Brevet FR2745669A1 — publié le 19970905

La présente invention concerne des interrupteurs à trois états destinés à couper ou à laisser passer un courant de sens choisi dans une charge alimentée en alternatif. Dans certains cas, par exemple quand la charge est un moteur relié à une alimentation alternative, on cherche à prévoir un interrupteur qui, sur commande, permet ou bien de couper le passage du courant dans la charge, ou bien de laisser passer un courant seulement dans un sens donné, ou bien de laisser un courant en sens opposé, de sorte que le moteur soit arrêté ou tourne dans l'une ou l'autre direction. Dans l'art antérieur, de telles fonctions sont assurées par des circuits interrupteurs et logiques complexes. La présente invention vise à réaliser cette fonction par un composant monolithique dont le circuit de commande est constitué d'un simple commutateur-sélecteur. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un interrupteur trois états destiné à être inséré dans un circuit d'alimentation alternative associé à un circuit de sélection d'état pour, dans un premier état, être ouvert, dans un deuxième état, autoriser le passage d'un courant d'une première polarité, dans un troisième état, autoriser le passage d'un courant d'une deuxième polarité. Cet interrupteur comprend un thyristor à gâchette de cathode et un thyristor à gâchette d'anode en anti- parallèle, la gâchette du thyristor à gâchette de cathode consti- tuant une borne de commnande et étant reliée par une résistance à la gâchette du thyristor à gâchette d'anode. Le circuit de sélec- tion d'état comprend un sélecteur dont une première borne est reliée à la borne de commaande et dont la deuxième borne est, dans le premier état, connectée directement à la cathode du thyristor à gâchette de cathode, dans le deuxième état, flottante, et dans le troisième état, connectée à un potentiel inférieur d'une valeur déterminée au potentiel de la cathode du thyristor à gâchette de cathode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, dans le troisièmre état, la deuxième borne du sélecteur est reliée à la cathode du thyristor à gâchette de cathode par l'intermé- diaire d'une source de tension d'une valeur de 6 à 20 V. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la résistance a une valeur supérieure à 10 kI. La présente invention prévoit aussi une réalisation monolithique de l'interrupteur trois états susmentionnée dans laquelle les deux thyristors sont des thyristors réalisés verti- calement dans un substrat semiconducteur, la face arrière du substrat étant reliée à une métallisation et correspondant à l'anode du thyristor à gâchette de cathode et à la cathode du thyristor à gâchette d'anode, une région diffusée du deuxième type de conductivité à faible niveau de dopage formant une résis- tance s'étendant à partir de la couche de gâchette de cathode du thyristor à gâchette de cathode vers l'anode du thyristor à gâchette d'anode et une métallisation revêtant l'extrémité de cette résistance à une surface supérieure du substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, sous ladite métallisation, sont formées une région du deuxième type de conductivité à niveau de dopage élevé en contact avec l'extrémité de la région à faible niveau de dopage constituant ladite résistance et une région du premier type de conductivité à niveau de dopage élevé en contact avec le substrat. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 est un schéma sous forme de blocs illus- trant la fonction que la présente invention vise à mettre en oeuvre; la figure 2 représente un mode de réalisation de la présente invention; la figure 3 est un schéma équivalent destiné à expli- quer le fonctionnement d'un interrupteur selon la présente inven- tion dans l'un de ses trois états; et la figure 4 représente un exemple de mise en oeuvre d'un interrupteur trois états selon la présente invention sous forme monolithique. La figure 1 représente une charge L connectée aux bornes AI et A2 d'un réseau alternatif. Cette charge est disposée en série avec un interrupteur 10 commandé par un circuit de conmnande ou sélecteur 20. On veut, selon que le sélecteur 20 fournit l'un ou l'autre de trois signaux de commannde, désignés de façon logique conne des états 0, 1 et - 1, que l'interrupteur 10 soit ou bien ouvert, ou bien laisse passer le courant de la borne Ai vers la borne A2, ou bien laisse passer le courant de la borne A2 vers la borne AM. Ainsi, par exemple, si la charge L est un moteur à courant continu, ceci provoquera l'arrêt du moteur, sa mise en route dans un premier sens de rotation ou sa mise en route dans deuxième sens de rotation. L'une des deux bornes de l'alimentation alternative, par exemple la borne A2, peut être reliée à la masse. Comme le représente la figure 2, selon la présente invention, l'interrupteur à trois états 10 est réalisé au moyen de la connexion en antiparallèle d'un thyristor à gâchette de cathode Thl et d'un thyristor à gâchette d'anode Th2. L'anode du thyristor à gâchette de cathode et la cathode du thyristor à gâchette d'anode sont reliées à la charge L. La cathode du thy- ristor à gâchette de cathode et l'anode du thyristor à gâchette d'anode sont reliées à la borne A2. La gâchette gl du thyristor à gâchette de cathode est reliée à la gâchette g2 du thyristor à gâchette d'anode par l'intermédiaire d'une résistance Rg. La gâchette gi constitue la borne de commande G de l'interrupteur. Cette borne de commande est reliée à une première borne d'un sélecteur S dont la deuxième borne est mobile entre: - une borne "0" connectée à la cathode du thyristor à gâchette de cathode, - une borne "1" qui est flottante, - une borne "-1" reliée à un potentiel plus négatif d'une valeur déterminée que le potentiel de la cathode du thyris- tor à gâchette de cathode Thl. Ceci peut être réalisé par exemple en disposant une source de tension -E en série entre la borne -1 et la cathode du thyristor Thl. Cette source de tension peut de façon classique être fournie à partir de la tension alternative par un montage classique abaisseur/redresseur. On va montrer que, selon que le sélecteur S est sur la position 0, 1 ou -1, les deux thyristors Thl et Th2 sont bloqués, seul le thyristor Thl est susceptible d'être passant quand la tension sur la borne Ai est supérieure à la tension sur la borne A2, et seul le thyristor Th2 est susceptible d'être passant quand la tension sur la borne A2 est supérieure à la tension sur la borne Ai. Dans l'état 0, le sélecteur S est relié à la borne 0, la borne de commande G est reliée à la cathode du thyristor à gâchette de cathode et à l'anode du thyristor à gâchette d'anode. Le thyristor Thl ayant sa gâchette reliée à sa cathode est toujours bloqué. Il en est de nmême pour le thyristor Th2 qui a sa gâchette d'anode reliée à son anode. Aucun courant de gâchette ne peut circuler dans chacun des thyristors Thl, Th2. Pour expliquer l'état 1, dans lequel la borne de commande G est maintenue flottante, on se référera au schéma équivalent de la figure 3. Dans cette figure, chacun des thyris- tors Thl et Th2 est représenté sous la forme de son schéma équi- valent constitué de deux transistors. Le thyristor à gâchette de cathode Thl équivaut à l'ensemble de deux transistors pnpl et npnl. L'émetteur du transistor pnpl correspond à l'anode du thyristor et l'émetteur du transistor npnl correspond à la cathode du thyristor. La base du transistor pnpl est connectée au collecteur du transistor npnl. Le collecteur du transistor pnpl est connecté à la base du transistor npnl, cette connexion correspondant à la gâchette de cathode gl du thyristor Thl. Le thyristor à gâchette d'anode Th2 équivaut à l'ensemble de deux transistors npn2 et pnp2. L'émetteur du transistor npn2 corres- pond à la cathode du thyristor Th2 et l'émetteur du transistor pnp2 correspond à l'anode du thyristor Th2. La base du transistor npn2 est connectée au collecteur du transistor pnp2. Le collec- teur du transistor npn2 est connecté à la base du transistor pnp2 et cette connexion correspond à la gâchette d'anode g2 du thyris- tor Th2. La résistance Rg est disposée entre les bornes gl et g2. On notera que, dans le cadre d'une réalisation classi- que de thyristor, la couche centrale des transistors PNP équiva- lents et la couche de collecteur des transistors NPN équivalents correspondent à une région de type N épaisse et faiblement dopée. Par conséquent, les jonctions des transistors PNP équivalents et la jonction collecteur-base des transistors NPN équivalents ont des tensions de claquage en inverse très élevées, par exemple de l'ordre de 400 volts, c'est-à-dire supérieures à la tension alternative du réseau. Par contre, pour les transistors NPN équivalents, les jonctions émetteur/base sont susceptibles de claquer pour des tensions inverses relativement faibles, de l'ordre d'une dizaine de volts. Ainsi, à l'état 1, dans lequel la borne de commande G est maintenue flottante, quand la borne A1 est positive par rapport à la borne A2, dès que la différence de potentiel devient suffisante, la jonction émetteurbase du transistor npn2 devient passante en inverse. La jonction collecteur-base du transistor pnp2 est passante en direct. Un courant circule donc de A1 vers A2 à travers la jonction émetteur-base du transistor npn2 en inverse, la jonction collecteur-base du transistor pnp2 en direct, la résistance Rg, et la jonction base-émetteur du transistor npnl qui est la jonction de gâchette du thyristor Thl. Le thyristor Thl ayant une tension positive sur son anode et recevant un courant de gâchette de cathode positif devient passant. Par contre, à l'état 1, quand la borne A2 est positive par rapport à la borne Ai, le thyristor Thl est bloqué puisque polarisé en inverse et le thyristor Th2 ne peut entrer en conduc- tion. En effet, toute circulation de courant de gâchette dans le thyristor Th2 est bloquée par au moins une jonction en inverse à tenue en tension élevée. Enfin, à l'état -1, dans lequel la borne G est connec- tée à la cathode du thyristor à gâchette de cathode Thl et à l'anode du thyristor à gâchette d'anode Th2 par l'intermédiaire d'une source de tension -E, la jonction gâchette-cathode du thyristor Thl est toujours polarisée en inverse et la jonction gâchette-anode du thyristor Th2 est toujours polarisée en direct. Ainsi, quand la borne Ai est positive par rapport à la borne A2, le thyristor Thl ne peut être rendu passant tandis que, quand la borne A2 est plus positive que la borne Ai, le thyristor Th2 est passant. Dans cet état -1, quand la borne Ai est positive par rapport à la borne A2, bien que le thyristor Thl reste bloqué, il apparaît un courant de fuite circulant de Ai vers A2 à travers la jonction émetteur-base du transistor npn2 en inverse, la jonction collecteur-base du transistor pnp2 en direct, la résistance Rg, et la source de tension -E. Pour limiter ce courant, il convient de choisir une valeur élevée pour la résistance Rg, par exemple supérieure à 10 k S. Cette valeur de Rg doit être optimisée pour permettre la circulation d'un courant de gâchette d'anode suffisant pour mettre en conduction du thyristor Th2 quand A2 est positif par rapport à Ai. Si le thyristor Th2 est un thyristor sensible nécessitant un courant de gâchette supérieur à 200 pA et si E = 12 V, il faut que Rg soit inférieur à 60 k9. On pourra par exemple choisir une valeur de 30 k I. Avec cette valeur, le courant de fuite susmentionné reste négligeable. On a donc bien obtenu un interrupteur trois états commandé par des niveaux logiques correspondant à la position d'un sélecteur S pour ou bien bloquer un courant, ou bien en au- toriser le passage dans un sens, ou bien en autoriser le passage en sens oppose. On a décrit précéderient le sélecteur S comme un simple sélecteur manuel. Il sera clair qu'il pourra s'agir d'un dispo- sitif électronique télécommnandé ou d'un dispositif électronique utilisant les signaux de commande d'un système électronique de conmande tel qu'un microcalculateur. Selon un avantage de la présente invention, l'interrup- teur trois états selon la présente invention peut être réalisé sous forme d'un composant monolithique. Un exemple de réalisation monolithique d'un tel compo- sant est illustré en figure 4. Dans cette figure, le composant est formé à partir d'une région 30 d'un substrat de type N déli- mitée par exemple par des murs d'isolement 31 de type P. La face arrière du substrat comptorte une couche 32 de type P. La face supérieure du substrat comprend des régions 33 et 34 de type P. A l'intérieur de la région de type P 33 est forméne une région de type N 35. Du côté de la face arrière et au moins en regard de la région de type P 34 est forméne une région 36 de type N. La face arrière du substrat est revêtue d'une métallisation Mi. La région de type P 34 est revêtue d'une métallisation M2-1 et la face supérieure de la région de type N 35 est revêtue d'une métallisa- tion M2-2. Une portion de la région de type P 33 dans laquelle est formée la région 35 est revêtue d'une métallisation M3. Ainsi, les régions PNPN 32-31-33-35 forment le thyristor Thl dont la région 33 constitue la couche de gâchette de cathode solidaire d'une métallisation M3. Les régions PNPN 34-30-32-36 forment le thyristor à gâchette d'anode Th2. Le substrat 30 correspond à la région de gâchette d'anode du thyristor Th2. En outre, comme cela est représenté dans la figure 4, la résistance Rg est constituée d'une région 38 de type P faible- ment dopée formée du côté de la surface supérieure du substrat. Cette région 38 s'étend à partir d'une partie de la région 33 voisine de la région de gâchette du thyristor Thl vers la région d'anode 34 du thyristor Th2. Une métallisation M4 établit une liaison entre l'autre extrémité de la région 38 et la région de gâchette d'anode du thyristor Th2. De préférence, la métalli- sation M4 est formée sur une région 39 surdopée de type P en contact avec la région 38 et sur une région 40 surdopée de type N formées à partir de la face supérieure dans le substrat 30 pour assurer ainsi un contact ohmique entre la deuxième borne de la résistance et la région de gâchette d'anode du thyristor Th2. En fonctionnement, la métallisation Mi est connectée à la borne A2, la métallisation M2-1/M2-2 est connectée à la borne A1, la métallisation M3 est connectée à la borne G, et la métal- lisation M4 n'est pas connectée. Bien entendu, la présente invention, tant du point de vue du circuit que du point de vue de son intégration, est susceptible de nombreuses variantes, dans le domaine des revendi- cations ci-après. Notamment l'honmme de l'art pourra utiliser pour chacun des éléments tout équivalent connu. REVENDICATICIS 1. Interrupteur trois états destiné à être inséré dans un circuit d'alimentation alternative associé à un circuit de sélection d'état (20) pour: - dans un premier état (0), être ouvert, - dans un deuxième état (1), autoriser le passage d'un courant d'une première polarité, - dans un troisième état (-1), autoriser le passage d'un courant d'une deuxième polarité, caractérisé en ce qu'il comprend un thyristor à gâchette de cathode (Thl) et un thyristor à gâchette d'anode (Th2) en antiparallèle, la gâchette (gl) du thyristor à gâchette de cathode constituant une borne de commande (G) et étant reliée par une résistance (Rg) à la gâchette (g2) du thyristor à gâchette d'anode, et en ce que le circuit de sélection d'état (20) comprend un sélecteur (S) dont une première borne est reliée à la borne de commande (G) et dont la deuxième borne est: - dans le premier état, connectée directement à la cathode du thyristor à gâchette de cathode, - dans le deuxième état, flottante, - dans le troisième état, connectée à un potentiel inférieur d'une valeur déterminée (-E) au potentiel de la cathode du thyristor à gâchette de cathode. 2. Interrupteur trois états selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le troisième état, la deuxième borne du sélecteur est reliée à la cathode du thyristor à gâchette de cathode par l'intermédiaire d'une source de tension d'une valeur de 6 à 20 volts. 3. Interrupteur trois états selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite résistance (Rg) a une valeur supé- rieure à 10 kQ. 4. Réalisation monolithique d'un interrupteur trois états selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux thyristors sont des thyristors réalisés verticalement dans un substrat semiconducteur (30), la face arrière du substrat étant reliée à une métallisation (Mi) et correspondant à l'anode du thyristor à gâchette de cathode et à la cathode du thyristor à gâchette d'anode, une région diffusée du deuxième type de conduc- tivité à faible niveau de dopage (38) formant une résistance (Rg) s'étendant à partir de la couche de gâchette de cathode (33) du thyristor à gâchette de cathode vers l'anode du thyristor à gâchette d'anode et une métallisation (M4) revêtant l'extrémité de cette résistance à une surface supérieure du substrat. 5. Composant selon la revendication 4, caractérisé en ce que, sous ladite métallisation (M4), sont formées une région (39) du deuxième type de conductivité à niveau de dopage élevé en contact avec l'extrémité de la région à faible niveau de dopage constituant ladite résistance et une région (40) du premier type de conductivité à niveau de dopage élevé en contact avec le substrat.