CH641298A5 - CURRENT SWITCHING CIRCUIT COMPRISING A THYRISTOR. - Google Patents
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Description
La présente invention a pour objet un circuit comprenant un thyristor et, plus particulièrement mais non exclusivement, The subject of the present invention is a circuit comprising a thyristor and, more particularly but not exclusively,
un dispositif intégré à semi-conducteur comportant un thyristor. an integrated semiconductor device comprising a thyristor.
Les thyristors sont des dispositifs semi-conducteurs ayant une structure p-n-p-n et qui possèdent une porte permettant à une charge de puissance relativement élevée d'être commandée par une impulsion de porte de relativement faible puissance. Ils comportent des redresseurs au silicium qui ne sont généralement conducteurs que dans une direction seulement, et des triacs qui sont conducteurs dans les deux directions. Dans les deux cas, le dispositif est rendu conducteur par l'application, à la porte, d'un courant d'enclenchement, le dispositif restant alors conducteur jusqu'à ce que le courant principal tombe au-dessous d'un niveau de courant minimum (courant de maintien) nécessaire pour entretenir l'action régénératrice qui maintient le dispositif à l'état conducteur. De tels dispositifs sont largement utilisés pour la commutation de courants alternatifs mais ne peuvent être utilisés pour la commutation de courants continus lorsqu'ils sont utilisés dans des circuits de commutation complexes du fait qu'on ne trouve pas de mécanisme pour couper le dispositif. Le gain et le temps de réponse d'un tel circuit sont limités. On a proposé de réaliser un dispositif qui puisse être déclenché, c'est-à-dire coupé par une impulsion de polarités opposées à l'impulsion d'enclenchement. Cependant, de tels dispositifs nécessitent un temps de rétablissement de 10 à 20 microsecondes après le déclenchement, pendant lequel le dispositif peut être rendu à nouveau conducteur par une augmentation du courant principal; de plus, le gain de déclenchement comme aussi le temps de déclenchement se sont révélés décevants (environ 5 à 10 et environ 10 à 20 microsecondes, respectivement). Thyristors are semiconductor devices having a p-n-p-n structure and which have a gate allowing a relatively high power load to be controlled by a relatively low power gate pulse. They include silicon rectifiers which are generally only conductive in one direction, and triacs which are conductive in both directions. In both cases, the device is made conductive by the application, to the door, of an initiating current, the device then remaining conductive until the main current falls below a current level. minimum (holding current) necessary to maintain the regenerative action which keeps the device in the conducting state. Such devices are widely used for the switching of alternating currents but cannot be used for the switching of direct currents when they are used in complex switching circuits because there is no mechanism to cut the device. The gain and response time of such a circuit are limited. It has been proposed to produce a device which can be triggered, that is to say cut by a pulse of polarities opposite to the switching pulse. However, such devices require a recovery time of 10 to 20 microseconds after tripping, during which the device can be made back conductive by an increase in the main current; moreover, the trigger gain as well as the trigger time proved to be disappointing (approximately 5 to 10 and approximately 10 to 20 microseconds, respectively).
La présente invention fournit un circuit thyristor capable de commuter du courant continu par" exemple dans un chopper (vibrateur-interrupteur) ou redresseur et capable d'être réalisé de façon à présenter un gain de l'ordre de 100, et un temps de coupure ou de déclenchement de l'ordre de quelques microsecondes. The present invention provides a thyristor circuit capable of switching direct current, for example in a chopper (vibrator-switch) or rectifier and capable of being produced so as to have a gain of the order of 100, and a cut-off time. or triggering on the order of a few microseconds.
Selon l'invention, on réalise un circuit en incorporant un thyristor ayant une première et une seconde électrodes ainsi qu'une zone d'électrode de porte commune pour amorcer le flux d'un courant principal entre les première et seconde électrodes, caractérisé par le fait que la zone de porte commune est également agencée pour couper le flux de courant principal, le circuit comprenant en outre des moyens de commutation qui, lorsqu'ils sont actionnés, produisent un circuit d'impédance suffisamment faible en parallèle avec le passage de courant du thyristor entre la porte et la seconde électrode pour que le flux de courant principal diminue au-dessous du niveau nécessaire pour qu'il se maintienne par action régénératrice. According to the invention, a circuit is produced by incorporating a thyristor having first and second electrodes as well as a common gate electrode area for initiating the flow of a main current between the first and second electrodes, characterized by the common door area is also arranged to cut off the main current flow, the circuit further comprising switching means which, when actuated, produce a sufficiently low impedance circuit in parallel with the current flow thyristor between the door and the second electrode so that the main current flow decreases below the level necessary for it to be maintained by regenerative action.
Ce circuit sera de préférence un dispositif intégré à semiconducteur dont les différents éléments de circuit sont formés sur un seul substrat semi-conducteur, le circuit étant muni d'une première et d'une seconde bornes pour conduire le courant principal, d'une première borne de porte pour recevoir une impulsion d'enclenchement pour amorcer le flux de courant principal, et d'une seconde borne de porte pour recevoir une impulsion de coupure ou de déclenchement pour interrompre le flux du courant principal. Le dispositif peut être réalisé à l'aide de techniques standard. This circuit will preferably be an integrated semiconductor device whose different circuit elements are formed on a single semiconductor substrate, the circuit being provided with first and second terminals for conducting the main current, with a first door terminal to receive an energizing pulse to initiate the main current flow, and a second door terminal to receive an interrupting or tripping pulse to interrupt the flow of the main current. The device can be made using standard techniques.
Les moyens de commutation pourront comporter au-moins un transistor bipolaire produisant un gain de courant élevé. Par exemple, les moyens de commutation peuvent comporter deux transistors bipolaires avec l'émetteur de l'un relié à la base de l'autre qui, à son tour, a son circuit collecteur/ émetteur en parallèle avec le circuit porte/seconde électrode du thyristor, le tout de manière que l'application d'une impulsion de déclenchement convenable à la base dudit transistor produise la saturation de l'autre, produisant ainsi un circuit à The switching means may include at least one bipolar transistor producing a high current gain. For example, the switching means may comprise two bipolar transistors with the emitter of one connected to the base of the other which, in turn, has its collector / emitter circuit in parallel with the gate / second electrode circuit of the thyristor, the whole so that the application of a suitable trigger pulse to the base of said transistor produces the saturation of the other, thus producing a circuit to
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suffisamment basse impédance en parallèle avec le circuit por- effectivement à augmenter l'exigence de maintien du courant te/seconde électrode pour déclencher le thyristor. dynamique du dispositif jusqu'à un niveau situé au-dessus de sufficiently low impedance in parallel with the circuit effectively increases the requirement to maintain the current te / second electrode to trigger the thyristor. dynamics of the device up to a level above
Le circuit comportera avantageusement également des celui servant à conduire le courant principal par diminution moyens de dérivation contrôlables aptes à produire un pas- de l'impédance entre porte et cathode. The circuit will advantageously also include that used to conduct the main current by reducing controllable bypass means capable of producing a step of the impedance between gate and cathode.
sage de courant alternatif entre deux zones adjacentes du thy- 5 Le circuit comporte également un troisième transistor bi-ristor, de polarités opposées, dont aucune n'est la zone de polaire T3 qui assure un passage de courant alternatif mais porte, de manière à rendre ladite zone de porte sensible lors contrôlable entre les zones p et n de SCRl adjacentes à du déclenchement, améliorant ainsi le temps de déclen- l'anode. Ce transistor T3 sert ainsi à assurer que le processus chement. de déclenchement se situe de préférence dans la zone n-p-n de wise of alternating current between two adjacent zones of the thy- 5 The circuit also comprises a third bi-transistor transistor, of opposite polarities, of which none is the polar zone T3 which ensures a passage of alternating current but carries, so making said sensitive door zone when controllable between the p and n zones of SCR1 adjacent to triggering, thereby improving the time to trigger the anode. This transistor T3 thus serves to ensure that the process is working. trigger is preferably in the n-p-n area of
Des moyens amplificateurs de porte peuvent être prévus 10 SCRl. En conséquence, la zone de porte de SCRl est rendue pour appliquer un signal d'enclenchement à l'électrode de hautement sensible et est capable de couper le courant princi-porte commune de manière à produire un enclenchement pal en un temps de réponse très rapide. Une résistance R5 per rapide. met la commande du gain de la zone p-n-p de SCRl et amé- Gate amplifying means can be provided 10 SCRl. As a result, the gate area of SCRl is rendered to apply a latching signal to the highly sensitive electrode and is capable of breaking the common main gate current so as to produce a latching pal in a very fast response time . R5 resistance per fast. puts the gain control of the p-n-p area of SCRl and
Le thyristor principal pourra être un redresseur com- liore la capacité de dv/dt et le temps de déclenchement. The main thyristor could be a rectifier combining the dv / dt capacity and the tripping time.
mandé au silicium ou un triac. Dans le premier cas, une diode 15 Suivant le dispositif particulier, à savoir régénérateur, d'inversion conductrice peut être prévue pour permettre au chopper, ou redresseur, une diode conductrice à retour de courant de s'écouler entre la borne de cathode et la borne courant d2 peut être branchée en antiparallèle avec SCRl d'anode dans une direction opposée à celle du courant pour permettre au courant de s'écouler en sens inverse du sens principal. du courant principal dans SCRl. Des résistances R3 et R4 mended with silicon or a triac. In the first case, a diode 15 According to the particular device, namely regenerative, of conductive inversion can be provided to allow the chopper, or rectifier, a conductive diode with current return to flow between the cathode terminal and the current terminal d2 can be connected in antiparallel with SCRl of anode in a direction opposite to that of current to allow current to flow in opposite direction to the main direction. of the main current in SCRl. R3 and R4 resistors
Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécu- 20 servent à coupler latéralement les zones de T2 aux zones acti-tion de l'objet de l'invention. ves de SCRl, ces résistances étant représentatives de la sépa- The drawing shows, by way of example, a form of execution used to laterally couple the zones of T2 to the action zones of the object of the invention. ves of SCRl, these resistances being representative of the separation
La fig. 1 est un diagramme de circuit équivalent à un dis- ration latérale de ces zones dans le dispositif intégré. Fig. 1 is a circuit diagram equivalent to a lateral distribution of these zones in the integrated device.
positif intégré à semi-conducteur. Tl exige une tension relativement élevée qui est assurée positive integrated in semiconductor. Tl requires a relatively high tension which is ensured
La fig. 2 est une vue en plan du dispositif pendant sa fabri- par l'inclusion de résistances ri, ri' et d'une diode dl qui ser-cation, vu du bas des figs. 3 et 4. 25 vent à augmenter la tension nominale du courant de rupture Fig. 2 is a plan view of the device during its manufacture by the inclusion of resistors ri, ri 'and a diode dl which ser-cation, seen from the bottom of figs. 3 and 4. 25 wind to increase the nominal voltage of the breaking current
La fig. 3 est une coupe d'une partie du dispositif suivant la Vceo de Tl à une valeur proche de Vcbo et à améliorer le ligne OA' de la fig. 2. temps de déclenchement. T2 exige une relativement faible ten- Fig. 3 is a section through a part of the device according to the Vceo of Tl to a value close to Vcbo and to improve the line OA 'in FIG. 2. tripping time. T2 requires a relatively low voltage
La fig. 4 est une coupe d'une partie du dispositif suivant la sion (10 à 20 volts) qui permet quelque degrés de liberté dans ligne OB' de la fig. 2, et la conception du dispositif en optimisant certains paramètres Fig. 4 is a section of a part of the device according to the sion (10 to 20 volts) which allows some degrees of freedom in line OB 'of FIG. 2, and the design of the device by optimizing certain parameters
La fig. 5 est un graphique illustrant les caractéristiques de 30 de façon à produire une haute capacité de courant, une com-commutation du dispositif. mutation rapide, un gain élevé, et une tension de saturation Fig. 5 is a graph illustrating the characteristics of 30 so as to produce a high current capacity, a switching of the device. rapid mutation, high gain, and saturation voltage
Le dispositif représenté peut être appelé un redresseur faible. Afin d'empêcher l'écoulement du courant principal à commandé au silicium comportant une porte de coupure ou travers Tl, celui-ci est agencé de façon à présenter une.petite de déclenchement, ce dispositif comprenant, en fait, un cer- zone effective et à avoir une chute de gain abrupte au-dessus tain nombre de composants semi-conducteurs intégrés dans 35 de son niveau de courant maximum désigné. Une résistance un substrat unique. La structure et le fonctionnement du dis- R2 est branchée entre l'électrode de porte 3 et la cathode 2 positif pourront être plus facilement compris en se référant au pour aider au processus de coupure ou déclenchement. The device shown can be called a weak rectifier. In order to prevent the flow of the main silicon-controlled current comprising a cut-off gate or through Tl, this is arranged so as to present a small trigger, this device comprising, in fact, an effective zone and to have an abrupt drop in gain above any number of semiconductor components integrated into 35 of its designated maximum current level. A single substrate resistance. The structure and operation of the dis-R2 is connected between the door electrode 3 and the positive cathode 2 can be more easily understood by referring to it to aid in the cut-off or tripping process.
circuit équivalent représenté à la fig. 1, quand bien même il est En se référant aux figs. 2 à 4, les différents composants du entendu que ce schéma n'est destiné qu'à servir de modèle. circuit sont réalisés par diffusion sur les deux côtés d'un subDans la pratique, des zones variées des différents composants 40 strat au silicium 4 du type n. La zone n 5 représentée à la fig. 3 peuvent ne pas être physiquement séparées et la structure peut être obtenue par croissance epitaxiale. Une couche mé- equivalent circuit shown in fig. 1, even though it is Referring to figs. 2 to 4, the various components of the understanding that this diagram is only intended to serve as a model. circuit are produced by diffusion on the two sides of a sub. In practice, various zones of the different components 40 silicon strat 4 of type n. The zone 5 shown in FIG. 3 may not be physically separated and the structure may be obtained by epitaxial growth. A metallic layer
réelle peut être quelque peu plus compliquée. tallisée d'aluminium 6 est réalisée sur chaque face du substrat real may be somewhat more complicated. coated with aluminum 6 is produced on each side of the substrate
Le circuit représenté à la fig. 1 comprend un redresseur et les fuites de courant sont minimisées par un chanfreinage principal SCRl commandé au silicium, du type p-n-p-n, adéquat des bords du substrat 5 et en les arrondissant avec un ayant une anode 1, une cathode 2, et une électrode de porte 45 matériau de passivation 7. Le substrat est pris en sandwich commune 3 pour enclencher le dispositif et le déclencher ou le entre deux contacts de pression non représentés et est encap-couper. Le dispositif est enclenché par l'application d'une im- sulé de façon usuelle. The circuit shown in fig. 1 includes a rectifier and the current leaks are minimized by a main chamfering SCRl controlled with silicon, of the pnpn type, suitable for the edges of the substrate 5 and by rounding them with one having an anode 1, a cathode 2, and a door electrode 45 passivation material 7. The substrate is sandwiched in common 3 to engage the device and trigger it or between two pressure contacts not shown and is encap-cut. The device is triggered by the application of a conventional insula- tion.
pulsion positive à une première borne de porte gl, cette im- La fig. 2 représente le substrat 4 vu de la partie inférieure pulsion étant «amplifiée» par un redresseur pilote SCR2 com- de la fig. 3, illustrant la porte d'enclenchement gl et la porte mandé au silicium relié à l'électrode de porte commune 3, ce 50 de déclenchement g2 avant la métallisation. Cette figure mon-qui assure un enclenchement rapide (haute capacité di/dt) du tre également la diode conductrice à retour de courant d2 for-dispositif. Le redresseur SCR2 déclenche lorsque le redresseur mée à la circonférence extérieure du substrat 4. SCR1 commence à devenir conducteur. La fig. 3 représente l'anode 1 située d'un côté du substrat 4 positive impulse at a first door terminal gl, this im- Fig. 2 represents the substrate 4 seen from the lower drive part being “amplified” by a pilot rectifier SCR2 com- of FIG. 3, illustrating the interlocking gate gl and the silicon mandated gate connected to the common gate electrode 3, this trigger g2 50 before metallization. This figure mon-which ensures rapid engagement (high capacity di / dt) of the tre also the conductive diode with current feedback d2 for-device. The rectifier SCR2 trips when the rectifier led to the outer circumference of the substrate 4. SCR1 begins to become conductive. Fig. 3 represents the anode 1 located on one side of the substrate 4
Le dispositif est déclenché ou coupé par l'application et la cathode 2 située de l'autre côté de celui-ci. En pratique, la d'une impulsion positive à une seconde borne de porte g2, 55 métallisation de cathode est plus épaisse que la métallisation cette impulsion servant à déclencher les deux transistors bipo- de porte de telle manière que l'organe de contact de cathode, laires TI et T2 d'une paire de Darlington modifiée. L'agence- agissant par pression, n'entre pas en contact électriquement ment est tel que le transistor T2 arrive rapidement à satura- avec les portes. Le contact électrique avec les portes est réalisé tion et produit un passage de courant à faible impédance en par des fils non représentés. Les zones du substrat 4 corres-parallèle avec le circuit porte commune/cathode du redresseur60 pondant aux différents éléments sont indiquées par les mêmes SCRl. Cela sert à dériver ou shunter une grosse sortie du cou- lettres et chiffres de référence que ceux utilisés pour les élé-rant principal par le transistor au moyen de l'électrode de ments de la fig. 1. Il est à remarquer que SCRl est de forme porte 3, avec pour effet que le courant passant entre la porte et annulaire. Les émetteurs de TI et T2 ont une haute concentrales zones de cathode du redresseur SCRl diminue au-dessous tion en impureté de manière à produire un gain et un rende-du niveau nécessaire à maintenir SCRl conducteur par action 65 ment élevés. Il est à remarquer que la présence de la porte de régénératrice. Le courant principal passant par SCRl est ainsi déclenchement n'affecte pas défavorablement les propriétés réduit à zéro et reste à ce niveau jusqu'à ce que la borne gl re- de haute tension de SCRl du fait que la zone n et la zone çoive une impulsion. Le processus de déclenchement consiste d'anode de SCRl restent intactes. Une séparation latérale de The device is triggered or cut by the application and the cathode 2 located on the other side of it. In practice, the of a positive pulse at a second gate terminal g2, 55 cathode metallization is thicker than the metallization this pulse used to trigger the two bipo- gate transistors in such a way that the cathode contact member , TI and T2 areas of a modified Darlington pair. The agency, acting by pressure, does not come into electrical contact, such that the transistor T2 quickly reaches saturation with the gates. The electrical contact with the doors is made and produces a current flow at low impedance by wires not shown. The areas of the substrate 4 corres-parallel with the common gate / cathode circuit of the rectifier 60 weighting the different elements are indicated by the same SCRl. This is used to derive or shunt a large output from the reference letters and numbers as those used for the main elements by the transistor by means of the electrode of fig. 1. It should be noted that SCRl is of gate 3 shape, with the effect that the current passing between the gate and annular. The transmitters of TI and T2 have a high central cathode areas of the rectifier SCRl decreases below in impurity so as to produce a gain and a return of the level necessary to maintain SCRl conductor by action 65 ment high. It should be noted that the presence of the regenerator door. The main current passing through SCRl is thus triggered does not adversely affect the properties reduced to zero and remains at this level until the terminal gl re- of high voltage of SCRl because the zone n and the zone receive a impulse. The triggering process consists of SCRl anode remain intact. A lateral separation of
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Tl à partir de la structure de base de SCRl produit l'isolation électrique requise. Tl from the basic structure of SCRl produces the required electrical insulation.
Le transistor p-n-p T3 est incorporé dans la structure de base p-n-p-n en permettant aux zones choisies du substrat de rester du type n après la diffusion^ principale. R5 est formé par des courts-circuits d'anode, R2 est formé par des courts-circuits de diffusion de porte qui restent après la diffusion de cathodes. Ces courts-circuits de cathode seront plus grands et plus nombreux dans les zones précédant la structure de porte de déclenchement. Un dopage à l'or et/ou un dopage par transmission de neutrons du substrat peut être utilisé pour le contrôle de longévité des caractéristiques de déclenchement et, également, pour permettre d'utiliser un substrat plus mince produisant ainsi des tensions à l'état enclenché plus faibles. The transistor p-n-p T3 is incorporated into the basic structure p-n-p-n by allowing the selected areas of the substrate to remain of the n type after the main diffusion. R5 is formed by anode short circuits, R2 is formed by gate diffusion short circuits which remain after the cathode diffusion. These cathode short circuits will be larger and more numerous in the areas preceding the trip gate structure. A doping with gold and / or a doping by neutron transmission of the substrate can be used for the control of longevity of the characteristics of release and, also, to allow to use a thinner substrate thus producing tensions in the state engaged weaker.
Les caractéristiques d'enclenchement et de déclenchement du dispositif décrit ci-dessus sont illustrées à la fig. 5 qui est un graphique de la tension V anode/cathode par rapport au temps t Le gain de courant de T3 est important du fait qu'il détermine à la fois le retard de déclenchement et l'augmentation de temps, la fig. 5 représentant les tensions d'enclenche-5 ment et de déclenchement pour différents gains de T3. On voit que, en choisissant un gain convenable pour T3, une charge de 1 kw peut être déclenchée avec un délai d'une microseconde au moyen de 1 watt, plus une impulsion de porte de 10 volts. On voit que l'élimination de l'impulsion de porte com-io plète et termine l'action de déclenchement. Le dispositif a ainsi un temps de réponse de 2 à 3 microsecondes. En outre, un gain de déclenchement, c'est-à-dire le rapport entre le courant principal et le courant de porte, de plus de 100, est obte-nable avec un tel dispositif. Un dispositif similaire peut être réalisé de manière à être capable de conduire du courant dans les deux directions. Un tel dispositif peut être appelé un triac de déclenchement à porte. The switching on and off characteristics of the device described above are illustrated in FIG. 5 which is a graph of the voltage V anode / cathode with respect to time t The current gain of T3 is important because it determines both the trigger delay and the increase in time, FIG. 5 representing the switching on and off voltages for different gains of T3. We see that, by choosing a suitable gain for T3, a load of 1 kw can be triggered with a delay of one microsecond by means of 1 watt, plus a door pulse of 10 volts. We see that the elimination of the door impulse completes and ends the triggering action. The device thus has a response time of 2 to 3 microseconds. In addition, a trigger gain, that is to say the ratio between the main current and the gate current, of more than 100, is obtainable with such a device. A similar device can be made so as to be able to conduct current in both directions. Such a device can be called a door triac triac.
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