Brevet FR2849537A1 — publié le 20040702

COMMUTATEUR BIDIRECTIONNEL HAUTE TENSION La présente invention concerne le domaine des commutateurs bidirectionnels haute tension. La présente invention concerne, plus particulièrement, un commutateur bidirectionnel destiné à être connecté en série avec une charge, l'ensemble étant 5 alimenté par une haute tension alternative, par exemple, le secteur. Des commutateurs haute tension pour charge alternative du type de ceux auxquels se rapporte la présente invention sont utilisés, en particulier, pour la commande d'appareils électro10 ménagers, par exemple, des machines à laver, dans lesquels une ou plusieurs charges (moteurs, pompes, résistances chauffantes, vannes) alimentées en alternatif doivent être commandées à partir du microcontrôleur de la machine. Un commutateur bidirectionnel propre à être commandé 15 par un signal basse tension peut être constitué d'un triac dont la gâchette reçoit un signal de commande basse tension. Un triac doit être amorcé à chaque alternance de la tension d'alimentation car il se bloque par disparition du courant entre ses deux bornes de puissance. Certains commutateurs comprennent un circuit de commande du triac qui permet, lorsque le triac est amorcé par un signal de commande pendant une alternance, de le maintenir passant jusqu'à la fin de l'alternance suivante. Un inconvénient de tels commutateurs est que le circuit de commande est généralement complexe et coteux à 5 réaliser. En outre, un tel circuit peut nécessiter l'utilisation d'un ou de plusieurs condensateurs à haute tension qui sont des composants délicats à fabriquer et relativement chers. La présente invention vise à proposer un commutateur bidirectionnel pouvant être amorcé par un signal de commande 10 basse tension pendant une alternance de la tension d'alimentation et restant conducteur jusqu'à la fin de l'alternance suivante de la tension d'alimentation qui soit simple et peu coteux à réaliser. La présente invention vise notamment à proposer un 15 commutateur bidirectionnel qui n'utilise pas de condensateur haute tension. Dans ce but, la présente invention prévoit un commutateur bidirectionnel pour commuter une tension alternative à une charge, comprenant un composant monolithique, formé dans un 20 substrat de type N, comportant: un premier thyristor vertical comprenant, de haut en bas, une première région de type P, le substrat de type N, une seconde région de type P, et une première région de type N contenue dans la seconde région de type P; un second thyristor vertical comprenant, de bas en haut, la seconde région de type P, le substrat de type N, la première région de type P, et une seconde région de type N contenue dans la première région de type P; une région d'amorçage de type P formée du côté haut 30 du substrat en visà-vis de la cathode du premier thyristor et une région d'amorçage de type N formée dans la région d'amorçage de type P; la cathode du premier thyristor et l'anode du second thyristor étant destinées à être reliées à une borne de 35 la charge, l'anode du premier thyristor et la cathode du second thyristor étant destinées à être reliées à un potentiel de référence, et la région d'amorçage de type P étant destinée à recevoir au moins un signal de commande lors d'une alternance négative de la tension alternative pour amorcer le premier thyristor; - un élément résistif relié à la région d'amorçage de type P et à l'anode du premier thyristor; et un condensateur dont une borne est reliée à la région d'amorçage de type N et l'autre borne est destinée à être 10 reliée au potentiel de référence. Selon un mode de réalisation de l'invention, le substrat comprend une région de protection de type P entourant la région d'amorçage de type P et plus faiblement dopée que la région d'amorçage de type P, la distance minimale séparant la 15 région de protection de l'anode du premier thyristor étant inférieure à une distance déterminée. Selon un mode de réalisation de l'invention, la région de protection est en contact avec l'anode du premier thyristor. Selon un mode de réalisation de l'invention, le 20 condensateur est un condensateur basse tension. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément résistif est intégré au substrat. La présente invention prévoit également un dispositif de commutation monolithique pour commutateur d'une tension 25 alternative à une charge, ledit dispositif de commutation, formé dans un substrat de type N, comportant: un premier thyristor vertical comprenant, de haut en bas, une première région de type P, le substrat de type N, une seconde région de type P, et une première région de type N 30 contenue dans la seconde région de type P; un second thyristor vertical comprenant, de bas en haut, la seconde région de type P, le substrat de type N, la première région de type P, et une seconde région de type N contenue dans la première région de type P; une région d'amorçage de type P formée du côté haut du substrat en vis-à-vis de la cathode du premier thyristor et une région d'amorçage de type N formée dans la région d'amorçage de type P; la cathode du premier thyristor et l'anode du second thyristor étant destinées à être reliées à une borne de la charge, l'anode du premier thyristor et la cathode du second thyristor étant destinées à être reliées à un potentiel de référence, et la région d'amorçage de type P étant destinée à 10 être reliée à l'anode du premier thyristor par l'intermédiaire d'un élément résistif et à recevoir au moins un signal de commande lors d'une alternance négative de la tension alternative pour amorcer le premier thyristor, et la région d'amorçage de type N étant destinée à être reliée à une borne d'un 15 condensateur dont l'autre borne est reliée au potentiel de référence. 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 20 faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente, de façon schématique, un exemple de réalisation d'un commutateur bidirectionnel haute tension selon l'invention, une partie du commutateur étant 25 représentée par un composant monolithique vu en coupe, l'autre partie étant représentée par un circuit électrique; et les figures 2 et 3 illustrent sous forme de chronogrammes le fonctionnement du commutateur de la figure 1. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments qui 30 sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés et seront décrits par la suite. La figure 1 représente un commutateur bidirectionnel selon la présente invention comportant un dispositif de commutation bidirectionnel 12 réalisé sous forme monolithique 35 qui se compose de deux thyristors de puissance verticaux TH1, TH2 disposés en antiparallèle entre deux bornes de puissance Ai et A2. Les deux thyristors THi, TH2 sont représentés en traits pointillés. Le dispositif de commutation 12 est réalisé dans un 5 substrat 14, par exemple en silicium de type N faiblement dopé. Une région d'anode 20 du premier thyristor THi est formée du côté de la face supérieure 21 du substrat 14. La région 20 contient une région de cathode 22 du second thyristor TH2, de type N, plus fortement dopée que le substrat 14. Une région de 10 protection 23, de type P plus faiblement dopée que la région 20, entoure au moins partiellement la région 20. La région de protection 23 permet, de façon classique, de modifier la répartition des équipotentielles dans le substrat 14 pour augmenter la tension de claquage du dispositif de commutation 12. Le substrat 14 contient, du côté de sa face supérieure 21, une première région d'amorçage 26 du premier thyristor THi, de type P, au voisinage de la région de type P 20. La région d'amorçage 26 contient une seconde région d'amorçage 27, de type 20 N plus fortement dopée que le substrat 14. Une région de protection 28, de type P, plus faiblement dopée que la région d'amorçage 25 entoure la région d'amorçage 25. La distance minimale séparant la région de protection 28 et la région 20 est inférieure à une distance minimale déterminée de façon à assurer 25 une répartition convenable des équipotentielles dans le substrat 14. En particulier, la région de protection 28 peut s'étendre jusqu'à la région 20. Le substrat 14 comporte, du côté de sa face inférieure 30, une région de type P 32 d'anode du second thyristor TH2. Une 30 région de cathode 34 du premier thyristor TH1, de type N, plus fortement dopée que le substrat 14, s'étend dans la région 32 sensiblement en vis-à-vis de la partie de la région 20 ne contenant pas la région de cathode 22 et également en vis-à-vis de la région d'amorçage 26. Une couche isolante 36 recouvre la face supérieure 21 du substrat 14. Une électrode métallique 38 est en contact avec la région d'anode 20 du premier thyristor THi et la région de cathode 22 du second thyristor TH2. L'électrode 38 forme la 5 borne de puissance Ai commune aux deux thyristors de puissance TH1, TH2. Une électrode métallique 40 est en contact avec la région d'amorçage 26 et forme une première borne de gâchette Gi. Une électrode métallique 42 est en contact avec la région 10 d'amorçage 27 et forme une seconde borne de gâchette G2. Une électrode métallique 44 recouvre la face inférieure 30 du substrat 14 et est en contact avec la région d'anode 32 du second thyristor TH2 et la région de cathode 34 du premier thyristor THi. L'électrode 44 forme la seconde borne de 15 puissance A2 commune aux deux thyristors THi, TH2. Le substrat 14 peut comporter sur sa périphérie un mur de protection 46 de type P. Le mur de protection 46 comprend de préférence du côté de la face supérieure 21 du substrat 14 une région annulaire 48 de type P plus fortement dopée que le mur 20 46. Une région d'arrêt de canal annulaire 50, de type N, plus fortement dopée que le substrat 14, peut être prévue du côté de la face supérieure 21 autour de la région 20 et de la région d'amorçage 26. La région 50 permet d'éviter le 25 développement d'éventuels courts-circuits entre la région 20 et le mur de protection 46. Des anneaux métalliques optionnels 52, 54 s'étendent sur la face supérieure 21 du substrat 14 et sont respectivement en contact avec la région annulaire de type P 48 et la région 30 d'arrêt de canal 50 pour améliorer l'égalisation du potentiel dans ces régions. La borne de puissance Ai est reliée à un potentiel de référence d'une alimentation alternative, par exemple la masse GND. La première borne de gâchette Gl est reliée à la borne de 35 puissance Ai par une résistance Rgk. La seconde borne de gâchette G2 est reliée à une borne d'un condensateur C dont l'autre borne est reliée au potentiel de référence GND. La borne de puissance A2 est reliée à une première borne d'une charge RL à commuter. Une tension alternative 5 d'alimentation U est appliquée entre la seconde borne de la charge RL et la borne de puissance Al. En figure 2, la courbe 60 représente la tension alternative U. Il s'agit par exemple de la tension du secteur correspondant à une tension alternative sinusodale de fréquence 10 50 Hz et d'une amplitude de plusieurs centaines de volts. Selon l'invention, des impulsions de courant sont appliquées sur la première borne de gâchette Gi. Les impulsions sont représentées en figure 2 par la courbe 62 superposée à la courbe 60 et dont l'échelle apparaît sur la droite de la figure. 15 Une impulsion de courant positive est appliquée à la première borne de gâchette Gl au début de chaque alternance négative de la tension d'alimentation U de façon à provoquer l'amorçage du thyristor TH1. Le thyristor TH2 s'amorce alors automatiquement lors de l'alternance positive suivante. Le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention est plus précisément le suivant. Sur une alternance négative de la tension U, une impulsion de courant positive est injectée sur la borne de gâchette Gl. Le courant passe par la résistance Rgk. Il en 25 résulte que le potentiel sur la borne de gâchette Gl croît et la diode formée par la jonction entre les régions d'amorçage 26, 27 devient passante. Des porteurs sont alors injectés dans le substrat et provoquent l'amorçage du thyristor THE qui est polarisé pour pouvoir être passant. Pendant l'alternance négative, tant que le thyristor THl est passant, la région du dispositif correspondant à la jonction entre les régions d'amorçage 26, 27, qui est voisine de la région d'anode du thyristor THi, est saturée en porteurs libres. Cette jonction est donc passante et des charges néga35 tives s'accumulent sur l'électrode du condensateur C non connectée à la masse. Le condensateur C se charge donc négativement pendant l'alternance négative. La figure 3 représente la courbe 64 d'évolution de la tension VC aux bornes du condensateur C pour une unique période 5 de la tension d'alimentation U. Le condensateur C est initialement déchargé. La capacité du condensateur C est choisie de façon qu'une fois complètement chargé, le condensateur présente à ses bornes une tension VC négative supérieure en valeur absolue à 0,6 volt. A la fin de la première alternance négative, lorsque le courant traversant le premier thyristor THl diminue en dessous d'un niveau de seuil, le premier thyristor THl se bloque. Le condensateur C commence à se décharger et un courant négatif circule vers la masse en passant par la diode formée 15 entre les régions d'amorçage 26, 27, et par la résistance Rgk. Cette diode est passante puisque la tension aux bornes du condensateur C est supérieure à 0,6 volt en valeur absolue. Lorsque l'alternance positive suivante de la tension d'alimentation U débute, le potentiel de l'électrode 44 de face 20 inférieure devient positif. Dans un premier temps, un courant négatif continue à circuler depuis le condensateur C vers la masse en passant par la diode formée entre les régions d'amorçage 26, 27, et par la résistance Rgk. La jonction entre la région d'amorçage 26 et le substrat 14, voisine de la diode 25 formée entre les régions d'amorçage 26, 27, est alors saturée en porteurs libres. Cette jonction est passante et permet l'amorçage d'un thyristor oblique constitué par la seconde région d'amorçage 27, la première région d'amorçage 26, le substrat 14 et la région d'anode 32. Le condensateur C finit 30 alors de se décharger par l'intermédiaire du transistor oblique. Ce dernier entraîne alors l'amorçage du thyristor de puissance TH2. La résistance Rgk doit être suffisamment grande pour éviter une décharge trop importante du condensateur C dans la 35 résistance Rgk à la fin de l'alternance négative et suffisamment faible pour que le dispositif de commutation 12 ne soit pas trop sensible à des amorçages parasites résultant de variations brutales de la tension à ses bornes (amorçages dits en dV/dt). A la fin de l'alternance positive, lorsque le courant 5 traversant le thyristor TH2 diminue au-dessous d'un courant de seuil, le dispositif de commutation 12 se bloque. Il faut donc alors à nouveau appliquer une impulsion de courant sur la borne de gâchette Gl lors de l'alternance négative suivante pour provoquer la conduction du dispositif de commutation 12 sur la 10 période suivante de la tension U. Le procédé de commande selon l'invention permet de fixer la puissance fournie à la charge RL en modifiant le moment o l'impulsion de courant est appliquée sur la première borne de gâchette Gl pendant une alternance négative. A titre d'exemple, la résistance Rgk peut être de quelques centaines d'ohms, par exemple de 300 ohms et la capacité du condensateur C peut être de quelques centaines de nanofarads, par exemple 500 nanofarads. Selon une variante de la présente invention, la résis20 tance Rgk reliant la borne de gâchette G1 à la borne de puissance Al peut directement être intégrée au dispositif de commutation 12 et être formée par une partie de la région de protection P- 28 venant en contact de la région d'anode 20. La présente invention comporte de nombreux avantages Premièrement, le commutateur selon l'invention est constitué principalement d'un dispositif de commutation réalisé sous forme monolithique, d'un condensateur et d'une résistance (éventuellement intégrée au dispositif de commutation). Il a donc une structure particulièrement simple. En outre, les 30 composants du commutateur peuvent être réalisés à faible cot par des technologies classiques. Deuxièmement, les tensions aux bornes du condensateur restent faibles, au maximum de quelques volts, pendant le fonctionnement du commutateur selon l'invention. On peut alors choisir un condensateur basse tension qui peut facilement être réalisé avec une grande fiabilité. Troisièmement, des déclenchements intempestifs du dispositif de commutation qui peuvent se produire lorsque la 5 tension d'alimentation varie brutalement peuvent être évités en réglant la valeur de la résistance Rgk- REVENDICATIONS 1. Commutateur bidirectionnel (10) pour commuter une tension alternative (U) à une charge (RL), comprenant: - un composant monolithique, formé dans un substrat (14) de type N, comportant: un premier thyristor vertical (TH1) comprenant, de haut en bas, une première région (20) de type P, le substrat (14) de type N, une seconde région (32) de type P, et une première région de type N (34) contenue dans la seconde région de type P; un second thyristor vertical (TH2) comprenant, de bas en haut, la seconde région (32) de type P. le substrat (14) de type N, la première région (20) de type P, et une seconde région de type N (22) contenue dans la première région de type P; une région d'amorçage (26) de type P formée du côté haut du substrat en vis-à-vis de la cathode du premier thyristor et une région d'amorçage (27) de type N formée dans la région d'amorçage de type P; la cathode du premier thyristor et l'anode du 20 second thyristor étant destinées à être reliées à une borne de la charge (RL), l'anode du premier thyristor et la cathode du second thyristor étant destinées à être reliées à un potentiel de référence (GND), et la région d'amorçage (26) de type P étant destinée à recevoir au moins un signal de commande lors d'une 25 alternance négative de la tension alternative pour amorcer le premier thyristor; - un élément résistif relié à la région d'amorçage (26) de type P et à l'anode du premier thyristor; et - un condensateur (C) dont une borne est reliée à la 30 région d'amorçage (27) de type N et l'autre borne est destinée à être reliée au potentiel de référence. 2. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel le substrat (14) comprend une région de protection (28) de type P entourant la région d'amorçage (26) de type P et plus faiblement dopée que la région d'amorçage de type P, la distance minimale séparant la région de protection (28) de l'anode (20) du premier thyristor étant inférieure à une distance déterminée. 3. Commutateur selon la revendication 2, dans lequel 5 la région de protection (28) est en contact avec l'anode du premier thyristor (THi). 4. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel le condensateur (C) est un condensateur basse tension. 5. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel 10 l'élément résistif (Rgk) est intégré au substrat (14). 6. Dispositif de commutation (12) monolithique pour commutateur (10) d'une tension alternative (U) à une charge (RL), ledit dispositif de commutation, formé dans un substrat (14) de type N, comportant: un premier thyristor vertical (THl) comprenant, de haut en bas, une première région (20) de type P, le substrat (14) de type N, une seconde région (32) de type P, et une première région de type N (34) contenue dans la seconde région de type P; un second thyristor vertical (TH2) comprenant, de bas en haut, la seconde région (32) de type P. le substrat (14) de type N, la première région (20) de type P. et une seconde région de type N (22) contenue dans la première région de type P; une région d'amorçage (26) de type P formée du côté haut du substrat en vis-à-vis de la cathode du premier thyristor et une région d'amorçage (27) de type N formée dans la région d'amorçage de type P; la cathode du premier thyristor et l'anode du 30 second thyristor étant destinées à être reliées à une borne de la charge (RL), l'anode du premier thyristor et la cathode du second thyristor étant destinées à être reliées à un potentiel de référence (GND), et la région d'amorçage (26) de type P étant destinée à être reliée à l'anode du premier thyristor par 35 l'intermédiaire d'un élément résistif (Rgk) et à recevoir au moins un signal de commande lors d'une alternance négative de la tension alternative pour amorcer le premier thyristor, et la région d'amorçage (27) de type N étant destinée à être reliée à une borne d'un condensateur (C) dont l'autre borne est reliée au potentiel de référence. 7. Dispositif de commutation selon la revendication 6, dans lequel le substrat (14) comprend une région de protection (28) de type P entourant la région d'amorçage (26) de type P et plus faiblement dopée que la région d'amorçage (26) de type P, 10 la distance minimale séparant région de protection (28) de l'anode du premier thyristor étant inférieure à une distance déterminée. 8. Dispositif de commutation selon la revendication 7, dans lequel la région de protection (28) est en contact avec 15 l'anode du premier thyristor (THl). 9. Dispositif de commutation selon la revendication 6, dans lequel l'élément résistif (Rgk) est intégré au substrat (14).