FR2574604A1 - Element for protection against overvoltages - Google Patents
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Abstract
Description
ELEMENT DE PROTECTION CONTRE LES SURTENSIONS
La présente invention concerne les dispositifs de protection de circuits électriques contre les surtensions.PROTECTION AGAINST OVERVOLTAGES
The present invention relates to devices for protecting electrical circuits against overvoltages.
On utilise couramment plusieurs types de dispositif s de protection électronique à deux bornes, que l'on place simplement en parallèle entre deux bornes d'entrée ou deux bornes d'alimentation d'un circuit, pour le protéger contre des surtensions apparaissant entre ces bornes. Several types of electronic protection device with two terminals are commonly used, which are simply placed in parallel between two input terminals or two supply terminals of a circuit, to protect it against overvoltages appearing between these terminals. .
Le dispositif le plus anciennement utilisé est une diode zener. The most ancient device used is a zener diode.
Il a l'inconvénient majeur de dissiper une énergie élevée car, s'il écrête la tension au moment de l'apparition d'une surtension, ildérive le surplus de courant engendré par cette surtension sans faire chuter la tension à ses bornes. De plus, la qualité de l'é=crêtage n'est pas parfaite car la tension aux bornes de la diode zener croît légèrement avec le courant qui la parcourt (résistance dynamique faible mais encore positive lorsqu'on dépasse la tension nominale d'écrêtage de la diode zener).It has the major drawback of dissipating high energy because, if it clips the voltage at the time of the appearance of an overvoltage, it drifts the excess current generated by this overvoltage without causing the voltage to drop across its terminals. In addition, the quality of the e = cresting is not perfect because the voltage across the zener diode increases slightly with the current flowing through it (low dynamic resistance but still positive when the nominal clipping voltage is exceeded zener diode).
On a utilisé plus récemment comme dispositif de protection des diodes de Schockley (structure PNPN) ou même des triacs sans gâchette. Lorsqu'on augmente la tension entre les bornes de tels dispositifs, il existe un seuil au delà duquel le dispositif passe brutalement d'un état bloqué à un état conducteur. Dans l'état conducteur, la tension aux bornes chute considérablement, ce qui n'est pas le cas de la diode zener. La dissipation d'énergie est donc beaucoup plus faible. Malheureusement, le seuil de tension est normalement assez élevé (de l'ordre d'une ou plusieurs centaines de volts); on ne peut pas s'en servir pour protéger un circuit en écrêtant des surtensions de 10 à 30 volts par exemple. Des triacs à plus faible tension d'amorçage exigeraient des procédés de fabrication déiicats et coûteux.De plus, l'amorçage du triac ou de la diode de Schockley par franchissement d'un seuil de tension entre ses bornes est un amorçage peu homogène: le claquage se fait d'abord en surface à la périphérie de la pastille semiconductrice et ne s'étend que progressivement à l'intérieur de celle-ci. Il en résulte donc des risques de dégradation prématurée du dispositif. More recently, Schockley diodes (PNPN structure) or even triacs without a trigger have been used as a protection device. When the voltage between the terminals of such devices is increased, there is a threshold beyond which the device suddenly goes from a blocked state to a conductive state. In the conductive state, the terminal voltage drops considerably, which is not the case for the zener diode. The energy dissipation is therefore much lower. Unfortunately, the voltage threshold is normally quite high (of the order of one or several hundred volts); it cannot be used to protect a circuit by clipping overvoltages of 10 to 30 volts for example. Triacs with a lower ignition voltage would require delicate and costly manufacturing processes. In addition, ignition of the triac or Schockley diode by crossing a voltage threshold between its terminals is an inconsistent ignition: the breakdown occurs first on the surface at the periphery of the semiconductor wafer and only extends progressively inside the latter. This therefore results in risks of premature degradation of the device.
Pour éviter ces inconvénients et proposer un dispositif de protection simple et peu coûteux, notamment pour la protection contre des surtensions de valeur moyenne (quelques dizaines de volts), la présente invention propose un dispositif semiconducteur à deux bornes de sortie, caractérisé en ce qu'il comporte l'association d'une structure PNPN (thyristor ou triac) avec deux électrodes principales et une gâchette de déclenchement, et d'une structure tricouche alternée à deux électrodes principales reliées respectivement l'une à une première électrode principale de la structure
PNPN et l'autre à la gâchette de la structure PNPN, la structure tricouche présentant un seuil de passage d'un état conducteur bloqué à un état à faible résistance dynamique négative pour une première valeur de tension entre ses électrodes principales, et là structure
PNPN présentant un seuil de mise en conduction en l'absence de courant de gâchette pour une deuxième valeur de tension, supérieure à la première valeur, entre ses électrodes principales.To avoid these drawbacks and propose a simple and inexpensive protection device, in particular for protection against medium-voltage overvoltages (a few tens of volts), the present invention provides a semiconductor device with two output terminals, characterized in that it includes the association of a PNPN structure (thyristor or triac) with two main electrodes and a trigger, and of a three-layer structure alternating with two main electrodes respectively connected one to a first main electrode of the structure
PNPN and the other at the trigger of the PNPN structure, the three-layer structure having a threshold for passing from a blocked conductive state to a state with low negative dynamic resistance for a first voltage value between its main electrodes, and there structure
PNPN having a conduction threshold in the absence of trigger current for a second voltage value, greater than the first value, between its main electrodes.
En deçà de la première valeur de tension, la structure PNPN se comporte comme un thyristor (ou triac) bloqué. Au delà de cette première valeur, la structure tricouche conduit brusquement un courant important, à cause du seuil avec passage à une résistance dynamique négative (très bon écr & age). Ce courant circule dans la gâchette du thyristor ou triac et déclenche sa mise en conduction, faisant chuter la tension entre ses électrodes principales. Les électrodes principales du thyristor ou du triac constituent les deux bornes extérieures du dispositif de protection. Below the first voltage value, the PNPN structure behaves like a blocked thyristor (or triac). Beyond this first value, the three-layer structure abruptly conducts a large current, because of the threshold with passage to a negative dynamic resistance (very good writing & age). This current flows in the trigger of the thyristor or triac and triggers its conduction, causing the voltage between its main electrodes to drop. The main electrodes of the thyristor or triac constitute the two external terminals of the protection device.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexes dans lesquels:
- la figure 1 représente le schéma de principe du dispositif de protection selon l'invention,
- la figure 2 représente la caractéristique électrique d'un diac,
- la figure 3 représente la -caractéristique électrique d'un triac,
- la figure 4 représente la caractéristique électrique du dispositif de protection selon l'invention,
- la figure 5 rappelle pour mémoire la structure serniconductrice d'un diac NPN.Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows and which is given with reference to the accompanying drawings in which:
FIG. 1 represents the block diagram of the protection device according to the invention,
FIG. 2 represents the electrical characteristic of a diac,
FIG. 3 represents the electrical characteristic of a triac,
FIG. 4 represents the electrical characteristic of the protection device according to the invention,
- Figure 5 recalls for memory the semiconductor structure of an NPN diac.
Selon l'invention, le dispositif de protection comprend deux bornes extérieures-seulement, A et B, un thyristor ou un triac 10 et un dispositif tricouche 12 à deux bornes présentant une résistance dynamique négative immédiatement au delà d'un certain seuil de tension appliqué entre ses bornes. Le dispositif tricouche est connecté entre la gâchette G du thyristor ou du triac 10 et la borne
B. Les électrodes principales du thyristor ou du triac sont reliées aux bornes A et B. L'électrode principale du thyristor ou du triac située du même côté que la gâchette est reliée à la borne A. Ce dispositif de protection est destiné à être connecté tel quel entre deux bornes d'entrée ou d'alimentation d'un circuit électrique à protéger contre des surtensions.Dans la suite,-on considèrera qu'on utilise un triac, plutôt qu'un thyristor, pour bénéficier d'une protection contre des surtensions négatives aussi bien que positives.According to the invention, the protection device comprises two external-only terminals, A and B, a thyristor or a triac 10 and a three-layer device 12 with two terminals having a negative dynamic resistance immediately above a certain applied voltage threshold between its terminals. The three-layer device is connected between the trigger G of the thyristor or the triac 10 and the terminal
B. The main thyristor or triac electrodes are connected to terminals A and B. The main thyristor or triac electrode located on the same side as the trigger is connected to terminal A. This protection device is intended to be connected as is between two input or supply terminals of an electrical circuit to be protected against overvoltages. In the following, we will consider that we use a triac, rather than a thyristor, to benefit from protection against negative as well as positive overvoltages.
Le dispositif tricouche 12 à résistance dynamique négative est constitué par un -diac (structure symétrique NPN ou PNP correspondant à un transistor sans électrode de base, couramment utilisée pour commander les triacs dans les variateurs de puissance). The three-layer device 12 with negative dynamic resistance consists of a -diac (symmetrical structure NPN or PNP corresponding to a transistor without basic electrode, commonly used to control the triacs in the power variators).
La caractéristique électrique tension-courant du diac supposé seul est représentée à la figure 2. Elle est autant que possible symétrique. Lorsque la tension entre les bornes du diac croît en valeur absolue à partir de zéro, le courant qui parcourt le diac n'est qu'un faible courant de fuite dont la valeur maximale est If. The electrical voltage-current characteristic of the diac assumed alone is shown in Figure 2. It is as symmetrical as possible. When the voltage between the terminals of the diac increases in absolute value from zero, the current flowing through the diac is only a small leakage current whose maximum value is If.
Lorsqu'elle atteint un seuil Vd, le courant croît brusquement à une valeur importante Id; la tension aux bornes du diac peut diminuer légèrement. La mise en conduction très rapide est due au coude à angle aigu formé par la caractéristique tension-courant du diac (résistance dynamique négative immédiatement après ce coude).When it reaches a threshold Vd, the current suddenly increases to a large value Id; the voltage across the diac may decrease slightly. The very rapid conduction is due to the acute angle bend formed by the voltage-current characteristic of the diac (negative dynamic resistance immediately after this bend).
Ce - qu'il faut noter, c'est d'abord qu'on sait bien réaliser des diacs dont la tension de seui Vd est de quelques dizaines de volts ou moins, et ensuite que le diac peut laisser passer, après franchissement de ce seuil, une courant Id tout à fait suffisant pour déclencher, s'il passe dans la gâchette G, le triac 10. What - it should be noted, it is first that we know how to make diacs whose threshold voltage Vd is a few tens of volts or less, and then that the diac can let through, after crossing this threshold, a current Id quite sufficient to trigger, if it goes into the trigger G, the triac 10.
La caractéristique tension-courant du triac 10 est parfaitement classique (figure 3); elle présente un seuil de déclenchement (seuil de tension au delà duquel le triac passe brusquement d'un état bloqué à un état conducteur) dont la position dépend du courant de gâchette. The voltage-current characteristic of the triac 10 is perfectly conventional (Figure 3); it has a triggering threshold (voltage threshold beyond which the triac suddenly goes from a blocked state to a conducting state) whose position depends on the trigger current.
Selon l'invention, on choisit le triac de telle sorte que
a) sa tension de déclenchement ait une valeur Vr1 largement supérieure à Vd pour un courant de gâchette égal au courant de fuite
If du diac (c'est-à-dire pratiquement une tension de déclenchement
Vrl en gâchette ouverte largement supérieure à Vd);
b) sa tension de déclenchement ait une valeur Vr2 largement inférieure à Vd pour un courant de gâchette Id, où Id est le courant très rapidement atteint dans le diac lorsque l'on dépasse entre ses bornes la tension Vd;
c) le courant de déclenchement du triac pour une tension Vd aux bornes du triac doit évidemment être compatible avec le courant maximum admissible dans le diac.According to the invention, the triac is chosen so that
a) its triggering voltage has a value Vr1 much greater than Vd for a trigger current equal to the leakage current
If diac (i.e. practically a trigger voltage
Vrl in open trigger much higher than Vd);
b) its triggering voltage has a value Vr2 much lower than Vd for a trigger current Id, where Id is the current very quickly reached in the diac when the voltage Vd is exceeded between its terminals;
c) the triac tripping current for a voltage Vd across the triac must obviously be compatible with the maximum admissible current in the diac.
Les composants, diac et triac, actuellement fabriqués et commercialisés ont des'gammes de carartéristiques très bien maitrisées et reproductibles, et il est facile de choisir un diac et un triac ayant les caractéristiques désirées en fonction des impératifs ci-dessus. The components, diac and triac, currently manufactured and marketed have ranges of characteristics very well mastered and reproducible, and it is easy to choose a diac and a triac having the desired characteristics according to the above requirements.
La caractéristique globale de l'ensemble composite (diac + triac) à deux bornes est représentée à la figure 4. The overall characteristic of the composite assembly (diac + triac) with two terminals is shown in Figure 4.
Cette caractéristique est symétrique dans la- mesure où les caractéristiques du diac et du triac sont elles-mernes symétriques. This characteristic is symmetrical insofar as the characteristics of the diac and of the triac are themselves symmetrical.
Lorsque la tension appliquée au triac croît en valeur absolue de 0 à une valeur Vd, le dispositif est bloqué et ne laisse passser qu'un faible courant de fuite à travers le diac et le triac dont on peut considérer qu'ils sont sensiblement en parallèle. Lorsque la tension atteint Vd, le diac passe en conduction très rapidement en suivant la zone à résistance dynamique négative. Le courant entre les bornes A et B est pratiquement égal au courant dans le diac. When the voltage applied to the triac increases in absolute value from 0 to a Vd value, the device is blocked and allows only a small leakage current to pass through the diac and the triac which can be considered to be substantially in parallel . When the voltage reaches Vd, the diac goes into conduction very quickly, following the zone with negative dynamic resistance. The current between terminals A and B is almost equal to the current in the diac.
Lorsque ce courant atteint une valeur lb capable de déclencher le triac (ayant à ses bornes sensiblement la même tension que le diac, c'est-à-dire sensiblement Vd), le triac devient brusquement conducteur ; la tension à ses bornes chute à une valeur très faible et le courant qui le parcourt peut croître très largement.When this current reaches a value lb capable of triggering the triac (having at its terminals substantially the same voltage as the diac, that is to say substantially Vd), the triac suddenly becomes conductive; the voltage across its terminals drops to a very low value and the current flowing through it can increase very widely.
La caractéristique de la figure 4 montre clairement que le coude correspondant au déclenchement (Vd) est extrêmement franc (coude à angle aigu) et assure donc une protection très efficace contre toute surtension. The characteristic of Figure 4 clearly shows that the elbow corresponding to the trigger (Vd) is extremely straightforward (acute angle elbow) and therefore provides very effective protection against any overvoltage.
La puissance dissipée est la même que celle d'un triac seul. The dissipated power is the same as that of a single triac.
L'amorçage du triac est bien meilleur (plus homogène) que celui d'un triac utilisé seul car il se fait par l'intermédiaire d'une gâchette et non par un claquage superficiel initial d'une jonction polarisée en inverse. The priming of the triac is much better (more homogeneous) than that of a triac used alone because it is done by means of a trigger and not by an initial surface breakdown of a reverse polarized junction.
Enfin, le choix de la tension de seuil est lié essentiellement aux caractéristiques du diac, le triac n'ayant quant à lui qu'à vérifier les contraintes suivantes:
- il doit supporter. les courants susceptibles de le traverser puisque c'est lui qui sert à évacuer le courant lorsqu'il assure la fonction de protection,
- il ne doit pas se déclencher en gâchette ouverte s'il a la tension Vd à ses bornes,
- il doit se déclencher lorsque simultanément la tension Vd est présente à ses bornes et le diac est rendu conducteur.Finally, the choice of the threshold voltage is essentially linked to the characteristics of the diac, the triac only having to check the following constraints:
- he must bear. the currents likely to cross it since it is it which is used to evacuate the current when it ensures the protective function,
- it must not be triggered with an open trigger if it has the voltage Vd at its terminals,
- it must be triggered when simultaneously the voltage Vd is present at its terminals and the diac is made conductive.
La tension de déclenchement Vd peut être de quelques dizaines de volts ou moins sans difficulté. The trigger voltage Vd can be a few tens of volts or less without difficulty.
Pour mémoire, on a représenté sur la figure 5 la structure semiconductrice d'un diac et le profil des concentrations en impu retés à travers l'épaisseur de la structure. For the record, FIG. 5 shows the semiconductor structure of a diac and the profile of the impurity concentrations across the thickness of the structure.
Le substrat de base 20 est en silicium dopé de type P (dopage par exemple correspondant à une résistivité comprise entre 4 et 200 ohms.cm). L'épaisseur peut être de 160 a 180 microns. La base de type P comprend d'une part une région centrale de faible dopage correspondant à la résistivité ci-dessus, d'autre part des régions surdopées 22 et 24 de chaque côté (dopage pouvant être de 1016 à 1017 atomes par centimètre cube, selon la tension de seuil désirée pour le diac). Les régions N+ 26 et 28 de part et d'autre de la base sont plus fortement dopées. En pratique, le profil de concentration des régions surdopées 22 et 24 est décroissant vers l'intérieur du substrat (régions formées par diffusion superficielle) de sorte que la tension de seuil du diac (Vd) dépend directement de la profondeur de diffusion des régions N+ 26 et 28 à l'intérieur des régions 22 et 24. The base substrate 20 is made of P-type doped silicon (doping for example corresponding to a resistivity of between 4 and 200 ohms.cm). The thickness can be from 160 to 180 microns. The P-type base comprises on the one hand a central region of low doping corresponding to the above resistivity, on the other hand overdoped regions 22 and 24 on each side (doping can be from 1016 to 1017 atoms per cubic centimeter, depending on the threshold voltage desired for the diac). The N + 26 and 28 regions on either side of the base are more heavily doped. In practice, the concentration profile of the overdoped regions 22 and 24 decreases towards the interior of the substrate (regions formed by surface diffusion) so that the threshold voltage of the diac (Vd) depends directly on the diffusion depth of the N + regions. 26 and 28 within regions 22 and 24.
Des métallisations 30, 32 recouvrent ces régions N+.Metallizations 30, 32 cover these N + regions.
L'élément de protection à deux bornes A et B peut être réalisé à l'aide de deux pastilles semiconductrices montées dans deux boîtiers différents ou dans un même boîtier, ou encore à l'aide d'une seule pastille intégrant à la fois le diac et le triac. The two-terminal protection element A and B can be produced using two semiconductor pads mounted in two different cases or in the same case, or even using a single pad incorporating both the diac and the triac.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR8418924A FR2574604B1 (en) | 1984-12-11 | 1984-12-11 | PROTECTION AGAINST OVERVOLTAGES |
Applications Claiming Priority (1)
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FR8418924A FR2574604B1 (en) | 1984-12-11 | 1984-12-11 | PROTECTION AGAINST OVERVOLTAGES |
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FR2574604A1 true FR2574604A1 (en) | 1986-06-13 |
FR2574604B1 FR2574604B1 (en) | 1990-05-25 |
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ID=9310476
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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FR8418924A Expired - Fee Related FR2574604B1 (en) | 1984-12-11 | 1984-12-11 | PROTECTION AGAINST OVERVOLTAGES |
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FR (1) | FR2574604B1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3423635A (en) * | 1966-07-25 | 1969-01-21 | Railroad Accessories Corp | Railroad track or line circuit surge protectors |
DE2308464A1 (en) * | 1973-02-21 | 1974-08-22 | Heinz Laass | PROTECTIVE SWITCH ARRANGEMENT FOR ELECTRICAL DEVICES OR CIRCUITS AGAINST DESTRUCTIVE, ABUSIVE EXTERNAL VOLTAGES |
-
1984
- 1984-12-11 FR FR8418924A patent/FR2574604B1/en not_active Expired - Fee Related
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Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
BBC NACHRICHTEN, vol. 59, no. 3/4, 1977, pages 152-158, Mannheim, DE; P. WETZEL: "Thyristorschutz mit Halbleitern - wirtschaftlich und sicher" * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2574604B1 (en) | 1990-05-25 |
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