Brevet FR3036001A1 — publié le 20161111

COMMUTATEUR BIDIRECTIONNEL DE PUISSANCE Domaine La présente demande concerne un commutateur bidirectionnel de puissance. Exposé de l'art antérieur De nombreux types de commutateurs bidirectionnels de puissance ont déjà été proposés. De tels commutateurs sont par exemple utilisés connectés en série avec une charge à alimenter entre des bornes de fourniture d'une tension alternative d'alimentation (par exemple la tension secteur), pour contrôler la puissance fournie à la charge. Parmi les commutateurs bidirectionnels de puissance connus, on peut notamment citer les triacs, très répandus, qui présentent l'avantage d'être relativement bon marchés. Une limitation du triac est toutefois que sa borne de commande permet uniquement de le commander de l'état bloqué à l'état passant, le passage de l'état passant à l'état bloqué se produisant naturellement lorsque le courant traversant le triac descend en dessous d'un seuil. Diverses solutions à base de transistors MOS ou 20 bipolaires ont en outre été proposées pour réaliser des commutateurs bidirectionnels de puissance commandables à l'état fermé et à l'état ouvert. Ces commutateurs sont toutefois 3036001 2 relativement coûteux. En outre, la commande de ces commutateurs peut nécessiter des circuits relativement complexes. Un commutateur bidirectionnel de puissance commandable à l'état fermé et à l'état ouvert a par ailleurs récemment été 5 proposé par la demanderesse dans l'article intitulé "A vertical bidirectional bipolar power switch (BipAC) for AC mains applications" de Hiba Rizk et al.. La structure et le fonctionnement d'un tel commutateur seront décrits plus en détail ci-après en relation avec la figure 1. 10 Il existe un besoin pour un commutateur bidirectionnel de puissance commandable à l'état fermé et à l'état ouvert, ce commutateur palliant tout ou partie des inconvénients des commutateurs existants. Résumé 15 Pour cela, un mode de réalisation prévoit un commutateur bidirectionnel de puissance comportant des premier, deuxième et troisième composants comportant chacun : un empilement de première, deuxième et troisième régions semiconductrices de types de conductivité alternés ; et une région semiconductrice de commande de type de conductivité opposé à celui de la première région, disposée dans la première région, dans lequel : les premières régions des premier et deuxième composants sont de même type de conductivité et les premières régions des premier et troisième composants sont de types de conductivité opposés ; la première région du premier composant est connectée aux régions de commande des deuxième et troisième composants ; les premières régions des deuxième et troisième composants sont connectées à une première borne de conduction du commutateur ; les troisièmes régions des premier, deuxième et troisième composants sont connectées à une deuxième borne de conduction du commutateur ; et la région de commande du premier composant est connectée à une borne de commande du commutateur. Selon un mode de réalisation, les première, deuxième et troisième régions du premier composant sont respectivement de type P, N et P. 3036001 3 Selon un mode de réalisation, la surface semiconductrice du premier composant est inférieure à celle des deuxième et troisième composants. Selon un mode de réalisation, les premier, deuxième et 5 troisième composants sont formés respectivement dans trois puces semiconductrices distinctes. Selon un mode de réalisation, les trois puces sont assemblées dans un même boîtier de protection. Selon un mode de réalisation, les trois puces sont 10 montées dans trois boîtiers de protection distincts. Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième composants d'une part, et le troisième composant d'autre part, sont formés respectivement dans deux puces semiconductrices distinctes assemblées dans un même boîtier de protection. 15 Selon un mode de réalisation, le boîtier de protection comprend trois bornes de connexion externes connectées respectivement aux première et deuxième bornes de conduction et à la borne de commande du commutateur. Selon un mode de réalisation, les deuxièmes régions des 20 premier et deuxième composants ont un niveau de dopage compris entre 7*1013 et 4*1014 atomes/cm3 et une épaisseur comprise entre 150 et 250 pin, et la deuxième région du troisième composant a un niveau de dopage compris entre 7*1013 et 4*1014 atomes/cm3 et une épaisseur comprise entre 150 et 250 pin. 25 Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 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 : 30 la figure 1 est une vue en coupe illustrant de façon schématique un exemple d'un commutateur bidirectionnel de puissance ; la figure 2 est une vue schématique d'un exemple d'un mode de réalisation d'un commutateur bidirectionnel de puissance ; 35 et 3036001 4 la figure 3 est une vue schématique d'une variante de réalisation du commutateur bidirectionnel de puissance de la figure 2. Description détaillée 5 De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", 10 "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence à l'orientation des figures, étant entendu que, dans la pratique, les composants 15 décrits peuvent être orientés différemment. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 20 % près, de préférence à 10 % près. Dans la présente description, on entend par commutateur 20 bidirectionnel de puissance un commutateur bidirectionnel en courant et en tension adapté à tenir des tensions relativement élevées à l'état ouvert, par exemple des tensions supérieures à 100 V et typiquement de l'ordre de 600 V ou plus. On s'intéresse ici plus particulièrement à un commutateur bidirectionnel de 25 puissance commandable à l'état ouvert et à l'état fermé à partir d'une unique borne de gâchette référencée rapport à l'une seulement de ses bornes principales ou bornes de conduction de puissance. La figure 1 est une vue en coupe illustrant de façon 30 schématique un exemple d'un commutateur bidirectionnel de puissance 100 du type décrit dans l'article de Hiba Rizk et al. susmentionné. Le commutateur 100 est un composant monolithique comportant un empilement vertical de trois régions ou couches 35 semiconductrices 102, 104 et 106 de types de conductivité 3036001 5 alternés. Dans cet exemple, la région inférieure 106 est de type P, la région intermédiaire 104, s'étendant de la face supérieure de la région 106 à la face inférieure de la région 102, est de type N, et la région supérieure 102 est de type P. La région 5 intermédiaire 104 est relativement peu dopée par rapport aux régions supérieure 102 et inférieure 106. Dans l'exemple représenté, la région intermédiaire 104 est plus épaisse que les régions supérieure 102 et inférieure 106. A titre d'exemple, le commutateur 100 est réalisé à partir d'un substrat semiconducteur 10 faiblement dopé de type N, par exemple un substrat de silicium, les régions supérieure et inférieure 102 et 106 étant formées par implantation ou diffusion d'éléments dopants de type P respectivement depuis la face supérieure et depuis la face inférieure du substrat. Le commutateur 100 comprend en outre, dans 15 une partie supérieure de la région supérieure 102, une région de commande 108 isolée de la région intermédiaire 104 par la région 102, de type de conductivité opposé à celui de la région 102 (c'est-à-dire de type N dans l'exemple représenté), et de niveau de dopage supérieur à celui de la région intermédiaire 104. La 20 région de commande 108 s'étend, verticalement, depuis la face supérieure de la région 102 et sur une profondeur inférieure à celle de la région 102. En vue de dessus, la région de commande 108 occupe une partie seulement de la surface de l'empilement des régions 102, 104 et 106. A titre d'exemple, la région de commande 25 108 occupe (vu de dessus) moins de la moitié et de préférence moins du quart de la surface de l'empilement de régions 102, 104 et 106. Dans l'exemple représenté, la région de commande 108 est située le long d'un bord de l'empilement des régions 102, 104 et 106. La région 108 peut être formée (vu de dessus) de plusieurs 30 zones, tel un transistor bipolaire de puissance classique dont les zones base et émetteur sont généralement inter-digitées. Le commutateur 100 comprend une première électrode principale ou électrode de conduction de puissance al, en contact avec la face supérieure de la région 102 (au niveau de la portion de la région 35 102 non occupée par la couche 108). Le commutateur 100 comprend 3036001 6 en outre une deuxième électrode principale ou électrode de conduction de puissance a2, en contact avec la face inférieure de la région 106. Le commutateur 100 comprend de plus une électrode de commande g en contact avec la face supérieure de la région de 5 commande 108. La mise en conduction (fermeture) du commutateur 100 de la figure 1 s'obtient en appliquant un courant négatif sur sa borne de commande g référencé par rapport à la borne al, ce qui entraine la polarisation en direct de la jonction PN formée entre 10 les régions 102 et 108. Des électrons de la région de commande 108 sont alors injectés dans la région 102. Une partie de ces électrons atteint la région 104, formant un courant de base entrainant la mise en conduction du transistor bipolaire vertical NPN formé par les régions 102, 104 et 106. Plus particulièrement, 15 si la tension entre les bornes principales al et a2 du commutateur est positive (Và2-Val > 0, Val et Va2 désignant respectivement le potentiel de la borne al et le potentiel de la borne a2), des trous sont injectés depuis la région 106 dans la région 104. Une partie de ces trous est recombinée dans la région 104, le reste 20 étant collecté par la région 102. Si la tension entre les bornes principales al et a2 est négative (Và2-Val REVENDICATIONS1. Commutateur bidirectionnel de puissance (200) comportant des premier (1001), deuxième (1002) et troisième (1003) composants comportant chacun : un empilement de première (102), deuxième (104) et 5 troisième (106) régions semiconductrices de types de conductivité alternés ; et une région semiconductrice de commande (108) de type de conductivité opposé à celui de la première région (102), disposée dans la première région (102), 10 dans lequel : les premières régions (102) des premier (1001) et deuxième (1002) composants sont de même type de conductivité et les premières régions (102) des premier (1001) et troisième (1003) composants sont de types de conductivité opposés ; 15 la première région (102) du premier composant (1001) est connectée aux régions de commande (108) des deuxième (1001) et troisième (1001) composants ; les premières régions (102) des deuxième (1002) et troisième (1003) composants sont connectées à une première borne 20 de conduction (Al) du commutateur ; les troisièmes (106) régions des premier (1001), deuxième (1002) et troisième (1003) composants sont connectées à une deuxième borne de conduction (A2) du commutateur ; et la région de commande (108) du premier composant (1001) 25 est connectée à une borne de commande (G) du commutateur. 2. Commutateur (200) selon la revendication 1, dans lequel les première (102), deuxième (104) et troisième (106) régions du premier composant (1001) sont respectivement de type P, N et P. 30 3. Commutateur (200) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surface semiconductrice du premier composant (1001) est inférieure à celle des deuxième (1002) et troisième (1003) composants. 3036001 14 4. Commutateur (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les premier (1001), deuxième (1002) et troisième (1003) composants sont formés respectivement dans trois puces semiconductrices distinctes. 5. Commutateur (200) selon la revendication 4, dans lequel les trois puces sont assemblées dans un même boîtier de protection. 6. Commutateur (200) selon la revendication 4, dans lequel les trois puces sont montées dans trois boîtiers de 10 protection distincts. 7. Commutateur (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les premier (1001) et deuxième (1002) composants d'une part, et le troisième composant (1003) d'autre part, sont formés respectivement dans deux puces 15 semiconductrices distinctes assemblées dans un même boîtier de protection. 8. Commutateur (200) selon la revendication 5 ou 7, dans lequel le boîtier de protection comprend trois bornes de connexion externes connectées respectivement aux première (A1) et 20 deuxième (A2) bornes de conduction et à la borne de commande (G) du commutateur. 9. Commutateur (200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les deuxièmes régions (104) des premier (1001) et deuxième (1002) composants ont un niveau de 25 dopage compris entre 7*1013 et 4*1014 atomes/cm3 et une épaisseur comprise entre 150 et 250 pin, et la deuxième région (104) du troisième composant (1003) a un niveau de dopage compris entre 7*1013 et 4*1014 atomes/cm3 et une épaisseur comprise entre 150 et 250 pin.