Brevet FR2895600A1 — publié le 20070629

COMMUTATEUR BIDIRECTIONNEL A COMMANDE HF Domaine de l'invention La présente invention concerne la réalisation d'un commutateur à commande HF. Exposé de l'art antérieur La demanderesse a déjà proposé dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 6862196 (B4882) une structure de commande de thyristor comprenant une source de tension HF connectée par l'intermédiaire d'un transformateur au circuit gâchette-cathode d'un thyristor, une diode étant interposée dans ce circuit gâchette-cathode. Il est exposé dans le brevet US susmentionné que, si la fréquence HF est suffisamment élevée, on peut utiliser un transformateur miniaturisé formé sur un substrat de verre. Dans ce brevet, on donne des exemples de fréquences de fonctionnement de l'ordre de 40 MHz ou plus. Divers avantages de ce mode de commande sont mentionnés : miniaturisation du transformateur, assemblage simplifié du transformateur et du thyristor, amélioration de l'isolement, commande de thyristors tête bêche...). Il est également connu, comme l'illustre la figure 1, de prévoir un montage du même type pour commander un commutateur bidirectionnel 1 dont le circuit gâchette-cathode est connecté à un enroulement secondaire d'un transformateur T avec interposition d'une diode série D. Comme l'illustre la figure 2, le commutateur bidirectionnel 1 de la figure 1 peut être un commutateur bidirectionnel du type à commande référencée à la borne de face arrière. Un tel composant est illustré schématiquement et partiellement dans la vue en coupe de la figure 2. Il comprend une partie de puissance comprenant des thyristors NPNP et PNPN en parallèle. Ces deux thyristors sont formés dans une structure comprenant un substrat 10 faiblement dopé de type N. Du côté des faces inférieure et supérieure sont formées des couches de type P, 11 et 12, la couche 11 étant du côté de la face supérieure et la couche 12 du côté de la face inférieure. Dans la région 11, du côté gauche de la figure est formée une région de type N 13 de sorte qu'un thyristor vertical NPNP est constitué de la région 13, de la couche 11, du substrat 10 et de la couche 12. Du côté de la face arrière est formée une région de type N 14 au moins en face de la partie de la région de type P 11 dans laquelle n'est pas formée la région N 13. On forme ainsi un thyristor vertical PNPN comprenant les régions et couches 11, 10, 12 et 14. Dans ce type de composant référencé à la face arrière, la gâchette est constituée d'une région 16 de type N+ formée du côté de la face supérieure d'un caisson périphérique ou mur de diffusion 18 entourant l'ensemble du commutateur bidirectionnel. On notera également que la demande de brevet français 03/50702 (B5964) de la demanderesse décrit une commande HF d'une structure de composant bidirectionnel. Cette demande de brevet décrit en particulier le cas où la structure de composant bidirectionnel comprend une borne de gâchette et une borne de référence de gâchette. Le signal de commande est alors appliqué entre ces deux bornes, la borne de référence de gâchette étant distincte de la borne principale de face avant. On cherche souvent à réduire la sensibilité des compo- sants bidirectionnels aux déclenchements parasites liés à des pics de tension (sensibilité en dV/dt) et à améliorer leurs performances de commutation, c'est-à-dire notamment que la conduction pendant une alternance n'entraîne pas une conduction pendant une alternance suivante de polarité opposée (sensibilité en di/dt à la commutation). Toutefois, cela pose un problème en ce que, quand on insensibilise un composant bidirectionnel pour le rendre moins sensible aux parasites, il est également moins sensible à une commande normale. Ce problème est d'autant plus aigu quand on cherche à augmenter la fréquence du signal HF de commande, la puissance contenue dans chaque alternance étant alors plus faible. Résumé de l'invention Un objet de la présente invention est de prévoir une structure de commutateur bidirectionnel à commande HF présentant une forte insensibilité aux déclenchements parasites et de bonnes performances en commutation, et néanmoins susceptible d'être commandé par un signal HF d'intensité modérée. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré-voit un composant commutateur bidirectionnel à commande HF du type à gâchette référencée à la face arrière formée dans la face avant d'un caisson périphérique du composant, comprenant deux régions de gâchette indépendantes destinées à être respective-ment connectées à des bornes d'un transformateur à point milieu dont le point milieu est relié à la borne de face arrière du composant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacune des régions de gâchette comprend une métallisation en contact avec une région du type de conductivité opposé à celui du caisson périphérique, formée dans une région du même type de conductivité que le caisson périphérique et à plus fort niveau de dopage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les régions de gâchette sont formées symétriquement en regard de l'électrode principale de face avant. Brève description des dessins 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 électrique classique de commutateur bidirectionnel à commande HF ; la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un 10 exemple classique de commutateur bidirectionnel adapté à une commande HF ; la figure 3 est un schéma électrique de commutateur bidirectionnel adapté à une commande HF selon la présente invention ; et 15 les figures 4A et 4B sont respectivement une vue de dessus et une vue en coupe selon la ligne B-B de la figure 4A d'un commutateur bidirectionnel adapté à une commande HF selon la présente invention. Comme cela est habituel dans la représentation des 20 composants semiconducteurs, les diverses vues en coupe et de dessus ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée Dans une commande HF du type de celle illustrée en figures 1 et 2, le signal haute fréquence est redressé par la 25 diode D et n'est actif sur la gâchette pour commander le déclenchement du composant que pendant une alternance sur deux de la tension HF appliquée. L'efficacité de la commande est donc réduite. Il peut y avoir une accumulation de charges liée à la commande, ce qui fait que le composant peut ne se déclencher 30 qu'au bout de plusieurs alternances du signal HF. Toutefois, dans le cas où le signal HF n'est effectivement appliqué que pendant une alternance sur deux, les pertes pendant l'alternance non utile sont importantes et peuvent empêcher le déclenchement du composant. Il serait théoriquement possible d'améliorer ce fonctionnement en envoyant sur la gâchette un signal HF redressé en double alternance. Toutefois la réalisation de ponts redresseurs double alternance à des fréquences élevées, pouvant aller jusqu'à quelques gigahertz n'est pas simple, pose des problèmes d'encombrement et entraîne des pertes. Ces pertes sont notamment liées au fait que si on utilise un pont de diodes, le signal de commande passe par trois diodes en direct (deux diodes du pont plus la diode de la jonction de gâchette) ; cela nécessite une tension minimale d'environ 3(0,6)=1,8 V au secondaire de transformateur de commande. La présente invention propose de modifier un composant commutateur bidirectionnel pour qu'il soit sensible au deux alternances d'une commande HF, sans utiliser de pont de diodes. La figure 3 représente un schéma de circuit d'un commutateur bidirectionnel à commande HF selon l'invention. Le commutateur bidirectionnel 20 selon l'invention comprend deux bornes de gâchette indépendantes G1 et G2 en plus de ses bornes principales Al et A2. Le signal HF est appliqué aux bornes d'un enroulement primaire W d'un transformateur Ti dont le secondaire comprend deux enroulements en série W1 et W2. Chacun de ces enroulements est disposé entre une gâchette et la cathode du composant avec interposition d'une diode respective, Dl, D2. Le point milieu du secondaire du transformateur est relié à la borne principale de référence de gâchette, la face arrière Al, dans le cas d'un commutateur bidirectionnel du type à commande référencée par rapport à la face arrière qui sera considéré ci-après. Ainsi, pendant les alternances positives, c'est une première gâchette qui est commandée et pendant les alternances négatives c'est l'autre gâchette qui est commandée. Le signal HF de commande est alors toujours efficace. Toutefois, ce système ne fonctionne pas avec un composant classique. Il faut prévoir un composant comprenant deux gâchettes distinctes. La demanderesse a montré que la réalisation de deux gâchettes mutuellement isolées est particulièrement simple dans le cas d'un commutateur bidirectionnel du type à commande référencée par rapport à la face arrière, dans lequel la région de commande est disposée dans le caisson périphérique d'isolement d'un composant de puissance proprement dit. Un composant selon la présente invention est illustré en vue de dessus en figure 4A et en vue en coupe en figure 4B. La vue en coupe de la figure 4B est prise selon le plan B-B de la figure 4A, qui coupe une région de gâchette mais pas l'autre. En conséquence, une seule région de gâchette est visible en figure 4B. Dans cette vue en coupe, étant donné que l'on ne voit qu'une gâchette, la structure de composant est sensiblement identique à celle du composant de l'art antérieur représenté en figure 2. C'est la démultiplication des gâchettes, visible en vue de dessus, qui fait l'originalité du composant selon l'invention. Ainsi, la vue en coupe de la figure 4B représente un composant semiconducteur de puissance vertical constituant un commutateur bidirectionnel dont la partie de puissance est formée dans un substrat 30 comprenant du côté de la face avant ou supérieure une région de type P 31 et du côté de la face arrière ou inférieure une région de type P 32. Dans la région 31 est formée une région de type N 33 pour former un premier thyristor vertical NPNP comprenant les régions et couches 33, 31, 30 et 32. Du côté de la face arrière, en regard de la partie de la région P 31 dans laquelle n'est pas formée la région de type N 33, est formée une région de type N 35 pour constituer un deuxième thyristor PNPN vertical constitué des régions et couches 31, 30, 32, 35. Une métallisation de face arrière M1 recouvre l'ensemble de la face arrière. Une métallisation principale de face avant M2 recouvre les régions 33 et 31. Comme cela est connu dans le domaine des composants bidirectionnels à gâchette référencée à la face arrière commercialisés sous la marque ACS par la demanderesse, il existe de préférence une région N+ partout du côté de la face inférieure excepté sensiblement en regard de la région 33. L'ensemble du composant est entouré d'un caisson ou mur d'isolement périphérique 40 fortement dopé de type P, formé par exemple par diffusion profonde à partir des faces supérieure et inférieure du composant mais pouvant être formé de toute autre façon adaptée. Du côté de la face avant, une région forte-ment dopée de type P 42 est formée dans le mur d'isolement 40 sans venir en contact avec le substrat 30. Des régions fortement dopées de type N 45 et 46 correspondant à des régions de gâchette sont formées dans la région 42, de façon sensiblement symétrique de part et d'autre de la région N+ 33. Les bornes de gâchette G1 et G2 sont formées sur les régions 45 et 46. Ces bornes de gâchette G1 et G2 sont destinées à être connectées comme cela est représenté en figure 3. En plus, on a représenté dans la vue en coupe de la figure 4B un anneau fortement dopé de type N 50 du côté de la face supérieure servant d'arrêt de canal entourant la région de type P 31, sensiblement à mi-chemin entre cette région 31 et les bords du mur d'isolement 40. Cet anneau est optionnel et a été illustré pour faire comprendre que toutes les variantes usuelles de structure pourront être adoptées. Diverses métallisations et zones d'isolement sont représentées sur la vue en coupe de la figure 4B et ne sont pas représentées par souci de simplicité sur la vue de dessus de la figure 4A. Notamment, on peut voir dans la vue en coupe la métallisation de gâchette G1, une métal-lisation M3 destinée à servir d'équipotentielle sur la région d'arrêt de canal 50 et également une métallisation M4 destinée à servir d'équipotentielle sur la face supérieure de la région P+ 43. Les métallisations M3 et M4 ne sont par reconnectées à des bornes extérieures. On a également représenté dans la vue en coupe des régions désignées par la référence P++ destinées à améliorer les prises de contact sur les régions P 31 et 32. La structure, pour autant que cela concerne la vue en coupe de la figure 4B, est une structure classique à laquelle l'homme de l'art pourra apporter toutes les modifications couramment adoptées pour les commutateurs bidirectionnels à électrode de commande référencée à la face arrière. Dans la vue de dessus de la figure 4A, on a représenté par un pointillé 54 autour de la région N+ 33 la limite possible de l'ouverture formée dans la région de type N+ de face inférieure 35 du côté de la face arrière. De même, on a représenté par des pointillés 55 et 56 d'éventuelles interruptions du côté de la face arrière de la couche N+ 35 destinée à optimiser la sensibilité du composant bidirectionnel. Grâce à la présente invention, on pourra choisir les paramètres du commutateur bidirectionnel pour que celui-ci soit d'une sensibilité moyenne, la commande par la tension de gâchette haute fréquence étant particulièrement efficace puisqu'elle agit sur les deux alternances de la tension HF. REVENDICATIONS 1. Composant commutateur bidirectionnel à commande HF du type à gâchette référencée à la face arrière formée dans la face avant d'un caisson périphérique (40) du composant, caractérisé en ce qu'il comprend deux régions de gâchette indépendantes (G1, G2) destinées à être respectivement connectées à des bornes d'un transformateur à point milieu dont le point milieu est relié à la borne de face arrière du composant. 2. Composant commutateur bidirectionnel à commande HF selon la revendication 1, dans lequel chacune des régions de gâchette comprend une métallisation (G1, G2) en contact avec une région (45, 46) du type de conductivité opposé à celui du caisson périphérique, formée dans une région du même type de conductivité que le caisson périphérique (40) et à plus fort niveau de dopage. 3. Composant commutateur bidirectionnel à commande HF selon la revendication 1, dans lequel les régions de gâchette sont formées symétriquement en regard de l'électrode principale de face avant.