Brevet FR3024010A1 — publié le 20160122

DISPOSITIF INCLUANT UNE DIODE ELECTROLUMINESCENTE ET UN TRANSFORMATEUR ASSOCIE L'invention concerne l'éclairage par diodes électroluminescentes, et en particulier les dispositifs d'éclairage à diodes électroluminescentes destinés à 5 être connectés à un réseau de distribution électrique public. La diffusion de dispositifs d'éclairage à diodes électroluminescentes pour l'éclairage domestique est en croissance, notamment du fait du rendement énergétique relativement élevé procuré par de tels dispositifs. Cependant, les diodes électroluminescentes sont usuellement conçues 10 pour être alimentées par des tensions continues comprises entre 5 et 15 V à leurs bornes, alors que les niveaux de tension disponibles sur les réseaux électriques publics sont usuellement soit de 110 V, soit de 220V en alternatif. Par conséquent, les dispositifs d'éclairage à diodes électroluminescentes diffusées incluent nécessairement des convertisseurs permettant de redresser 15 la tension et d'appliquer un niveau de tension approprié aux bornes de la diode électroluminescente et permettant de protéger celle-ci. Pour éviter l'utilisation de transformateurs, la conversion est généralement réalisée en disposant une ou plusieurs diodes électroluminescentes dans un diviseur de tension. La réalisation de 20 convertisseurs pour des dispositifs d'éclairage à diodes électroluminescentes fait usuellement appel à une combinaison de composants montés en surface connectés à la diode électroluminescente. Ces montages font appel à des résistances de forte valeur ou à des condensateurs présentant une capacité de plusieurs centaines de nF. De tels composants montés en surface constituent 25 un coût non négligeable pour le dispositif d'éclairage. Par ailleurs, les condensateurs montés en surface sont les composants les plus sensibles au vieillissement du dispositif d'éclairage. En outre, de tels dispositifs d'éclairage nécessitent des radiateurs coûteux et volumineux pour évacuer la chaleur du circuit de conversion et éviter la destruction de celui-ci. 30 L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un dispositif d'éclairage, incluant: -un convertisseur alternatif/continu abaisseur de tension, comportant : -une interface d'entrée de tension alternative, et une interface de sortie ; -une diode électroluminescente connectée entre des bornes de 35 l'interface de sortie; -une résistance connectée pour former un diviseur de tension avec la diode électroluminescente par rapport à une tension appliquée à l'interface d'entrée ; -un circuit de régulation de tension ; 40 -ladite résistance incluant un premier transistor à heterojonction à effet de champ et le circuit de régulation incluant un second transistor à hétérojonction ICG10903 FR Depot Texte.doc à effet de champ, les premier et second transistors comportant une couche de GaN, une couche de AIGaN, et un gaz d'électrons à l'interface entre ces couches, la diode électroluminescente étant formée sur ladite couche de AIGaN. Selon une variante, les premier et second transistors comportent chacun 5 une grille, une source et un conducteur électrique raccordant cette grille et cette source. Selon une autre variante, ledit premier transistor à heterojonction présente une tension de seuil négative. Selon encore une variante, ladite résistance inclut un troisième transistor 10 à heterojonction à effet de champ connecté en série avec le premier transistor à heterojonction et présentant une tension de seuil négative, les sources ou les drains desdits premier et troisième transistors étant connectés ensemble. Selon encore une autre variante, ledit premier transistor à heterojonction présente deux grilles. 15 Selon une variante, ladite résistance est dimensionnée pour que la tension entre les bornes de l'interface de sortie soit inférieure au tiers de la tension sur l'interface d'entrée. Selon une autre variante, le circuit de régulation est connecté en parallèle de ladite diode électroluminescente. 20 Selon encore une variante, ledit deuxième transistor à heterojonction présente une tension de seuil positive. Selon encore une autre variante, le dispositif d'éclairage comprend plusieurs diodes électroluminescentes connectées en parallèle entre les bornes de ladite interface de sortie. 25 Selon une variante, le dispositif d'éclairage comprend en outre un circuit de redressement comprenant des quatrième, cinquième, sixième et septième transistors à hétérojonction à effet de champ comportant chacun une grille, une source, un drain et un conducteur électrique raccordant leur grille et leur source respectives, lesdits quatrième à septième transistors présentant une tension de 30 seuil nulle, lesdits quatrième à septième transistors étant connectés en pont de diodes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement 35 limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : -la figure 1 est un schéma électrique simplifié d'un premier mode de réalisation d'un dispositif d'éclairage selon l'invention ; -la figure 2 est une vue en coupe d'un transistor à hétérojonction à effet de champ pouvant être utilisé dans un convertisseur d'un dispositif selon 40 l'invention ; ICG10903 FR Depot Texte.doc -la figure 3 illustre des exemples de caractéristiques électriques de transistors à heterojonction tels qu'illustrés à la figure 1 ; -la figure 4 est un schéma électrique simplifié d'un second mode de réalisation d'un dispositif d'éclairage selon l'invention ; -la figure 5 illustre une variante de transistor à heterojonction pouvant être utilisé dans un dispositif d'éclairage selon l'invention ; -la figure 6 illustre un exemple de caractéristique électrique du transistor de la figure 5 ; -la figure 7 est un schéma électrique simplifié d'un troisième mode de 10 réalisation d'un dispositif d'éclairage selon l'invention ; -la figure 8 est une vue de dessus schématique d'un exemple d'agencement des transistors à heterojonction du troisième mode de réalisation; -la figure 9 est un exemple d'un circuit de redressement pouvant être utilisé dans un dispositif d'éclairage selon l'invention ; 15 -la figure 10 est une vue de dessus schématique d'un exemple d'agencement des transistors à heterojonction du circuit de redressement de la figure 9. La figure 1 est un schéma électrique simplifié d'un premier mode de 20 réalisation d'un dispositif d'éclairage 1. Le dispositif d'éclairage 1 comporte un module d'éclairage 2 incluant une diode électroluminescente ou LED 21. Le dispositif d'éclairage 1 comporte par ailleurs un convertisseur abaisseur de tension 3 entre une interface d'entrée et une interface de sortie. Le convertisseur 3 présente ici également une fonction de régulation de tension 25 entre les bornes de l'interface de sortie. L'interface d'entrée inclut les bornes 11 et 12 et est destinée à recevoir une tension alternative entre ces bornes. L'interface de sortie inclut les bornes 13 et 14 et est destinée à générer une tension abaissée et régulée entre ces bornes. La LED 21 est connectée entre les bornes 13 et 14. 30 Deux transistors à heterojonction à effet de champ 301 et 302 sont connectés en série entre la borne 11 et le noeud 15, les transistors 301 et 302 étant connectés par leurs drains. Les transistors 301 et 302 sont configurés pour se comporter comme une résistance entre la borne 11 et le noeud 15. Un transistor à heterojonction à effet de champ 303 est connecté entre le noeud 15 35 et la borne 13. Le transistor 303 est configuré pour se comporter comme une résistance unidirectionnelle en courant entre la borne 13 et le noeud 15. Les bornes 12 et 14 sont au même potentiel. Des transistors à heterojonction à effet de champ 304 et 305 sont connectés en parallèle, entre le noeud 15 et la borne 14. Les transistors 304 et 305 sont configurés pour que 40 leur combinaison se comporte comme une diode Zener entre le noeud 15 et la ICG10903 FR Depot Texte.doc borne 14, afin de réguler la tension entre le noeud 15 et la borne 14, et donc également la tension sur l'interface de sortie. Pour chacun des transistors 301 à 305, leur grille est connectée à leur source, par exemple par l'intermédiaire d'un raccordement par un conducteur 5 électrique. La figure 2 est une vue en coupe d'un exemple de transistor à heterojonction à effet de champ 9 pouvant être utilisé pour former l'un des transistors 301 à 305 du dispositif d'éclairage de la figure 1. Le transistor 9 peut 10 être réalisé de façon connue en soi sur un substrat 91, revêtu d'une couche tampon 92. La couche tampon 92 est recouverte d'une couche de GaN 93. La couche de GaN 93 est recouverte d'une couche d'AIGaN 94, de sorte qu'une couche de gaz d'électrons 95 est formée à l'interface entre les couches 93 et 94. Le transistor 9 comporte de façon connue en soi une source 96, un drain 97 et 15 une grille de commande 98. La source 96, le drain 97 et la grille de commande 98 sont ici formés sur la couche d'AIGaN 94. Afin de maintenir en permanence une même tension sur la grille 98 et sur la source 96, un conducteur électrique 99 relie la source 96 et la grille 98. Le conducteur électrique 99 est par exemple un élément métallique d'un seul 20 tenant. L'utilisation d'une même tension sur la grille 98 et sur la source 96 permet de simplifier le dispositif d'éclairage 1 en évitant d'avoir à générer des tensions de commande pour les grilles des transistors à hétérojonction. Les différents transistors à hétérojonction à effet de champ mentionnés en relation avec l'invention présenteront avantageusement une source et une grille reliées 25 par un élément métallique. Le substrat 91 peut être un isolant ou un semiconducteur de type silicium intrinsèque ou dopé P. Le substrat 91 pourra par exemple être de type silicium à maille (111). Le substrat 91 peut typiquement présenter une épaisseur comprise entre 650 pm et 1 mm. Le substrat 91 peut également être réalisé en carbure de 30 silicium, ou en saphir. La couche tampon 92 est avantageusement déposée sur le substrat 91 pour servir d'intermédiaire entre ce substrat et la couche de GaN 93, pour permettre une adaptation de maille entre le substrat 91 et cette couche 93 et pour limiter les contraintes mécaniques dans cette couche 93. 35 La couche 93 peut typiquement présenter une épaisseur comprise entre 100nm et 4pm. La couche 93 peut être formée de façon connue en soi par épitaxie sur la couche tampon 92. La figure 2 montre ici un exemple de cointégration du transistor 9 avec la LED 21. La Led 21 est ici isolée du transistor 9 par l'intermédiaire d'une 40 tranchée d'isolation 100. La LED 21 inclut avantageusement un empilement de ICG10903 FR Depot Texte.doc couches connues en soi, déposé sur la couche 94 d'AIGaN. La LED 21 comporte ainsi : -une couche 213 de n-GaN (par exemple par dopage avec du silicium) ménagée sur la couche 94 ; -une électrode 211 ménagée sur la couche 213 ; -une couche active 214 ménagée sur la couche 213, de côté par rapport à l'électrode 211. La couche active 214 comprend généralement un empilement de couches de type InGa(X-1)Nx ; -une couche 215 de p-GaN (par exemple par dopage avec du 10 magnesium) ; -une électrode 212 ménagée sur la couche 215. Suivant la fonction électrique que l'on souhaite former à partir d'un ou plusieurs transistors à heterojonction, on fera appel à des transistors à 15 heterojonction de type normalement fermé ou de type normalement ouvert. Des procédés de fabrication de transistor à heterojonction de type normalement ouvert ou de type normalement fermé sont connus en soi de l'homme du métier. Chaque transistor à heterojonction comportera une tension de seuil d'un niveau approprié pour l'obtention de sa fonction électrique. 20 En présence d'une grille 98 et d'une source 96 maintenues en permanence à une même tension, la fonction électrique de chacun de ces transistors à heterojonction sera définie par la valeur de sa tension de seuil. Des procédés de fabrication permettant d'influer sur la valeur de la tension de seuil d'un transistor à heterojonction sont connus en soi. Le procédé décrit dans le 25 document 'Recessed-gate structure approach toward normally off high-Voltage AIGaN/GaN HEMT for power electronics applications', publié par Sato et al., dans Electron Devices, IEEE Transactions Volume 53, Issue 2, pages 356 362, en date du 23 Janvier 2006, décrit des processus permettant de modifier la tension de seuil d'un transistor à heterojonction dans une plage comprise entre - 30 8 et 3 V. Ce document propose notamment de former un renfoncement plus ou moins profond dans la couche d'AIGaN pour y déposer la grille. Un même circuit intégré pourra ainsi comprendre différents transistors à heterojonction présentant des tensions de seuil différentes, en formant par exemple des renfoncements pour leur grille de différentes profondeurs. D'autres procédés 35 pourront être utilisés pour modifier la tension de seuil d'un transistor à heterojonction, en modifiant les propriétés du gaz d'électrons 95 à l'aplomb de la grille 98. Il est notamment connu d'implanter des ions positifs sous une grille pour accroître la tension de seuil vers des valeurs positives. Les transistors à heterojonction à effet de champ s'avèrent particulièrement appropriés pour des 40 tensions de fonctionnement de plusieurs centaines de volts, avec une température de fonctionnement relativement élevée, ce qui permet par exemple ICG10903 FR Depot Texte.doc un fonctionnement sans défaillance même en l'absence de dissipateur thermique. La figure 3 illustre des exemples de caractéristiques électriques (courant source/drain Ids et tension entre source et drain Vds) entre différents transistors 5 à heterojonction, en fonction de leur tension de seuil. Vgs désigne la tension entre grille et source et sera nulle dans les exemples étudiés. Sur la partie droite du diagramme, on distingue le cas de figure dans lequel la tension de seuil Vth d'un transistor est strictement positive, et le cas de figure dans lequel cette tension de seuil Vth est strictement négative. 10 Pour une tension de seuil Vth strictement négative, la relation Vgs> Vth est nécessairement respectée car Vgs = OV. De tels transistors à heterojonction peuvent être utilisés dans leur partie linéaire pour une fonction de résistance, la valeur de résistance à l'état passant dépendant alors de la valeur de la tension de seuil Vth de chacun de ces transistors. 15 Pour une tension de seuil Vth strictement positive, la relation Vgs L'impédance équivalente à 50 Hz du circuit incluant le convertisseur 3 et le bloc électroluminescent 2 sera typiquement comprise entre 0,3 et 20k0, de façon à obtenir un courant compris entre 10 et 800 milliampères sous 220V en alternatif. La figure 4 est un schéma électrique simplifié d'un second mode de réalisation d'un dispositif d'éclairage 1. Le module d'éclairage 2 de la figure 4 diffère du module d'éclairage 2 de la figure 1 en ce qu'il comporte une LED 22 connectée tête-bêche avec la LED 21. Les transistors 301, 302 et 304 de la figure 4 sont identiques à ceux détaillés en référence à la figure 1. Un transistor 306 est connecté en série avec le transistor 303 entre la borne 13 et le noeud 15, les transistors 306 et 303 étant connectés par leurs drains. Les transistors 303 et 306 sont configurés pour se comporter comme une résistance entre la borne 13 et le noeud 15. Le transistor 305 connecté tête-bêche avec le transistor 304 présente ici la même tension de seuil que le transistor 304 (de 4 V dans l'exemple). Cette tension de seuil est donc accrue par rapport au transistor 305 de la figure 1. Les transistors 304 et 305 se comportent ainsi comme deux diodes Zener montées tête-bêches. La combinaison des transistors 303 et 306 en série pourra présenter une résistance de l'ordre de 400 à l'état passant, de façon à obtenir une tension redressée maximale de 10 V aux bornes du module d'éclairage 2. Les transistors 303 et 306 pourront présenter une tension de seuil Vth de -1V. Les transistors 301,302,303 et 306 présenteront ainsi une même tension de seuil, afin de faciliter le procédé de fabrication du dispositif d'éclairage 1. Pour obtenir des valeurs de résistance différentes entre les transistors 301-302 et 303-306 avec de mêmes tensions de seuil, on peut jouer sur la taille de ces différents ICG10903 FR Depot Texte.doc transistors. Pour doubler la résistance d'un transistor, on divisera par exemple par deux la largeur de son canal. Dans ce mode de réalisation, les deux alternances de la tension alternative appliquée entre les bornes 11 et 12 sont utilisées par le module 2 5 pour obtenir un éclairage alternativement par la LED 21 ou la LED 22. Les transistors 303 et 306 permettent à deux alternances de courant de traverser le module d'éclairage 2. Avec des transistors 303 et 306 de structures identiques et connectés en série par leurs drains, on obtient une même valeur de résistance entre le noeud 15 élaborant 13 durant les deux alternances de 10 courant traversant le module d'éclairage 2. La figure 5 représente schématiquement un exemple de transistor 30 à heterojonction à effet de champ à double grille. Une première grille est connectée à la source du transistor 30, la seconde grille étant connectée au 15 drain du transistor 30. Un exemple de caractéristique électrique d'un tel transistor 30 configuré en résistance est illustré à la figure 6 avec une tension de seuil Vth nulle. Un tel transistor 30 peut être configuré pour fonctionner en résistance, et peut alors avantageusement être utilisé en remplacement de deux transistors à 20 heterojonction en série dans les premier et deuxième modes de réalisation de l'invention. Un tel transistor 30 peut par exemple remplacer les transistors 301 et 302 connectés en série dans le convertisseur 3 de la figure 1 ou de la figure 4, pour bénéficier d'une conduction bidirectionnelle, pour bénéficier d'une même fonction de résistance avec une tension de seuil appropriée, et pour bénéficier 25 d'une même valeur de résistance lors de deux alternances de la tension entre les bornes 11 et 12. Un tel transistor 30 peut encore être configuré pour fonctionner en résistance, et peut alors avantageusement être utilisé en remplacement des deux transistors à heterojonction 306 et 303 connectés en série dans le mode 30 de réalisation de la figure 4. La figure 7 est un schéma électrique simplifié d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif d'éclairage 1, incluant : -un tel transistor à heterojonction à double grille 307 configuré pour fonctionner en résistance et connecté entre la borne 11 et le noeud 15 ; 35 -un tel transistor à heterojonction à double grille 308 configuré pour fonctionner en résistance et connecté entre le noeud 15 et la borne 13. La figure 8 est une vue de dessus schématique d'un exemple d'agencement des transistors à heterojonction 304, 305, 307 et 308 du convertisseur 3 de la figure 7. Le transistor 307 et le transistor 308 présente 40 chacun une première grille 311. La première grille 311 du transistor 307 est connectée à la borne 11, la première grille du transistor 308 étant connectée à ICG10903 FR Depot Texte.doc la borne 13. Les transistors 307 et 308 comportent par ailleurs une deuxième grille 312. La deuxième grille 312 du transistor 307 et la deuxième grille du transistor 308 sont connectées au noeud 15. Le transistor 304 et le transistor 305 comportent chacun une unique grille 313. La source du transistor 304 est connectée au drain du transistor 305, et le drain du transistor 304 est connecté à la source du transistor 305. La figure 9 est un exemple de circuit de redressement pouvant être utilisé dans un dispositif d'éclairage 1 selon l'invention. Le circuit de redressement inclut ici des transistors 321,322,323,324 à heterojonction à effet de champ configurés pour fonctionner comme des diodes, dans un pont de diodes. Les transistors 321 et 324 sont connectés par leurs sources. Les transistors 322 et 323 sont connectés par leur drain. Le drain du transistor 324 et la source du transistor 323 sont connectés à la borne 12. Le drain du transistor 321 et la source du transistor 322 sont connectés à la borne 11. Les drains des transistors 322 et 323 sont connectés à la borne 17. Les sources des transistors 321 et 324 sont connectées à la borne 18. Un convertisseur abaisseur de tension peut être connecté entre les bornes 17 et 18. Un tel circuit de redressement peut être intégré sur une même puce incluant les différents transistors à heterojonction. Les transistors 321 à 324 sont avantageusement configurés pour fonctionner en diodes Zener avec une tension Zener de 0 V, en utilisant une tension de seuil Vth de OV. Un tel circuit redresseur présente ainsi une très faible chute de tension et peut présenter des résistances de conduction très faibles. La figure 10 est une vue de dessus schématique d'un exemple d'agencement de transistors 321 à 324 du circuit de redressement de la figure 9. On constate qu'un tel circuit de redressement peut être obtenu avec une très grande compacité sur un circuit intégré. On peut également prévoir que le module d'éclairage 2 comprend au moins deux LED connectées en série, ou au moins trois LED connectées en parallèle. ICG10903 FR Depot Texte.doc REVENDICATIONS1. Dispositif d'éclairage (1), caractérisé en ce qu'il inclut : -un convertisseur alternatif/continu abaisseur de tension (3), comportant : -une interface d'entrée (11,12) de tension alternative, et une interface de sortie (13,14) ; -une diode électroluminescente (21) connectée entre des bornes de l'interface de sortie; -une résistance connectée pour former un diviseur de tension avec la diode électroluminescente par rapport à une tension appliquée à l'interface d'entrée ; -un circuit de régulation de tension ; -ladite résistance incluant un premier transistor à heterojonction à effet de champ (301) et le circuit de régulation incluant un second transistor à hétérojonction (304) à effet de champ, les premier et second transistors comportant une couche de GaN, une couche de AIGaN, et un gaz d'électrons à l'interface entre ces couches, la diode électroluminescente étant formée sur ladite couche de AIGaN. 2. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, dans lequel les premier et second transistors (301,304) comportent chacun une grille, une source et un conducteur électrique (99) raccordant cette grille et cette source. 3. Dispositif d'éclairage (20) selon la revendication 2, dans lequel ledit premier transistor à heterojonction présente une tension de seuil négative. 4. Dispositif d'éclairage selon la revendication 3, dans lequel ladite résistance inclut un troisième transistor à heterojonction à effet de champ (302) connecté en série avec le premier transistor à heterojonction et présentant une tension de seuil négative, les sources ou les drains desdits premier et troisième transistors étant connectés ensemble. 5. Dispositif d'éclairage selon la revendication 3, dans lequel ledit premier transistor à heterojonction (307) présente deux grilles. 6. Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite résistance est dimensionnée pour que la tension entre les bornes de l'interface de sortie soit inférieure au tiers de la tension sur l'interface d'entrée. ICG10903 FR Depot Texte.doc 40 7. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, dans lequel le circuit de régulation (304) est connecté en parallèle de ladite diode électroluminescente (21). 8. Dispositif d'éclairage sur les revendications 2 et 7, dans lequel ledit deuxième transistor à heterojonction (304) présente une tension de seuil positive. 9. Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant plusieurs diodes électroluminescentes (21,22) connectées en parallèle entre les bornes de ladite interface de sortie. 10. Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications précédentes, incluant en outre un circuit de redressement comprenant des quatrième, cinquième, sixième et septième transistors (321,322,323,324) à hétérojonction à effet de champ comportant chacun une grille, une source, un drain et un conducteur électrique raccordant leur grille et leur source respectives, lesdits quatrième à septième transistors présentant une tension de seuil nulle, lesdits quatrième à septième transistors étant connectés en pont de diodes. ICG10903 FR Depot Texte.doc