Brevet FR2653499A1 — publié le 19910426

L'invention concerne un circuit haute ten- sion avec un commutateur haute tension, jouant notam- ment le râle de distributeur pour la tension d'alluma- ge d'un moteur à combustion interne et qui comporte un montage en cascade constitué par une pluralité d'élé- ments semi-conducteurs opto-électriques branchés en série. Les circuits haute tension du type précédem- ment mentionné, sont notamment mis en oeuvre dans l'é- lectronique des véhicules automobiles. Ils comportent pour chaque bougie d'allumage à commander du moteur à combustion interne, un commutateur haute tension, qui est constitué par une pluralité d'éléments semi- conducteurs opto-électriques branchés en série. Ces éléments peuvent être mis dans leur état conducteur par irradiation avec de la lumière. La commande est assurée par un appareil de commande qui calcule cons- tamment en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne, l'instant d'allumage op- timal pour l'état de fonctionnement se présentant à un moment donné. L'irradiation par la lumière des élé- ments semi-conducteurs opto-électriques peut s'effec- tuer au moyen de diodes lumineuses. Il est connu de réaliser des éléments semi- conducteurs opto-électriques branchés en série en technique hybride sous la forme de montage en cascade. Sur une plaque de substrat les éléments semi- conducteurs sont placés les uns à côté des autres en rangées, tandis qu'en face deux, à-une distance rédui- te, est placé un nombre correspondant de diodes émet- trices de lumière (LED = diodes photo-émissives). En- tre les diodes photo-émissives et les éléments semi- conducteurs se trouve un isolateur transparent à la lumière. Les éléments semi-conducteurs sont reliés en- tre eux par des pistes conductrices, les extrémités de ces pistes conductrices aboutissant à des cosses de raccordement haute tension. Les diodes photo-émissives sont reliées à des raccordements de commande communs. L'ensemble de l'agencement se trouve dans un boîtier en matière plastique qui est rempli avec une masse de coulée. Ce montage en cascade connu nécessite relati- vement beaucoup de place et a une constitution compli- quée et notamment un grand nombre de composants est nécessaire. L'invention a pour but de remédier à ces in- convénients et prévoit à cet effet pour un circuit haute tension du type initialement mentionné que le montage en cascade est constitué par des puces semi- conductrices empilées, qui sur leurs surfaces périphé- riques constituant une face externe de l'empilage de puces, comportent des zones de commande sensibles à la lumière. Le circuit haute tension, conforme à l'in- vention avec les caractéritiques mentionnées ci- dessus, présente par contre l'avantage que le branche- ment en cascade constituant le commutateur haute ten- sion ne prend que très peu de place même pour un grand nombre d'éléments semi-conducteurs opto-électriques branchés en série et ne nécessite alors pas pour la commande un nombre d'éléments émetteurs de lumière tels que diodes photo-émissives correspondant au nom- bre des éléments semi-conducteurs. Au contraire, un seul élément émetteur de lumière est de préférence suffisant pour le montage en cascade conforme à l'in- vention. Pour obtenir ces avantages, le montage en cascade, à la base de l'invention, est constitué de puces semi-conductrices empilées qui, sur leurs surfa- ces périphériques constituant une face externe de l'empilage de puces, comportent des zones de commande sensibles à la lumière. Par conséquent, les puces se- mi-conductrices, contrairement à l'état de la techni- que, ne sont pas placées les unes à côté des autres sur un substrat mais elles constituent un empilage de puces dans lequel les surfaces de base de puces voisi- nes s'appliquent l'une contre l'autre. De cette facon, il est possible, sans autre difficulté, de rassembler par exemple 40 puces semi- conductrices dans un empilement de puces de 10 mm de hauteur. La tension de blocage de telles puces se si- tue respectivement à peu près entre 600 et 800 volts, de sorte qu'un petit commutateur haute tension de ce type peut, par exemple, commuter sans difficulté 30kV, ce potentiel de tension étant largement suffisant pour le fonctionnement des bougies d'allumage du moteur à combustion interne. Comme les zones de commande sensi- bles à la lumière des puces semi-conductrices sont disposées sur leurs surfaces périphériques, et donc sur la surface externe de l'empilage de puces, une commande distincte de chaque puce semi-conductrice in- dividuelle peut être supprimée car l'intensité lumi- neuse et le cône de lumière d'une diode luminescente unique suffit pour saisir l'ensemble des éléments de l'empilement de puces pour les commander tous. A par- tir de là, l'inventeur a franchi deux étapes décisi- ves, en ce que, d'une part, il a empilé les puces se- mi-conductrices en forme de plaques en superposant leurs faces de base, et que, par ailleurs, il a ras- semblé les zones de commande sensibles à la lumière sur la face externe de l'empilage de puces. Selon un complément avantageux de l'inven- tion, il est prévu que les zones de commande forment une surface de commande ayant des dimensions suscepti- bles d'être saisies par l'émission de lumière d'une source de lumière essentiellement ponctuelle. Il en résulte que, comme déjà mentionné, une source de lu- mière unique qui peut notamment être réalisée sous forme de diodes photoémissives est suffisante pour la commande de l'ensemble du montage en cascade. La mise en oeuvre d'une diode photo-émissive n'est pas impérative, car bien entendu, d'autres élé- ments émetteurs de lumière peuvent également être uti- lisés. Dans ce cas, l'élément émetteur de lumière peut coopérer directement avec les zones de commande des puces semi-conductrices, ou bien, selon une réalisa- tion particulière de l'invention, par l'intermédiaire d'une liaison par des fibres conductrices de la lumiè- re qui se situent entre la diode photo-émissive et la surface de commande constituée par les zones de com- mande. Cette dernière solution aboutit à un découplage galvanique particulièrement bon. Il est de préférence prévu que la diode pho- to-émissive est susceptible d'être connectée et décon- nectée par un commutateur optique qui est actionné par un appareil de commande du moteur à combustion inter- ne. Cet appareil de commande n'effectue alors pas di- rectement la commande de la cascade haute tension mais actionne le commutateur optique qui connecte et décon- necte la diode photo-émissive coopérant avec la surfa- ce de commande. Par conséquent, entre l'appareil de commande et le commutateur haute tension, deux sec- tions de commande optiques sont constituées. Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, une partie de l'énergie existante dans le circuit du courant d'allumage du moteur à combus- tion interne, est utilisée pour le fonctionnement de la diode photoémissive. A cet effet, le circuit haute tension comporte une bobine d'allumage dont la sortie secondaire est raccordée par l'intermédiaire d'un con- densateur au montage en cascade aboutissant à une bou- gie d'allumage du moteur à combustion interne, tandis qu'un montage en série constitué par la diode lumis- cente et le commutateur optique est placé en parallèle par rapport au condensateur. La tension de charge du condensateur est utilisée pour le fonctionnement de la diode photo-émissive. Ceci présente l'avantage que l'énergie de commande du commutateur optique peut être notablement plus réduite. En tant que puces semi-conductrices, des photothyristors sont de préférence mis en oeuvre. De même pour le commutateur optique, un photothyristor est utilisé. L'invention va être exposée plus en détail ci-après à l'aide des figures ci-jointes: - la figure 1 est un schéma de principe d'un circuit haute tension, - la figure 2 montre un exemple de réalisa- tion préféré du circuit haute tension. La figure 1 montre un circuit haute tension 1 avec un commutateur haute tension 2 qui sert de ré- partiteur de tension d'allumage pour la tension d'al- lumage d'un moteur à combustion interne, non représen- té. L'enroulement primaire 3 d'une bobine d'allumage 4 est raccordé, de façon connue, de sorte qu'il n'y a pas lieu d'entrer davantage dans le détail à ce sujet. L'un des raccordements 5, du côté secondaire de la bo- bine d'allumage 4 est relié à l'entrée du commutateur haute tension 2 réalisé sous la forme d'un montage en cascade 6. L'autre raccordement 7 est en liaison avec un autre circuit, non représenté ici en détail, dont la constitution n'a pas d'importance pour la compré- hension de l'invention. Notamment le raccordement 7 peut être relié à la masse. Le montage en cascade 6 peut être constitué par une pluralité d'éléments semi-conducteurs opto- électriques 8 branchés en série. Il s'agit, dans ce cas, de photothyristors qui sont empilés avec leurs faces de base placées les unes sur les autres, notam- ment les zones p ou n comportant les surfaces de base de puces semi-conductrices voisines 9 peuvent être di- rectement contiguës. Les éléments semi-conducteurs électriques 8 réalisés sous la forme de puces semi-conductrices 9, comportent sur leurs surfaces périphériques 12 formant une face externe 10 de l'empilage de puces 11, des zo- nes de commande sensibles à la lumière 13. Ces zones de commande 13 de l'ensemble des puces semi- conductrices 9 constituent une surface de commande 14 qui, pour la commande du montage en cascade 6, reçoit l'émission lumineuse d'une source lumineuse essentiel- lement ponctuelle 15. La source lumineuse 15 est com- mandée par un appareil de commande 16 du moteur à com- bustion interne. La source lumineuse 15 est, de préfé- rence, réalisée sous la forme d'une diode photo- émissive 17 (LED). Cette diode photo-émissive peut coopérer, soit directement, mais également avec inter- position d'une liaison par fibres conductrices de la lumière, avec la surface de commande 14 du montage en cascade 6 (figure 2). La sortie du commutateur haute tension 2 aboutit à une électrode d'une bougie d'allumage ZK dont l'électrode antagoniste est reliée à la masse 18. Dès qu'une impulsion de tension d'allumage est constituée sur le côté secondaire de la bobine d'allumage 4, l'appareil de commande 16 commande à l'instant calculé, la source lumineuse 15 dont la lu- mière tombe sur la surface de commande 14 de l'empile- ment de puces 11. De ce fait, le commutateur à semi- conducteurs 2 est rendu passant et une étincelle d'al- lumage est produite sur la bougie d'allumage ZK. La figure 2 montre un second exemple de ré- alisation dans lequel les mêmes parties sont affectées des mêmes références. En variante, par rapport à l'exemple de réalisation de la figure 1, le raccorde- ment 5 n'aboutit pas directement au côté secondaire de la bobine d'allumage 4, mais par l'intermédiaire d'un condensateur C au commutateur haute tension 2. En pa- rallèle au commutateur C, est placé un montage en sé- rie 19 constitué par la diode photo-émissive 17 (LED) et un commutateur optique 20. Le commutateur optique est réalisé sous la forme d'un photothyristor TH. Les puces semi-conductrices 9 de l'empilement de puces 11 sont également réalisées sous la forme de photothy- ristors. La diode photo-émissive 17 est positionnée de façon que la lumière qu'elle émet tombe sur la surface de commande 14 du commutateur haute tension 2. Cela est indiqué à la figure 2, par une liaison fonction- nelle 21. Une autre liaison fonctionnelle 22, qui n'est également indiquée que schématiquement, existe entre l'appareil de commande 16 et le photothyristor TH. Cette liaison fonctionnelle 22 signifie qu'une im- pulsion lumineuse produite par l'appareil de commande 16 arrive sur la surface sensible à la lumière du pho- tothyristor TH, grace à quoi celui-ci est mis à l'état conducteur. En fonctionnement, le condensateur C est chargé par la bobine d'allumage 4, de façon correspon- dante à la polarité indiquée à la figure 2. Dès que sur le côté secondaire de la bobine d'allumage 4, l'impulsion de tension d'allumage a atteint à peu près la moitié de son niveau maximal, le photothyristor TH est allumé par une impulsion lumineuse (de longueur d'environ 5 x10-6 ms) de l'appareil de commande 16. De ce fait, le condensateur C se décharge par l'intermé- diaire de la diode photo-émissive 17, de sorte que celle-ci émet de la lumière qui tombe sur la surface de commande 14 du montage en cascade 16. Ceci amène les puces semi-conductrices 9 du commutateur haute tension 12 à leur état conducteur, de sorte que la cascade haute tension est rendue conductrice et l'im- pulsion de tension d'allumage est appliquée à la bou- gie d'allumage ZK pour produire une étincelle d'allu- mage. REVEND I CATIONS 1.- Circuit haute tension avec un commuta- teur haute tension, jouant notamment le rôle de dis- tributeur pour la tension d'allumage d'un moteur à combustion interne et qui comporte un montage en cas- cade constitué par une pluralité d'éléments semi- conducteurs opto-électriques branchés en série, cir- cuit caractérisé en ce que le montage en cascade (6) est constitué par des puces semi-conductrices (9) em- pilées, qui sur leurs surfaces périphériques (12) constituant une face externe (10) de l'empilage de pu- ces (11) comportent des zones de commande (13) sensi- bles à la lumière. 2.- Circuit haute tension selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les zones de commande (13) forment une surface de commande (14) ayant des dimensions susceptibles d'être saisies par l'émission de lumière d'une source de lumière essentiellement ponctuelle (15). 3.- Circuit haute tension selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la source de lumière est une diode photo-émissive (17). 4.- Circuit haute tension selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une liaison par fibres conductrices de la lumière se trouve entre la diode photo-émissive (17) et la surface de commande (14). 5.- Circuit haute tension selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la diode photo-émissive (17) est susceptible d'être connectée et déconnectée par un commutateur optique (20) qui est actionné par un appareil de commande (16) du moteur à combustion interne. 6.- Circuit haute tension selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une bobine d'allumage (4) dont la sor- tie secondaire est raccordée par l'intermédiaire d'un condensateur (C) au montage à cascade (6) aboutissant à une bougie d'allumage (ZK) du moteur à combustion interne, tandis qu'un montage en série (19) constitué par la diode photo-émissive (17) et le commutateur op- tique (20) est placé en parallèle par rapport au con- densateur (C). 7.- Circuit haute tension selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les puces semi-conductrices (9) sont réalisées sous forme de photothyristors (TH). 8.- Circuit haute tension selon l'une quel- conque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le commutateur optique (20) est un photothyristor (TH).