FR2525392A1 - Transistor de puissance du type comportant un nombre n de structures fonctionnelles branchees en parallele - Google Patents

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES TRANSISTORS. LE TRANSISTOR FAISANT L'OBJET DE L'INVENTION EST CARACTERISE EN CE QUE CHACUNE DES STRUCTURES FONCTIONNELLES 1 EST MUNIE DE DEUX COUPE-CIRCUIT 5 DONT CHACUN EST INTERCALE ENTRE LA CONNEXION DE BASE OU LA CONNEXION D'EMETTEUR DE CETTE STRUCTURE ET L'ELECTRODE 3 OU 4 CORRESPONDANTE DU TRANSISTOR, LE NOMBRE DE STRUCTURES FONCTIONNELLES ETANT CHOISI DE MANIERE A SATISFAIRE LA CONDITION:NNEOU : N EST LE NOMBRE DE STRUCTURES FONCTIONNELLEMENT INDISPENSABLE; L EST L'INTENSITE DE DEFAILLANCE DE LA STRUCTURE FONCTIONNELLE 1 COMPTE TENU DE LA FIABILITE DES COUPE-CIRCUIT 5 RESPECTIFS; T EST LA DUREE DE VIE DU TRANSISTOR. LE TRANSISTOR EN QUESTION PEUT ETRE UTILISE NOTAMMENT DANS LES CONVERTISSEURS DE COURANT CONTINU TRANSISTORISES, LES RELAIS ET COMMUTATEURS DE PUISSANCE SANS CONTACT.

Description

La présente invention concerne l'électrotechnique et a notamment pour objet un transistor.
L'invention présente le plus d'intérêt pour la commutation sans contact des courants, en particulier dans les convertisseurs de courant continu transistorisés, les relais et commutateurs de puissance sans contact, les régulateurs, les stabilisateurs, les amplificateurs et dans d'autres dispositifs analogues.
Dans le monde entier, on se penche actuellement sur le problème de la mise au point d'un transistor de puis sance fiable etpeu coûteux, pouvant être utilisé dans différents dispositifs employés dans la technique de la conversion par semi-conducteurs et fonctionnant dans la gamme de fréquence allant de quelques hertz à des centaines de kilohertz.
Il existe actuellement deux principes essentiels d'obtention detels traasistors. Premièrement, un transistor de puissance peut être construit à base d'un seul cristal présentant une surface agrandie de jonction p-n. Cependant, toute augmentation de la surface de Jonction p-n conduit à une répartition plus irrégulière du courant suivant cette surface, ce qui nuit à la fiabilité du transistor et à ses caractéristiques de fréquence. Ces difficultés peuvent être en partie surmontées en employant des matériaux de première qualité et en apportant des perSec- tionnements à la technique de fabrication des transistors.
Mais cette voie, à son tour, conduit à une augmentation considérable du coût des transistors. En outre, les transistors à base d'un seul cristal ne sont applicables que pour des courants ne dépassant pas 500 A.
Le deuxième principe consiste à construire le transistor à base de plusieurs structures de type transistor, branchées en parallèle et associées en un seul bloc.
Les techniques existantes permettent de diminuer la répartition du courant entre ces structures de type transistor. D'autre part, on arrive à améli-#rer les caractéristiques de fréquence du transistor en question.
Par exemple, on connait un transistor (voir le brevet d'invention RFA NO 22068953comportant un nombre N de structures transistor branchées en parallèle, qui sont montées sur une platine pour ltextraction de la chaleur qui sert en même temps d'électrode eollectrice du transistor.
Les sorties de base et d'émetteur des structures sont reliées aux électrodes respectives du transistor par 1'intermédiaire de conducteurs à inductance répartie.
Les électrodes du transistor, munies de prises de courant, sont disposées sur une platine isolante pour l'extraction de la chaleur, où elles se trouvent dans un même plan et au voisinage immédiat l'une de l'autre. Pour compenser l'inductance des conducteurs, le circuit de chacune des structures comprend un élément condensateur intercalé de façon appropriée entre l'électrode de base et l'électrode émettrice.
Dans le transistor considéré, le claquage de l'une quelconque des structures transistor conduit au dérangement du transistor tout entier et, par conséquent, la fiabilité dudit transistor devient d'autant plus basse que les structures constituant le transistor sont plus nombreuses.
Disposées dans un même plan, les électrodes de ce transistor se caractérisent par une inductance élevée, ce qui provoque des pics de surtension qui peuvent affecter les structures transistor lors de la commutation de courants forts, ce qui affecte la fiabilité du dispositif.
D'autre part, pour relier les connexions des structures aux électrodes du transistor, on a besoin de conducteurs relativement longs dont l'inductance est considérable, ce qui nuit également à la fiabilité du transistor. En ce qui concerne les éléments condensateurs auxquels on a recours pour compenser l'inductance, leur présence n'est efficace que dans le domaine des fréquences résonantes et, technologiquement parlant, n'est pas justifiée.
Le transistor considéré utilise, en tant que surface d'extraction de la chaleur, la face de la platine pour ltextraction de la chaleur qui est en même temps l'électrode collectrice du transistor. Du fait que l'extraction de la chaleur ne s'opère que d'une manière unilatérale, le transistor en question se caractérise par une résistance thermique relativement importante.
L'invention vise donc un transistor à base de plusieurs structures fonctionnelles branchées en parallèle, dont la conception serait telle que l'augmentation du nombre de structures transistor fonctionnelles entraine une amél# o- ration de la fiabilité de l'ensemble du transistor.
Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un transistor comportant un nombre N de structures fonctionnelles branchées en parallèle et montées sur une platine servant à l'extraction de la chaleur et constituant l'électrode collectrice dudit transistor, dans lequel lesdites struc tures fonctionnelles ont leurs connexions de base et d'émetteur reliées électriquement à l'électrode de base et à l'électrode émettrice, respectivement, du transistor, ces électrodes étant du type plaque et chacune desdites électrodes étant munie d'une prise de courant extérieure, lequel transistor est caractérisé, selon l'invention, en ce que chacune desdites structures fonctionnelles est munie de deux coupe-circuit dont chacun est inséré entre la sortie de base ou la sortie d'émetteur de cette strus- ture et l'électrode correspondante du transistor, le nombre de structures fonctionnelles étant choisi de manière à satisfaire à la condition.:
N Bo n.e où n est le nombre de structures fonctionnellement
indispensable
i est l'intensité des défaillances de la structure
fonctionnelle compte tenu de la fiabilité des
coupe-circuit respectifs ~
T est la durée de vie du transistor.
Cette conception du transistor a l'avantage que le claquage de n'importe laquelle des jonctions p-n de la structure fonctionnelle donne lieu à la fusion du coupecircuit correspondant et, par conséquent, à l'isolement de cette jonction par rapport à l'ensemble du transistor.
En d'autres termes, la défaillance d'une structure individuelle ne provoque pas la défaillance du transistor tout entier, ce qui améliore la fiabilité du dispoeitif.
Dans le dispositif proposé, l'augmentation du nombre de structures fonctionnelles entraine non pas une baisse de sa fiabilité, maisson amélioration.
Il est rationnélque les électrodes du transistor soient disposées dans des plans parallèles et soient séparées par des joints isolants, en formant ainsi une structure feuilletée, 11 électrode de base et l'électrode d'émetteur étant de forme et de dimensions identiques.
Le fait que les électrodes soient proches l'une de l'autre et qu'elles aient une forme et des dimensions identiques assure la compensation des champs électromagnétiques produits par chacune desdites# électrodes, ce qui permet de réduire l'inductance des circuits du tran-.
sistor et par conséquent d'accrottre la fiabilité de celui-ci.
Il est d'autre part avantageux de pratiquer dans les joints isolants et dans les électrodes de base et d'émetteur des ouvertures pour le passage des connexions des structures fonctionnelles. Les ouvertures en question permettent d'effectuer la liaison des connexions des structures par le plus court chemin, ce qui contribue à réduire encore plus leur inductance et à simplifier la technologie de leur assemblage.
L'électrode émettrice peut être disposée entre l'électrode collectrice et celle de base.
Une telle disposition a l'avantage de rapprocher au maximum les plaques parcourues par des courants de sens opposés et, par là même, d'assurer une inductance minimale des circuits du transistor.
Pour diminuer la voie de cheminement du courant et, par conséquent, l'inductance et les pertes de puissance dans les circuits du transistor, il est rationnel que les électrodes en plaque soient en forme de rectangles sur les côtés les plus longs desquels sont disposées les prises de courant extérieures.
Les pertes de puissance sont réduites à un minimum dans les circuits du transistor lorsque le rapport entre le grand côté et le petit côté du rectangle est inférieur à 3.
Il est aussi possible de réaliser le transistor de sorte que chacun des joints isolant précités présente, des surfaces conductrices isolées des électrodes et dont chacune est reliée à la connexion correspondante de la structure fonctionnelle, chacun des coupe-circuit précités se présentant sous forme d'un conducteur calibré reliant ladite surface conductrice à l'électrode correspondante du transistor.
Lesdites surfaces conductrices de même que la conception proposée des coupe-circuit permettent d'augmenter la densité d'assemblage et de réduire le poids et les dimensions du transistor.
Le transistor revendiqué peut comprendre en outre une plaque additionnelle d'extraction de la chaleur, isolée de la structure feuilletée et reliée à la platine pour l'extraction de la chaleur par l'intermédiaire d'appuis disposés suivant la périphérie de ladite structure feuilletée, ainsi que par d'autres appuis passant à travers des ouvertures réalisées dans cette structure.
Le fait de recourir à ladite plaque additionnelle d'extraction de la chaleur et auxdits appuis la reliant à la platine précitée étend considérablement la surface de refroidissement du transistor et accroit la rigidité structurale de celui-ci.
On peut aussi prévoir dans le transistor, entre ses électrodesémettrices et collectrices, au moins deux circuits de protection contre les surtensions, répartis suivant la surface de disposition des structures fonctionnelles.
Ces circuits protecteurs, de même que leur répartition suivant la surface de disposition des structures fonction nelles, contribuent à la fiabilité du transistor en régime de commutation.
D'autre part, lesdits circuits protecteurs peuvent être munis d'éléments coupe-circuit.
Ceci permet de protéger le transistor contre les claquages éventuels pouvant survenir dans les éléments constituant lesdits circuits protecteurs.
Une diode semi-conductrice de régulation de tension peut être employée en tant que circuit protecteur.
Ce mode de réalisation permet de protéger le transistor, ses structures fonctionnelles notamment, contre tout claquage éventuel lors des blocages du transistor.
Pour mieux protéger les structures fonctionnelles lors de la commutation des courants forts et en présence d inductances relativement importantes dans les circuits des électrodes, des varistances peuvent être employées en tant que circuits protecteurs contre les surtensions.
En tant que circuits protecteurs contre les surtensions, on peut aussi employer un condensateur et une diode reliés entre eux en série, le transistor pouvant alors être muni d'une électrode supplémentaire à laquelle est connecté le point de connexion du condensateur et de la diode de chacune des structures mentionnées.
Une telle réalisation du circuit protecteur contre les surtensions, de même que le recours à une électrode supplémentaire, permet d'élever non seulement la fiabilité du dispositif, mais aussi son rendement.
Pour protéger le transistor contre les courants inverses et pour récupérer l'énergie de l'inductance de charge, il est rationnel que le dispositif selon l'invention comporte en outre au moins une diode dont une connexion est disposée sur l'électrode collectrice, au voisinage de la prise de courant de celle-ci, tandis que l'autre est reliée à l'électrode émettrice.
Il est d'autre possible que ladite autre connexion de ladite diode soit reliée à l'électrode émettrice par l'intermédiaire d'un élément coupe-circuit.
Ce mode de réalisation a l'avantage de protéger le transistor contre tout claquage éventuel desdites diodes.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une vue-d'ensemble-d'un transistor conforme à l'invention
- la figure 2 est une vue fragmentaire en coupe suivant Il-Il de la figure 1 (à échelle agrandie)
- la figure 3 est une vue fragmentaire de la structure feuilletée d'un transistor conforme à l'invention, dont les coupe-circuit se présentent sous forme de conducteurs calibrés
- la figure 4 est une vue d'ensemble d'un transistor muni de circuits de protection contre les surtensions, qui sont répartis suivant la surface de disposition des structures fonctionnelles
- la figure 5 représente le schéma électrique d'une variante de réalisation du transistor conforme à l'invention, dont les circuits de protection contre lts surten- sions se présentent sous forme de diodes semi-conductr#ces et de varistances
- la figure 6 représe#te le schéma électrique du mode de réalisation dans lequel le transistor est muni d'une électrode complémentaire
- la figure 7 est une vue fragmentaire du transistor représenté sur la figure 6
- la figure 8 représente le schéma électrique d'un transistor conforme à l'invention, illustrant les inductances réparties des circuits du transistor
- la figure o (a, b, c) montre trois circuits principaux des régulateurs d'impulsions de tension continue, utilisant le transistor conforme au mode de réalisation représenté sur les figures 6 et 7 - la figure 10 représente un autre mode de réalisation comportant une diode pour la protection contre les courants inverses
- la figure Il représente un graphique illustrant la variation de la longueur relative de la voie de passage du courant en fonction du rapport entre les côtes du rectangle et de l'emplacement des prises de courant.
Le transistor, objet de invention (voir les figures 1 et 2), comporte un ensemble dé structures fonctionnelles 1 dont chacune est montée par sa connexion de collecteur sur une platine extractrice de chaleur constituant en même temps l'électrode collectrice du transistor. Ce montage est normalement exécuté par brasage. Les électrodes de base et émettrice, respectivement 3 et 4, se présentent elles auss sous forme de plaques. Chacune des structures fonctionnelles 1 est munie, selon l'invention, de deux coupe-circuit 5 dont chacun est intercalé entre la connexion de base ou d'émetteur des structures 1 et l'électrode de base ou émettrice 3 ou 4 respective du transistor.Le nombre N de structures fonctionnelles est choisi de manière à satisfaire à la condition : N wn.e wT, (î) où : n est le nombre de structures fonctionnellement
indispensable ;
\ est l'intensité des défaillances d'une struc
ture fonctionnelle, compte tenu de la fiabilité
des coupe-circuit respectifs
T est la durée de vie du transistor.
Cette condition résulte de la loi des grands nombres, suivant laquelle, pour les nombres N relativement grands, on peut écrire sans risque d'erreur sensible
= q, (2)
N où : m est le nombre des structures fonctionnelles
défaillantes pendant le temps T
N N est le nombre de structures fonctionnelles
q est la probabilité de défaillance de la structure
fonctionnelle pendant le temps T.
Du fait que la défaillance d'une cellule et son fonctionnement sans défaillance sont des faits opposés, on considère comme juste l'expression
q = 1 - p, (3) où p=e AT est la probabilité de fonctionnement sans
défaillance de la structure fonctionnelle
(compte tenu de la fiabilité des coupe-circuit).
La substitution de l'expression (3) dans l'expression (2) donne : m 1 ~ AT (4)
Si le nombre m de structures défaillantes est inférieur à excédent de structures fonctionnelles égal à N - n, le transistor fonctionne sans défaillance, mais si m > N - n, le transistor est défaillant. Pour le cas limite où le nombre de structures en défaillance est égal à l'excédent de structures (m = N - n), on peut écrire que N - n ~ AT.AT. (5)
N
Après avoir résolu (5) par rapport à N, on obtient
N = n.e AT. (6)
Du fait que l'expression (6) est valable pour le cas où le nombre de structures en défaillance est égal à l'excédent des structures N - n, la fiabilité recherchée du transistor n'est possible qu'à condition que :
N > n.e#T (7)
Dans le transistor revendiqué, le claquage de l'une quelconque des jonctions p-n de la structure fonctionnelle provoque la fusion du coupe-circuit correspondant et l'isolement de cette jonction de l'ensemble du transistor.
La défaillance d'une structure quelconque n'affecte donc pas le fonctionnement de ensemble du dispositif.
D'autre part, le nombre de structures fonctionnelles est choisi en sorte que son augmentation conduise non pas à une réduction, mais à une augmentation de la fiabilité du transistor. Par exemple, on emploie des structures fonctionnelles prévues pour un courant de 2 A dans un transistor devant commuter un courant de l'ordre de 100 A. L'intensité de défaillance d'une telle structure, compte tenu de la fiabilité des deux coupe-circuft# est égale à 10 51/h, la durée de vie du transistor est de 104 heures et le nombre de structures fonctionnellement indispensable dans ce transistor est de 50.
En appliquant la condition conforme à la présente invention on trouve le nombre total de structures devant
Figure img00100001
En arrondissant on obtient
N > 56.
On sait, d'après la théorie de la fiabilité, que la probabilité de fonctionnement sans défaillance d'un tel système est exprimée par la formule de distribution binôminale, l'augmentation dumiILti~iie de mise en réserve (rapportentre le nombre d'éléments en réserve et lenDmkre d'éléments principaux) conduisant à l'augmentation de cette probabilité. Dans le cas particulier considéré, la probabilité de fonctionnement sans défaillance est égale à 0,71 en cas d'utilisation de 6 structures en excédent (N = 56), à 0,9 en cas d'utilisation de 8 structures en excédent (N = 58), et à 0,95 en cas d'utilisation de 10 structures en excédent (N = 60).
Un avantage significatif de la condition conforme à l'invention réside en ce que l'effet d'amélioration de la fiabilité peut être obtenu, dans le transistor revendiqué, non seulement par augmentation du multiple de mise en réserve, mais aussi par augmentation du nombre total de structures fonctionnelles, ledit multiple de mise en réserve demeurant invariable. Par exemple, si Iton emploie dans un transistor analogue des structures fonctionnelles plus faibles, prévues en particulier pour un carrant de 1 A, le nombre de structures fonctionnellement indispensable sera de 100.Dans ce cas, lorsqu'on met en réserve 12 structures fonctionnelles (N = 112) la probabilité de fonctionnement sans défaillance du transistor est de 0,73, dans le cas de 16 structures en réserve (N = ii6), elle sera de 0,95, et dans le cas de 20 structures en réserve (N = 120), elle sera de 0,995.
Ainsi, la condition conforme à L'invention permet d'élever la fiabilité du transistor en augmentant le nombre total de structures fonctionnelles "réduites" d'une manière correspondante . L'utilisation de cette condition permet d'obtenir des dispositifs fonctionnant pratiquement sans défaillance avec un multiple de mise en réserve relativement faible (ne dépassant pas 0,2).
Les figures 2 et 3 représentent le cas où 11 électrode collectrice ainsi que les électrodes 3 et 4 sont disposées dans des plans parallèles et sont séparées les unes des autres par des joints 6, en formant une structure feuilletée, les électrodes de base et émettrice 3 et 4 étant de forme et de dimensions identiques.
Du fait que le sens des courants de l'électrode collectrice et de l'électrode de base est le même, leur total étant équivalent au courant traversant l'électrode émettrice dans le sens opposé, la disposition desdites électrodes dans des plans différents permet de créer une ligne bifilaire dont l'inductance peut être déduite, avec une précision suffisante pour les besoins pratiques, à partir de l'expression suivante
51 (8)
+ h (8) où j est la perméa#ilité magnétique des Joints
isolants
S est la distance entre les plaques
h est la largeur des plaques
1 est la longueur des plaques
L'expression (8) montre que l'inductance diminue avec la diminution de la longueur 1 des plaques et du rapport S/h.
Du fait que, dans le transistor conforme à l'invention, lesplaques conductrices sont rapprochées les unes des autres, une telle construction permet de diminuer l'inductance des circuits constituant le transistor.
Le fait de prévoir des ouvertures 7 dans les électrodes en plaque, de même que dans les joints isolants 6, permet de relier les sorties des structures fonctionnelles 1 aux électrodes respectives par la voie la plus courte, ce qui contribue aussi à la diminution de l'inductance des circuits du transistor et à la simplification de l'assemblage du dispositif.
D'autres modes de réalisation du transistor conforme à l'invention permettent de réduire encore plus l'inductance dans les circuits du transistor en disposant l'électrode émettrice 4 entre l'électrode collectrice et celle de base. Cette disposition des électrodes au sein du transistor permet un rapprochement maximal des plaques traversées par des courants de sens contraires et, par conséquent, rend minimale ladite inductance.
Suivant encore un autre mode de réalisation de l'invention, le transistor est muni d'une plaque additionnelle 8 d'extraction de chaleur, isolée de la structure feuilletée et reliée à la platine principale I par l'intermédiaire des appuis 9 disposés suivant la périphérie de ladite structure feuilletée et par l'intermédiaire des appuis 10 passant par des ouvertures débouchantes réalisées dans cette structure.
Le fait de recourir à la plaque 8 permet d'élargir considérablement la surface de refroidissement du transistor. Sa résistance thermique diminue alors en favorisant l'accroissement de sa capacité de charge. D'autre part, la structure obtenue est plus rigide.
Suivant encore un autre mode de réalisation, les
Joints 6 (figure 3) présentent des surfaces conductrices Il qui sont isolées des électrodes et à chacune desquelles est reliée la connexion correspondante de la structure fonctionnelle 1. En ce cas, les coupe-circuit 5 se présentent sous forme de conducteurs calibrés reliant lesdites surfaces Il aux électrodes respectives du transistor.
Cette réalisation permet d'accroltre la densité d'assemblage et de diminuer le poids et les dimensions du transistor.
Un facteur important dont il faut tenir compte lors de la fabrication du transistor est la longueur des lignes de connexion reliant les connexions des structures fonctionnelles aux prises de courant. Cette longueur dépend de la configuration de la construction considérée et de l'emplacement de la prise de courant sur celle-ci.
En diminuant la longueur de la ligne on peut diminuer l'inductance et réduire les pertes de puissance.
On va examiner ci-dessous la configuration la plus courante, par exemple rectangulaire, comportant un nombre r d'éléments.
On admettra à titre d'exemple que chacun des éléments occupe sur cette surface une aire carrée de côté a et que ses électrodes sont reliées aux prises de courant par des conducteurs de longueurs différentes dépendant de la position de cet élément sur la surface en question. Les conducteurs passent parallèlement aux côtés du rectangle et les prises de courant sont disposées sur l'un de ses côtés. La densité du courant est identique dans tous les conducteurs.
Si l'on dispose sur l'un des côtés du rectangle un nombre S d'éléments, sur l'autre côté il y en aura KS et le nombre total d'éléments disposés sur cette surface sera
r = KS2 (9) où : K est le coefficient déterminant le rapport entre
les côtés du rectangle.
En admettant maintenant que la prise de courant soit disposée sur le côté durectangle qui comporte KS éléments, qu'entre l'un des points extrêmes de ce côté et ladite prise de courant soient placés un nombre d'éléments X, et entre l'autre point extrême dudit côté et la prise considérée, un nombre d'éléments (KS - X), la longueur totale
L des lignes de connexion présentes sur la surface s'exprimera de la manière suivante
Figure img00130001
Figure img00140001
Si l'on admet que les dérivés selon K et X sont égaux à zéro, on obtient
Figure img00140002
En résolvant (1i) et #2) vis-à-vis de (9) et compte tenu de K et X, on obtient ::
Figure img00140003

ou, en d'autres termes, la longueur minimale des lignes de connexion sera celle d'un rectangle dont le rapport des côtés est de 2, la prise de courant étant disposée à mi-longueur du grand côté.
La substitution de (13) dans l'équation (10) donne la longueur minimale des lignes de connexion
Lmin = ar\5# (14)
Le rapport entre (io) et (14) permet d'obtenir l'expression de la longueur relative des lignes de communication
Figure img00140004
La figure Il des dessins représente le graphique établi selon 11 équation (ils), qui montre la variation de la longueur relative des lignes de connexion en fonction du rapport des côtés du rectangle pour différents cas de disposition de la prise de courant (X=O, X=0,25KS,
X=0,5 KS).
Compte tenu du caractère de ladite fonction pour X égal à 0,5 KS, ainsi que sur la base de considérations de construction et de commodité d'exploitation du transistor de forme rectangulaire, le rapport des côtés du rectangle est choisi inférieur à 3. Ceci permet de diminuer la longueur des lignes de connexion et, par là même, de réduire les pertes dans les circuits du tr asistor.
Dan 19 transistor proposé, le mode de réalisation d'une série d'eléments constitufifs peut différer de celui qui a été examiné dans l'exemple considéré. La forme du transistor, les dimensions et la configuration des ouvertures d'assemblage, de même que l'emplacement des prises de courant, peuvent être choisis d'une manière quelconque, pourvu qu'ils soient commodes pour le montage du dispositif utilisant ledit transistor.
Il est connu que lors d'un blocage rapide du transistor, on assiste, lors de la commutation du courant, à l'apparition de surtensions, dont la polarité coïncide avec celle de la tension d'alimentation.
Ce phénomène est dû à la présence d'une inductance de montage dans les circuits extérieurs ainsi que dans les circuits des électrodes du transistor, entre les électrodes collectrice et émettrice de celui-ci.
Dans la présente invention, on propose d'élever la fiabilité du transistor en régime de commutation en munissant ce transistor de circuits 12 de protection contre les surtensions, ces circuits étant intercalés entre les électrodes émettrice et répartis suivant la surface de disposition des structures fonctionnelles (voir les figures 4, 5, 6, 7).
Les circuits protecteurs 12 peuvent se présenter sous forme de diodes semi-conductrices 13 de régulation de tension (voir la figure 5), de varistances 14, ou bien sous forme d'un condensateur 15 et d'une diode 16 reliés en série (voir les figures 6 et 7). Dans ce dernier cas, on prévoit dans le transistor une électrode supplémentaire 17 présentant une prise de courant extérieure. Cette électrode 17 est alors reliée au point de connexion du condensaçeur 15 et de la diode 16 de chacun desdits circuits 12.
Au moment où la surtension atteint la valeur de mise en fonctionnement des circuits 12 (voir les figures 4, 5, 6 et 7), par exemple celle de la tension de stabilisation des éléments 13 ou 14, le courant qui, jusque là, passait par les structures fonctionnelles 1 ouvertes, commence à passer par les circuits protecteurs 12, et la tension entre les électrodes collectrice et émettrice du transistor cesse d'augmenter. Du fait que la tension de mise en fonctionnement desdits circuits 12 est choisie de manière à être inférieure à la tension maximale admissible des structures fonctionnelles, celles-ci sont efficacement protégées contre les claquages éventuels lors du blocage du transistor.
En répartissant les circuits protecteurs 12 sur la surface de l'électrode collectrice, on arrive à diminuer régulièrement la surtension dans toutes les structures fonctionnelles, ce qui contribue, à son tour, à élever la fiabilité du transistor.
Les circuits protecteurs 12 se présentant mus forme de varistances 14 douées d'une faible résistance dynamique et d'une grande capacité admissible de dissipation, assurent une protection efficace des structures fonctionnelles en cas de commutation de courants importants et en présence d'inductances relativement importantes dans les circuits des électrodes.
En cas d'utilisation, en tant que circuits protecteurs contre les surteilsions, de diodes semi-conductrices de régulation de tension ou de varistances, l'énergie accumulée dans les inductances des électrodes se dissipe dans ces éléments, ce qui conduit parfois (en présence de hautes fréquences et de courants à commuter importants) à des pertes considérables d'énergie et, par là même, à un abaissement considérable du rendement du transistor.
L'emploi, en tant que circuits protecteurs contre les surtensions, de condensateurs et de diodes reliés en série, ainsi que le raccordement du point de connexion du condensateur et de la diode de chacun des circuits à 1 1électrode supplémentaire précitée, permettent d'élever non seulement la fiabilité du transistor, mais aussi son rendement.
Le blocage du transistor conforme à l'invention muni desdits circuits protecteurs 12 (voir la figure 8) s'effectue comme suit. Lors du blocage des structures fonctionnelles, toute l'énergie présente dans les inductances des circuits des électrodes, s'accumule dans les condensateurs des circuits protecteurs et, de ce fait, permet de diminuer les surtensions dans lesdites structures fonctionnelles. Par la suite, cette énergie peut être fournie soit à l'entrée du dispositif, soit à la sortie de celui-ci, ou bien elle peut être utilisée pour l'alimentation des circuits auxiliaires de ce dispositif. il est à noter ici que l'inductance des circuits de 11 électrode supplémentaire n'a aucun effet sur la commutation du transistor, car la réunion des circuits protecteurs s'effectue par le circuit de courant continu.
La figure 9 (a, b, c) représente les trois schémas principaux des régulateurs d'impulsion de tension continue, dans lesquels l'utilisation des circuitsprotecteurs considérés assure la transmission de l'énergie accumulée dans les condensateurs, soit à l'entrée du dispositif (effet dévolteur, figure 9a), soit à la sortie du dispositif (effet survolteur, figure 9b), soit à un circuit intermédiaire entre l'entrée et la sortie dudit dispositif (effet inverseur, figure 9c). De cette manière, la solution technique proposée permet non seulement de diminuer la surtension affectant les structures fonctionnelles du transistor, mais aussi d'utiliser efficacement l'énergie accumulée, ce qui contribue à améliorer à la fois la fiabilité et le rendement.
L'une des particularités du fonctionnement du transistor conforme à l'invention dans un circuit convertisseur continu-alternatif (cette application étant l'une des plus fréquentes du transistor proposé) est le passage de courants inverses à travers les transistors lorsque le convertisseur est relié à une charge active-inductive. Lors de la commutation du transistor, le courant traversant la charge ne change pas de direction et passe par les transistors en sens inverse. Du fait que le facteur d'amplification du transistor en régime inverse est d'ordinaire de plusieurs fois inférieur au facteur d'amplification correspondant à la connexion directe, le courant inverse peut faire passer le transistor au fonctionnement en régime actif et causer ainsi sa défaillance.
Pour protéger le transistor contre les courants diverses et pour récupérer l'énergie accumulée ns 1'inductance de charge, on peut envisager de munir le transistor conforme à l'invention d'au moins une diode 18 (figure 10) dont une connexion est montée sur l'électrode collectrice, au voisinage de sa prise de courant, tandis qu'une autre connexion de cette iode est reliée à l'électrode émettrice
L'introduction des diodes 18 dans le transistor et leur insertion entre les électrodes collectrice et émettrice permettent de protéger efficacement ce transistor contre les courants inverses.Le fait de disposer les diodes en question sur l'électrode collectrice permet de recourir à des diodes du type sans corps et d'assurer leur contact immédiat avec l'électrode collectrice, ce qui contribue à la diminution de l'inductance de fuite, de même que du volume et du poids des dispositifs utilisant le transistor de l'invention.
Le fait de recourir à des éléments coupe-circuit 19 (figures 5 et 6) en série avec les circuits protecteurs et les diodes, permet de protéger le transistor contre les claquages éventuels desdits circuits et diodes. Lorsqu'un tel claquage a lieu, l'élément 19 correspondant fond, ce qui isole ltélément défaillant de l'ensemble du transistor.
En d'autres termes, les éléments coupe-circuit en question contribuent aux aussi à la fiabilité du transistor revendiqué.
La solution technique proposée permet d'obtenir un transistor fonctionnant pratiquement sans défaillance à partir de structures fonctionnelles à fiabilité limitée.
Cet avantage peut être utilisé avec succès en vue de fabriquer des transistors pouvant fonctionner en présence de courants de n'importe quelle intensité voulue, pouvant, de ce fait, être utilisés dans différents dispositifs convertisseurs.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS
    T est la durée de vie du transistor.
    des coupe-circuit (5) respectifs
    fonctionnelle (i) compte tenu de la fiabilité
    X est l'intensité de défaillance de la structure
    indispensable
    n.e où : n est le nombre de structures fonctionnellement
    1.- Transistor du type comportant un nombre N de structures fonctionnelles (i) branchées en parallèle et montées sur une platine (2) extractrice de chaleur constituant l'électrode collectrice dudit transistor, les connexions de base et d'émetteur desdites structures fonctionnelles étant reliées respectivement à une plaqueélectrode de base (3) et à une plaquecélectrode émettrice (4), chacune desdites électrodes étant munie d'une prise de courant extérieure, caractérisé en ce que chacune des structures fonctionnelles (1) est munie de deux coupecircuit (5) dont chacun est intercalé entre la connexion de base ou la connexion d'émetteur de cette structure et l'électrode (3 ou 4) correspondante du transistor, le nombre de structures fonctionnelles étant choisi de manière à satisfaire la condition ::
  2. 2. Transistor suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ses électrodes (3, 4) sont disposées dans des plans parallèles et sont séparées l'une de l'autre par au moins un joint isolant (6), en formant ainsi une structure feuilletée, l'électrode de base (3) et l'électrode émettrice (4) étant de forme et de dimensions sensiblement identiques.
  3. 3. Transistor suivant 1'lxne des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des ouvertures sont pratiquées dans
    les joints isolants (6) ainsi que dans électrodes de base et émettrice (3, 4) pour le-passage des connexions des structures (1).
  4. 4.- Transistor suivant l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'électrode émettrice (4) est disposée entre la platine (2) et l'électrode de base #5)#.
  5. 5.- Transistor suivant l'une des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que les électrodes (3, 4) se présentent sous forme de rectangles sur les côtés plus longs desquels sont disposées les prises de courant extérieures.
  6. 6.- Transistor suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport du grand côté au petit côté dudit rectangle est inférieur à 3.
  7. 7.- Transistor suivant l'une des revendications de
    I à 6, caractérisé en ce que chacun des joints isolants (6) présente des surfaces conductrices (ii) isolées des électrodes et à chacune desquelles est reliée la connexion correspondante de la structure fonctionnelle (i), chacun des coupe-circuit (5) se présentant sous forme d'un conducteur calibré reliant ladite surface conductrice (-11) à l'électrode (3 ou 4) correspondante du transistor.
  8. 8.- Transistor suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque supplémentaire d'extraction de chaleur (8), qui est séparée de la structure feuilletée précitée et est reliée à la platine (2) par l'intermédiaire d'appuis (9) disposés suivant la périphérie de ladite structure feuilletée, ainsi que par l'intermédiaire d'appuis (10) passant par des ouvertures pratiquées dans cette structure feuilletée.
  9. 9.- Transistor suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'au moins deux circuits (12) de protection contre les surtensions sont intercalés entre la platine (2) et l'électrode émettrice (4), ces circuits (12) étant répartis suivant la surface de disposition des structures fonctionnelles (1).
  10. 10.- Transistor suivant la revendication 9, caractérisé en ce que chacun des circuits de protection (12) est connecté entre la platine (2) et l'électrode émettrice (4) par l'intermédiaire d'un élément coupe-circuit (19).
  11. 11.- Transistor suivant l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le circuit de protection est une diode de régulation de tension (13).
  12. 12.- Transistor suivant l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le circuit protecteur est une varistance (14).
  13. 13.- Transistor suivant l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le circuit le protection se compose d'un condensateur (15) et d'une diode (16) reliés entre eux en série, et en ce que ledit transistor est muni d'une électrode supplémentaire (17) pourvue d'une prise de courant extérieure et à laquelle est relié le point de connexion du condensateur (15) et de la diode (16) de chacun desdits circuits protecteurs (12).
  14. 14.- Transistor suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une diode (18) montée par l'une de ses connexions sur l'électrode collectrice, au voisinage de la prise de courant extérieure de celle-ci, et reliée par son autre connexion à 1'électrode émettrice (4).
  15. 15.- Transistor suivant la revendication 14, caracté- risé en ce que l'autre connexion de chacune desdites diodes (18) est reliée à l'électrode émettrice (4) par l'intermédiaire d'un élément coupe-circuit (19).
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