la Figure 2 est un schéma fonctionnel des différents dispo- sitifs contenus dans la puce d'alimentation en haute tension repré- sentée dans le commutateur de puissance de la Figure 1; la Figure 3 est une vue semblable à celle de la Figure 2 représentant un autre dispositif qui peut être inclus dans la puce d'alimentation représentée sur la Figure 1; et les Figures 4A-4C sont des schémas de circuit de différents régulateurs de tension qui peuvent être incorporés dans la puce d'alimentation de la Figure 1. On va se référer maintenant aux dessins dans lesquels les mêmes références numériques indiquent les mêmes éléments, et o on a représenté sur la Figure 1 un circuit d'alimentation d'interface ("PIC") PIC 10 selon la présente invention. Le circuit PIC 10 com- prend un circuit intégré CI ou puce d'alimentation en haute tension 12 et un circuit CI de commande à basse tension 14. Les circuits CI 12 et 14 peuvent être montés sur un substrat commun ou dans dif- férents bottiers. Le circuit CI d'alimentation 12 comprend un dis- positif de commutation de puissance tel qu'un transistor bipolaire intégral, un thyristor ou un dispositif de commutation à transistor à effet de champ à métal-oxyde-semiconducteur MOSFET (non représenté) capable de fournir par commutation de la puissance à une paire de bornes de commutation principales 14',15 à partir d'une source de haute tension d'alimentation (non représentée) qui applique une haute tension à une ligne à haute tension 16. Un régulateur de tension 18 qui est capable de produire une ou plusieurs basses tensions réglées à partir de la haute tension appliquée à la ligne 16, par exemple, est inclus dans la puce d'ali- mentation 12. La tension réglée,VREG, est appliquée à des conduc- teurs d'alimentation d'entrée 20 du circuit CI de commande à basse tension 14 pour fournir une puissance de fonctionnement au circuit CI de commande. La tension réglée peut être à 5 ou à 15 volts, à titre d'exemple, selon les exigences de tension d'alimentation du circuit CI de commande 14. Le régulateur de tension 18 peut être réalisé sous diverses formes dont plusieurs sont expliquées en détail dans la suite. Le circuit CI de commande 14 comprend une ou plusieurs li- gnes de sorties de commande 22 qui sont connectées à la puce d'ali- mentation 12. Comme on l'a indiqué plus clairement dans la vue détaillée de la Figure 2, un signal sur une ligne de commande 22 est traité par un tampon 24 avant d'être appliqué à une porte26 de commutateur de puissance 28. Les dispositifs 24, 26 et 28 sont re- présentés par des lignes en traits interrompus pour la clarté de la représentation. Le tampon 24 peut être un dispositif à haute im- pédance d'entrée, par exemple, qui empêche la puce d'alimentation 12 d'exercer une influence sur le signal présent sur la ligne de commande 22. Le dispositif de commutation de puissance 28 peut être constitué, par exemple, d'un thyristor, d'un transistor bipolaire de puissance, ou d'un transistor à effet de champ à métal-oxyde- semiconducteur (MOSFET) de puissance. Un dispositif qui peut uti- lisé comme dispositif de commutation de puissance 28 est le transis- tor à effet de champ à semiconducteur à sortie bidirectionnelle (BOSFET), qui est défini et revendiqué dans la demande de brevet des E.U.A. en attente no de série 581 785, déposée le 21 février 1985 et cédée au présent cessionnaire. La borne de commande 26 du dispositif de commutation de puissance 28 est appelée une "porte", mais elle est destinée à être interprétée largement de manière à être synonyme de la "base" d'un transistor bipolaire de puissance, par exemple. En se référant à nouveau à la Figure 1, on voit qu'une ou plusieurs lignes d'état 30 peuvent être prévues entre la puce d'ali- mentation 12 et le circuit CI de commande 14. Les lignes d'état 30 contiennent des informations relatives aux états de la puce d'ali- mentation 12, tels de température. En réponse aux informations d'état présentes sur les lignes d'état 30, le circuit CI de commande 14 réagit aux informations d'état et détermine des informations de com- mande appropriées à fournir à la puce d'alimentation sur les lignes de commande de sortie 22. Sur la Figure 3, par exemple, si un cap- teur de température 32 contenu dans la puce d'alimentation 12 dé- tecte que la puce d'alimentation a une température qui augmente vers un niveau supérieur à une valeur donnée, le circuit CI de commande 14 pourrait réagir en réduisant le temps de mise sous tension du dispositif de commutation de puissance 28 contenu dans la puce d'alimentation 12. Sur la Figure 1, le circuit CI de commande à basse tension 14 peut inclure une ou plusieurs entrées logiques 34. De cette manière, le circuit CI de commande 14 peut recevoir des signaux de directive d'une source extérieure (non représentée), de sorte que tout le commutateur de puissance 10 soit sensible à cette source extérieure. Le circuit CI de commande à basse tension 14 peut être constitué d'une puce de microprocesseur de faible coût ou d'une puce à intégration à très grande échelle (VLSI), à titre d'exemple. Ces dispositifs peuvent être réalisés par des techniques de fabrication bien établies qui fournissent une haute densité d'éléments de com- mande, pour une "intelligence" accrue, et un rendement de fabrica- tion élevé, pour un faible coût. De préférence, les puces 12 et 14 sont contenues dans un bottier commun. Une ou plusieurs puces d'alimentation 12 ou puces de commande 14 peuvent être contenues dans une puce commune. D'une manière significative, les puces 12 et 14 sont isolées l'une de l'autre de sorte que la haute tension de la puce 12 n'est pas appliquée à la puce à basse tension 14. Le régulateur de tension 18 de la puce d'alimentation en haute tension 12 dérive sa puissance de la ligne à haute tension 16, par exemple, comme on l'a mentionné ci-dessus. La haute tension d'alimentation peut être fournie par une autre ligne ou-fil du cir- cuit CI 12, qui peut être au même potentiel que la ligne 16. Des exemples de réalisation de circuit préférés pour le régulateur de tension 18 sont représentés sur les Figures 4A, 4B et 4C. Les cir- cuits des Figures 4A-4C sont destinés à être contenus intégralement à l'intérieur de la puce d'alimentation en haute tension 12, excepté, peutêtre, en ce qui concerne les éléments inductifs et capacitifs qui peuvent être réalisés plus avantageusement sous forme de dispo- sitifs discrets contenus à l'intérieur ou à l'extérieur du boîtier commun pour la puce 12 ou 14. Sur la Figure 4A, un régulateur de tension 18 est réalisé par une diode de Zener 40 qui est conventionnellement intégrée dans une petite surface de la puce 12. La diode 40 a son anode connectée à la ligne à haute tension 16 par l'intermédiaire d'une résistance à limitation de courant 42, et sa cathode connectée au noeud de référence 21. La résistance 42 peut également être intégrée dans la puce 12 comme on l'a indiqué dans la demande de brevet également en attente no de série 581 785, mentionnée plus haut. Le courant pas- sant dans la diode de Zener 40 en provenant de la ligne d'alimenta- tion 16 produit une tension constante ou réglée VREG à la tension de rupture de Zener de la diode. Cette tension VREG qui peut être égale à 5 volts ou à 15 volts, selon la tension de commande voulue de la puce 14, est appliquée à la puce 14 par ies lignes 22 de la Figure 2. Sur la Figure 4B, une tension réglée VREG est fournie au drain D d'un transistor MOSFET à canal p 44. La source S du transis- tor MOSFET 44 est connecté à la ligne à haute tension 16. Une diode est connectée par le transistor MOSFET 44, son anode étant court- circuitée par rapport à la source S et sa cathode court-circuitée par rapport au drain D. La grille G du transistor MOSFET 44 est commandée par un circuit de commande de grille 46 qui peut régler le courant dans le transistor MOSFET 44, à partir de circuits logi- ques se trouvant sur la puce logique à distance, pour maintenir une tension constante VREG. Le circuit de commande de dispositifs de déclenchement et le transistor MOSFET 44 sont tous sur la puce d'alimentation principale. Sur la Figure 4C, on a ajouté au circuit de la Figure 4B un condensateur de filtrage 60 et une self de filtrage 61, et un dispo- sitif 62. La tension de sortie VREG est sortie du condensateur 60. La diode 62 peut être intégrée dans la puce d'alimentation. Les circuits régulateurs de tension des Figures 4A, 4B et 4C sont destinés à être incorporés dans le circuit CI d'alimentation en haute tension 12, aux exceptions éventuelles de la self 61 et du condensateur 60, qui peuvent être réalisés sous forme de dispo- sitifs discrets si on le souhaite. Le commutateur de puissance 10 de la Figure 1 offre beaucoup d'avantages par rapport à l'approche de l'art antérieur pour incor- porer une!'intelligence" ou un circuit de commande dans la puce d'alimentation. En prévoyant le régulateur de tension 18 dans la puce d'alimentation 12 pour fournir une alimentation de fonctionne- ment pour le circuit CI de commande à basse tension 14 séparé:, on peut réduire au minimum le coût d'ensemble du commutateur 10, tout en pouvant augmenter au maximum le degré "d'intelligence" fourni par le circuit CI de commande à basse tension 14. Il en est ainsi du fait que le circuit CI de commande à basse tension 14 peut être fabriqué par des techniques bien développées qui ont un haut rende- ment de fabrication et d'o résulte un faible coût de dispositif. On peut obtenir une quantité d'intelligence considérablement supé- rieure pour une surface de puce donnée dans le circuit CI de com- mande 14 à ce qui est possible quand le circuit de commande est incor- poré dans la puce d'alimentation en haute tension 12. Il en est ainsi du fait que, lorsqu'il est incorporé dans un dispositif à haute tension, le circuit de commande a une faible densité d'élé- ments de circuit en raison de la nécessité d'obtenir une capacité de résistance à la tension ou de permettre que de grandes surfaces de la matrice tamponnent et isolent le circuit à basse tension. En conséquence, la présente invention fournit une puce d'alimenta- tion ayant une capacité fonctionnelle de commande beaucoup plus im- portante pour un coût considérablement plus faible que les puces d'alimentation classiques. Bien qu'on ait décrit la présente invention en relation avec un ensemble d'exemples de réalisation de celle-ci, beaucoup d'autres variantes et modifications deviendront apparentes pour l'homme de l'art. Par conséquent, on préfère que la présente invention ne soit pas limitée par la description spécifique qui précède, mais seulement par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Circuit d'alimentation d'interface comprenant une puce de commande alimentée par une section auxiliaire d'une puce d'ali- mentation, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une puce de commande à basse tension (14) comportant un conducteur d'alimentation d'entrée (20) par lequel est fournie une tension d'alimentation pour faire fonctionner la puce et un conduc- teur de commande de sortie (22); (b) une puce d'alimentation en haute tension (12) séparée de la puce de commande à basse tension et incluant un dispositif de commutation de puissance (28) pour fournir par commutation de la puissance à une charge électrique, la puce d'alimentation incluant intégralement un fil conducteur (16) par lequel une haute tension est appliquée et un moyen (18) pour engendrer une tension réglée à partie de la haute tension qui est appliquée au fil conducteur; (c)des moyens (40,42;44,45,46;44,45,46,60,61,62) pour appli- quer la tension réglée au conducteur d'alimentation d'entrée (20) de la puce de commande (14) de sorte que la puce de commande à bas- se tension est alimentée par la puce d'alimentation en haute ten- sion; et (d) des moyens (24,26) pour connecter le conducteur de com- mande de sortie (22) au commutateur de puissance (28), le disposi- tif de commutation à haute tension étant ainsi contrôlable par la puce de commande à basse tension. 2. Circuit d'alimentation d'interface selon la revendication 1, caractérisé en ce que: (a) la puce d'alimentation (12) comprend intégralement un circuit d'état (32) pour mesurer une condition d'état du dispositif de commutation de puissance; et en ce que (b) la puce de commande (14) comprend un moyen d'entrée (30) pour recevoir des informations d'état du circuit d'état et un moyen de commande (34) pour réagir aux informations d'état et déterminer une information de commande sur le conducteur de commande de sortie (22). 3. Circuit d'alimentation d'interface selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen (18) pour fournir une tension réglée comprend une diode de Zener (40), cette diode étant connec- tée à un conducteur (16) de la puce d'alimentation (12) sur lequel est fournie une haute tension. 4. Circuit d'alimentation d'interface selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen (18) pour fournir une tension réglée comprend un dispositif de commutation (44) connecté entre un conducteur (16) de la puce d'alimentation sur lequel est fournie une haute tension et le conducteur d'alimentation d'entrée (20). 5. Circuit d'alimentation d'interface selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puce de commande à basse tension (14) est un microprocesseur. 6. Circuit d'alimentation d'interface selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puce de commande à basse tension (14) est une puce à intégration à très grande échelle (VLSI). 7. Commutateur de puissance, caractérisé ence qu'il comprend: une source d'alimentation en haute tension (12) pour fournir une tension à une charge en fonction d'un signal de commande qui lui est appliqué, la source d'alimentation engendrant aussi une tension de sortie réglée (VREG) qui est sensiblement inférieure à la tension de charge; et une puce de commande à basse tension (14) qui est alimentée par la tension de sortie réglée et qui engendre ledit signal de commande destiné à ladite source d'alimentation, la puce de commande étant séparée de la source d'alimentation. 8. Commutateur de puissance selon la revendication 7, carac- térisé en ce que la puce de commande à basse tension (14) est un microprocesseur. 9. Commutateur de puissance selon la revendication 7, carac- térisé en ce que la puce de commande à basse tension (14) est une puce à intégration à très grande échelle (VLSI). 10. Perfectionnement à un circuit d'alimentation d'interface pour appliquer par commutation une puissance à une charge électrique en réponse à un signal de commande, le circuit incluant un disposi- tif de commutation de puissance contenu dans une puce d'alimenta- tion et comportant une borne de déclenchement ou porte, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison avec lesdits éléments: il une puce de commande (14) séparée de ladite puce d'alimenta- tion (12) et fournissant un signal de commande qui est appliqué à la borne de déclenchement; et une région auxiliaire (18) de la puce d'alimentation four- nissant une tension réglée pour alimenter la puce de commande. 11. Circuit d'alimentation d'interface selon la revendica- tion 10, caractérisé en ce que: (a) la puce d'alimentation (12) comprend intégralement un circuit d'état (32) pour mesurer une condition d'état du disposi- tif de commutation de puissance (28); et en ce que (b) la puce de commande (14) comprend un moyen d'entrée (30) pour recevoir les informations d'état du circuit d'état (32) et un moyen de commande (34) pour réagir aux informations d'état et déterminer une information de commande sur le conducteur de commande de sortie (22). 12. Circuit d'alimentation d'interface selon la revendication , caractérisé en ce que la puce de commande à basse tension (14) est un microprocesseur. 13. Circuit d'alimentation d'interface selon la revendica- tion 10, caractérisé en ce que la puce de commande à basse tension (14) est une puce à intégration à très grande échelle (VLSI).