FR2679082A1

FR2679082A1 - Dispositif de commutation a semiconducteurs pouvant etre commande et comportant un systeme integre de limitation de courant et de coupure pour temperature excessive.

Info

Publication number: FR2679082A1
Application number: FR9208440A
Authority: FR
Inventors: Blessing Dr Alf
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1991-07-09
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1993-01-15
Anticipated expiration: 2012-07-08
Also published as: US5187632A; IT1258416B; GB2258357B; JPH05190760A; GB9213799D0; JPH0656875B2; FR2679082B1; DE4122653C2; GB2258357A; ITRM920518A0; DE4122653A1; ITRM920518A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif de commutation à semiconducteurs pouvant être commandé, comportant un système intégré de limitation de courant et de coupure pour température excessive. Il comporte, entre autres, une voie de commutation constituée par un grand nombre de cellules de commutatation 1; 3, opérant en parallèle; pour une limitation efficace du courant, des cellules de commutation déterminées 12, 11' situées au voisinage immédiat d'un élément de captage de la température de puce sont soumises à une sollicitation en courant spécifiquement supérieure à celle de toutes les autres cellules; le dispositif de commutation présente l'avantage d'une réaction plus sûre et plus rapide en vue d'une coupure pour température excessive et il effectue une limitation de la capacité de conduction de courant de la voie de commutation proprement dite en rendant superflue l'intervention d'une pure fonction de limitation d'une température excessive. En conséquence, on obtient une plus grande fiabilité et une meilleure résistance à des courts-circuits et d'autre part, le courant de commutation utilisable spécifiquement en fonction de la surface de puce ainsi que la puissance de commutation peuvent être augmentés.

Description

La présente invention concerne un dispositif de commutation à

semiconducteurs pouvant être commandé et comportant un système intégré de limitation de courant et de coupure pour température excessive, dispositif dans lequel la voie de commutation du circuit de courant de charge est constituée d'un grand nombre de cellules de commutation principales agissant en parallèle et en outre d'un petit nombre de cellules de commutation auxiliaires, qui conduisent parallèlement aux cellules de commutation principales une partie du courant total

de charge de façon à créer ainsi une protection anti-

surcharge, et o au moins les connexions côté-charge des cellules de commutation principales et auxiliaires sont reliées directement de façon très conductrice entre elles et les unes avec les autres, et o la voie de commutation d'un autre commutateur à semiconducteurs est connectée entre les autres connexions de commutation, non situées côté- charge, des cellules de commutation principales et leurs connexions de commande reliées

directement entre elles de façon très conductrice.

Dans des transistors de puissance modernes, des moyens sont intégrés dans les puces pour effectuer

une coupure en cas de température excessive Ils réagis-

sent avant que la puissance de perte convertie dans le transistor atteigne une valeur suffisamment grande pour que le transistor de puissance soit ensuite détruit thermiquement A cet effet, il est nécessaire de prévoir un circuit additionnel de limitation de courant afin

de protéger le transistor de puissance, en cas de court-

circuit, contre une surchauffe suffisamment longtemps pour que le système de coupure en cas de température excessive ait effectivement désactivé le transistor

de puissance.

Un exemple correspondant à l'art antérieur est représenté sur la Figure 4, en relation avec les Figures 3 a et 3 b Les Figures 3 a et 3 b représentent

des courbes caractéristiques telles que celles corres-

pondant par exemple à des transistors de puissance à effet de champ de type-MOS tandis que la Figure 4 montre le principe de fonctionnement du circuit d'excitation

d'un transistor de ce genre, conformément à l'art anté-

rieur Le transistor de puissance T 1 est agencé sous la forme d'un transistor à effet de champ de type-MOS et à canal-N, qui se compose d'un circuit-parallèle

formé d'un grand nombre de différentes cellules de commu-

tation, c'est-à-dire de différentes cellules à transistors -MOS Pour faire apparaître la tension de service Ub à la sortie A, le transistor de puissance à effet de

champ de type-MOS à canal-N nécessite une tension grille-

source UGS par exemple de 10 V, cette dernière étant tenue à disposition par la pompe de charge CP; le courant de sortie de la pompe de charge est symbolisé par la source de courant constant CS Il est prévu un autre

transistor-MOS T 2, dont la voie drain-source est connec-

tée en parallèle à la voie grille-source du transistor Tl En cas de court-circuit, du fait que le transistor T 2 est rendu conducteur, la tension grille-source U Gsi du transistor T est réduite suffisamment fortement pour que le passage du courant dans la voie de commutation du transistor T 1 soit interrompu A cet effet, sa grille est excitée par exemple par un circuit de captage ou

de contrôle de température TSC représenté en trait in-

terrompu et qui est lui-même excité par un capteur de température TS Il fournit à sa sortie un signal logique, dont le niveau change par exemple à 160 'C d'une manière rendant conducteur le transistor T 2 et par exemple, sous l'effet d'une hystérésis correspondante, il est bloqué dans cet état jusqu'à ce que la température ait

à nouveau baissé d'une valeur prédéterminée Le transis-

tor de puissance de type-MOS T 1 peut ainsi être complète-

ment désactivé pendant un certain temps de refroidisse-

ment. Il s'est cependant avéré que la résistance aux courts-circuits de cet agencement de circuit connu représenté sur la Figure 4 est limitée Cela s'explique par le fait que le capteur de température TS, pour des raisons technologiques, ne peut être disposé que sur le bord de la structure semiconductrice qui constitue le transistor de puissance T 1 proprement dit Lorsque, en cas de court-circuit, une grande puissance de perte

est atteinte dans les différentes cellules de commuta-

tion-MOS du fait que le courant maximal est engendé lors d'une baisse de tension correspondant à Ubi il se produit initialement une forte montée de la température

des cellules de commutation-MOS qui constituent le tran-

sistor de puissance T 1 proprement dit La température dans l'environnement de puce, et notamment également la température d'un capteur de température TS placé à une certaine distance de cette puce, suivent cette

augmentation seulement avec un certain retard, condi-

tionné par la vitesse finie de propagation de la tempé-

rature sous l'effet de la conduction de chaleur Si le gradient de température dans la zone la plus chaude du transistor de puissance et du capteur de température

est trop fort, la structure semiconductrice du transis-

tor de puissance T 1 sera endommagée de façon irréversible sous l'effet d'une variation de sa température au-dessus de la valeur maximale admissible, avant que la température de coupure d'un circuit de contrôle ait été atteinte En pratique, cela conduit au fait que soit la résistance à des courts-circuits ne peut être garantie que d'une façon limitée, soit au fait qu'on doit ainsi tenir compte de ce que la puissance maximale du transistor de puissance T 1 sera limitée par un seuil de limitation de courant

dont la valeur doit être suffisamment basse Il en résul-

te ainsi une forte limitation de la puissance de commu-

tation. Le document DE 38 21 065 C 2 décrit un circuit

de puissance-MOSFET dans lequel le commutateur semicon-

ducteur se compose d'un grand nombre de différentes cellules de commutation, qui constituent un commutateur principal et un commutateur auxiliaire, ce dernier étant avantageusement disposé au milieu de la surface couverte par les cellules du commutateur principal; d'une manière

avantageuse, il peut être constitué par une seule cellu-

le de commutation Le courant sortant de cette cellule

de commutation auxiliaire est capté au moyen d'une résis-

tance de mesure et une baisse de tension correspondante

est utilisée pour exciter un autre commutateur semi-

conducteur court-circuitant l'entrée de commande du

commutateur principal A cet égard, il est prévu avanta-

geusement une caractéristique de basculement, qui désac-

tive et maintient désactivé le commutateur principal en cas de manifestation d'une surcharge Cette solution présente l'inconvénient qu'également des surcharges impulsionnelles de très courte durée produisent déjà une désactivation, bien que le substrat de puce n'ait

pas encore atteint sa limite de sollicitation thermique.

En outre, il est technologiquement difficile de disposer

au milieu d'un champ de cellules de commutation princi-

pales des cellules de commutation auxiliaires correcte-

ment isolées et de les relier avec une partie périphérique disposée à l'intérieur du champ occupé par les cellules de commutation principales, car cela nécessiterait des étapes supplémentaires de masquage et de dépôt lors

de la fabrication.

Tout dispositif à créer a ainsi pour but d'obte-

nir un état de sécurité pouvant être maintenu, de façon à éviter, après un dépassement des limites de surcharge,

une détérioration permanente du dispositif de commutation.

Le document DE 39 27 307 Al décrit un dispo-

sitif semiconducteur comportant un système de protection

contre des courts-circuits, dont le mode de fonctionne-

ment correspond à ce qui a été expliqué ci-dessus Ainsi les cellules de commutation sont également divisées en éléments principaux et en éléments secondaires, de préférence par exemple en plusieurs éléments principaux et en seulement un élément secondaire Le dispositif est également agencé de telle sorte que, après une baisse de tension se produisant dans une résistance interne

lors d'un court-circuit de la charge, la voie de commuta-

tion de charge soit commandée librement par un court-

circuitage d'entrée du commutateur de charge Sans l'exis-

tence d'un court-circuit de charge, il ne se produit pas une limitation du passage du courant dans la voie de commutation de charge La fonction de limitation

du courant est obtenue sans tenir compte de la possibi-

lité de sollicitation thermique de la puce.

Le document US 4 896 199 décrit un dispositif semiconducteur comportant des moyens pour le protéger contre une surchauffe A cet effet, il est prévu dans

un champ de cellules de commutation des moyens de capta-

ge et de commande de température à l'aide desquels les cellules de commutation disposées autour peuvent être désactivées également pendant un temps suffisamment long pour qu'une température déterminée de la puce dans le champ de cellules de commutation soit dépassée par défaut En ce qui concerne la technique de fabrication d'un tel dispositif, on se référera également à ce qui

a été déjà précisé pour le document DE 38 21 065 C 2.

En conséquence l'invention a pour objet un dispositif de commutation à semiconducteurs pouvant

être commandé et comportant un système intégré de limita-

tion de courant empêchant une détérioration thermique, ce dispositif ayant, sur option, une possibilité de coupure, en fonction d'une température excessive, de la fonction de commutation et ne présentant pas les inconvénients précités; en outre ce dispositif peut être fabriqué d'une manière simple avec un nombre aussi réduit que possible de masques et il présente une très bonne résistance contre les courts-circuits. Ce problème est résolu avec un dispositif de commutation à semiconducteurs du type précité qui est caractérisé en ce qu'également les connexions de commutation non situées côté-charge des cellules de commutation principales et auxiliaires sont reliées directement et de façon très conductrice entre elles et les unes avec les autres, en ce que le dispositif

de commutation comporte un élément pour capter la tempé-

rature de puce, cet élément agissant sur l'autre commuta-

teur à semiconducteurs, lorsque la température de puce

augmente, dans le sens d'une mise en conduction de celui-

ci, en ce que la nature et/ou le facteur d'excitation des cellules de commutation auxiliaires se différencient de la nature ou du facteur d'excitation des cellules de commutation principales de manière que, lors d'une commande de commutation du dispositif et dans le cas d'un courant de charge inférieur à la limite de surcharge, la sollicitation spécifique en courant et par conséquent

la perte de puissance spécifique des cellules de commuta-

tion auxiliaires soient sensiblement de même grandeur que les valeurs obtenues pour les cellules de commutation

principales, et en ce que, lors d'une commande de commu-

tation du dispositif et dans le cas d'une augmentation progressive du courant de charge jusqu'à la limite de surcharge, la sollicitation spécifique en courant et par conséquent la perte de puissance spécifique des cellules de commutation auxiliaires dépassent de façon monotone et croissante les valeurs obtenues par les cellules de commutation principales, et en ce que l'élément captant la température de puce est disposé en étant

voisin ou sensiblement entouré par des cellules de commu-

tation particulières qui sont situées plus ou moins

sur le bord de la surface de puce occupée par les cellu-

les de commutation principales.

Le dispositif de commutation à semiconducteurs possédant cette caractéristique présente l'avantage

d'une réaction sûre et accélérée pour remplir une fonc-

tion de sécurité contre une température excessive et il limite la capacité de conduction de courant de la voie de commutation proprement dite en vue de rendre

complètement superflue une assistance par une pure fonc-

tion de limitation contre une température excessive

en cas de limitation de courant.

En outre, indépendamment de la variation tempo-

relle du signal d'excitation dans chaque état de marche, il est possible que le seuil de limitation de courant soit toujours très proche du courant maximal possible

en relation avec la surface spécifique de puce et égale-

ment l'efficacité de commutation de la puce à semiconduc-

teurs est augmentée au maximum sans avoir à tenir compte d'une influence sur la fiabilité A cet égard, on n'a pas à disposer un élément capteur de température au

milieu d'un champ de cellules de commutation Au contrai-

re il peut être très avantageusement disposé sur le bord de ce champ et il en résulte qu'on obtient des avantages en ce qui concerne l'obtention d'un profil de température bien défini et non perturbé dans la zone du centre de gravité d'un champ de cellules de commutation

ayant un contour habituel et en ce qui concerne l'établis-

sement des contacts avec d'autres parties du circuit

proches des bords de la puce.

Selon d'autres caractéristiques du dispositif de commutation à semiconducteurs conforme à l'invention: Les cellules de commutation sont réalisées sous la forme de cellules à transistors de type bipolaire

ou MOS dans une technologie appropriée.

Egalement les électrodes de commande des cellules de commutation principales et auxiliaires sont reliées de façon très conductrice entre elles et les unes avec les autres et en outre toutes les cellules de commutation peuvent être commandées avec le même facteur d'excitation, les cellules de commutation auxiliaires comportant une plus grande pente de la courbe représentant leur valeur de conduction initiale en fonction du degré d'excitation

que les cellules de commutation principales.

L'excitation de toutes les cellules de commutation est faite par l'intermédiaire d'un circuit d'excitation particulier, qui produit au moins une des transformations suivantes d'un facteur d'excitation les sollicitant décalage de niveau d'une tension d'excitation décalage de niveau d'un courant d'excitation transformation d'une tension d'excitation en un courant servant de facteur d'excitation (ou variable de commande); transformation d'un courant d'excitation en une tension

servant de facteur d'excitation.

Toutes les cellules de commutation ont une structure sensiblement identique et/ou comportent dans l'essentiel une pente unitaire de la courbe représentant leur valeur

de conduction initiale en fonction de leur facteur d'exci-

tation; respectivement les électrodes de commande des cellules de commutation auxiliaires sont reliées entre elles et les électrodes de commande des cellules de commutation principales sont reliées entre elles; et il est en outre prévu des moyens pour rendre, dans un domaine de charges proche de la limite de surcharge, en rendant conductrices les électrodes de commande des cellules de commutation auxiliaires et les électrodes de commande des cellules de commutation principales avec au moins des facteurs d'excitation se différenciant les uns

des autres par leurs valeurs.

Les électrodes de commande des cellules de commuta-

tion auxiliaires et des cellules de commutation principa-

les coopèrent les unes avec les autres par l'intermédiai-

re d'un élément o s'établit une différence des fac-

teurs de commande. Pour l'élément, il s'agit d'au moins une résistance

et/ou d'au moins une transition semiconductrice pn-

ou np-.

Ltexcitation des cellules de commutation est réalisée

par l'intermédiaire d'un circuit d'excitation, qui com-

prend au moins une pompe de charge.

Le facteur commandant le passage du courant dans le circuit de courant de charge est influençable par le fait qu'il peut être court-circuité, ou bien inversé,

ou bien bloqué en conduction, par les autres commuta-

teurs à semiconducteurs, commutés sensiblement en parallè-

le par au moins les entrées de commande des cellules

de commutation principales; et le commutateur à semi-

conducteurs peut recevoir, dans le sens d'une limitation du courant de charge à une valeur admissible pendant une assez longue durée, un signal de commande qui est fonction, en dehors de la température de puce dans la zone des cellules de commutation auxiliaires, également encore d'au moins une partie du courant de charge qui

est captée séparément et de façon continue.

Il est prévu des moyens qui exercent une influence sur le facteur commandant le passage du courant dans

le circuit de courant de charge en fonction de la tempéra-

ture de puce dans les zones des cellules de commutation auxiliaires, avec une caractéristique de basculement après franchissement d'une hysteresis de température prédéterminée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de

la description, donnée à titre d'exemple non limitatif,en

référence aux dessins annexés dans lesquels la Figure 1 est une vue en plan montrant un exemple de topologie de cellules de commutation d'un dispositif de commutation à semiconducteurs conforme à l'invention; la Figure 2 est un schéma d'agencement d'un dispositif de commutation à semiconducteurs conforme à l'invention; la Figure 3 a représente des courbes caractéristiques initiales d'un commutateur à semiconducteurs, par exemple sous la forme d'un transistor de puissance à effet de champ, de type-MOS et à canal-N ID = f (UWI ou U s);

la Figure 3 b représente la courbe caractéristique d'exci-

tation d'un commutateur à semiconducteurs, par exemple sous la forme d'un transistor de puissance à effet de champ, de type-MOS et à canal-N ID =f (UGS); la Figure 4 montre un schéma de commutation de principe d'un dispositif de commutation à semiconducteurs protégé

contre les court-circuits et correspondant à l'art antérieur.

La description des Figures 3 a, 3 b et 4 a été

effectuée déjà en vue d'une explication de la solution

connue correspondant à l'art antérieur.

La Figure 1 montre initialement un principe de topologie de puce, pouvant être modifié et transformé d'un cas à un autre pour des cellules de commutation d'un dispositif de commutation à semiconducteurs conforme

à l'invention, et la Figure 2 montre un exemple d'agence-

ment de circuit mettant en évidence une amélioration conforme à l'invention de la solution connue représentée

sur la Figure 4.

Sur la Figure 1, la référence 1 1 désigne un champ qui comporte un grand nombre de cellules de commutation principales individuelles avec des électrodes

de commande, connectées en parallèle, c'est-à-dire sou-

mises au même potentiel, du commutateur à semiconducteurs il 1 représenté sur la Figure 2 La référence 3 1 désigne un champ qui comporte un plus petit nombre de cellules

de commutation auxiliaires avec des électrodes de comman-

de, également connectées en parallèle, d'un plus petit commutateur à semiconducteurs 3 Les commutateurs à

semiconducteurs 1 et 3 sont fabriqués avec la même techno-

logie. Les deux champs sont mutuellement adjacents par exemple le long d'une ligne de délimitation 4 En pratique, le champ 1 1 peut être agencé de façon à border plus ou moins ou entourer le champ 3 1 mais en tous cas cependant il ne recouvre pas au moins une voie de transmission de signaux avec le capteur de température 12, qui est disposé à l'intérieur du champ 3 1 Un circuit 11 effectuant en combinaison un captage et une évaluation du courant de charge ainsi qu'un contrôle de température peut être disposé à l'extérieur des champs 1 1 et 3 1 et être relié par des voies de transmission de signaux avec le capteur de température 12 Le circuit intégré

11 ' de limitation de courant et de captage de tempéra-

ture peut également comporter un capteur de température et alors il peut être disposé, à la place d'un capteur de température 12 séparé, en un endroit correspondant

o il est plus ou moins entouré par le champ 3 1.

Dans l'exemple de réalisation représenté sur la Figure 2, la voie de commutation du commutateur à semiconducteurs 1 est reliée d'un côté à la tension

de service Ub et de l'autre côté à la sortie A du dispo-

sitif de commutation à semiconducteurs Son électrode de commande est reliée d'une manière connue par exemple par l'intermédiaire d'une source de courant 5 à la sortie d'un circuit d'excitation 6, agencé par exemple sous la forme d'une pompe de charge, et elle est sollicitée par un signal d'excitation, par exemple par un courant Il Le circuit d'excitation 6 comporte pour sa part

une entrée d'excitation E Entre l'électrode de comman-

de du commutateur à semiconducteurs 1 et son électrode de référence située à la sortie A, il est prévu d'une

manière connue la voie de commutation d'un autre commuta-

teur à semiconducteurs 2; celui-ci reçoit la tension

de commande U Gsi du commutateur à semiconducteurs 1.

L'électrode de commande du commutateur à semiconducteurs 2 est sollicitée par une tension de commande UG 52 sous l'action du circuit 11, produisant en combinaison un captage de courant de charge au moyen du capteur 13 et un captage et contrôle de température au moyen d'un capteur de température séparé 12, ou bien un circuit correspondant 11 ' dans lequel est intégré un capteur

de température La caractéristique de contrôle de tempé-

rature du circuit 11 ou 11 ' peut avantageusement être une caractéristique de commutation à hysteresis, déjà citée initialement et avec action de basculement en fonction de la température, ce qui permet d'obtenir

une possibilité de coupure nette et complète du commuta-

teur à semiconducteurs 1 avant sa destruction thermique.

Le capteur de courant 13 peut être agencé de toute manière

appropriée, par exemple également sous forme d'un compo-

sant intégré faisant partie d'une des structures des

commutateurs à semiconducteurs 1 et 3.

Le circuit d'excitation 6 est dans ce cas associé du côté-sortie encore à une autre source de courant 7, qui coopère avec l'électrode de commande d'un troisième commutateur à semiconducteurs 3 La voie de commutation du commutateur à semiconducteurs 3 est

connectée en parallèle à celle du commutateur à semicon-

ducteurs 1 Les électrodes de commande des commutateurs à semiconducteurs 1 et 3 coopèrent l'une avec l'autre,

dans ce cas par exemple par l'intermédiaire d'une résis-

tance 8 En pratique, la résistance 8 peut également être remplacée/combinée par/avec au moins une transition

semiconductrice de type-pn ou np dans un mode de fonction-

nement "transfert" ou "Zener" Egalement au moins une des sources de courant 5 et 7 peut être remplacée par une résistance, ou bien la source de courant 5 peut être complètement supprimée, de sorte que les électrodes de commande des transistors 1 et 3 seront alors excitées par exemple exclusivement par le courant I 31 c'est-à-dire

seulement par un signal de commande commun.

Le dispositif fonctionne comme suit.

Les sources de courant 5 et 7 ou des résistan-

ces-série correspondantes produisent, par application

de courants définis d'excitation aux électrodes de com-

mande des commutateurs à semiconducteurs 1 et 3, un

processus de commutation bien défini.

En adoptant une même technologie et une struc-

ture identique des cellules de commutation, pour des

tensions identiques d'excitation (UGS = UG 53) des commuta-

teurs à semiconducteurs 1 et 3, des courants partiels identiques passent dans les cellules de commutation

qui les forment dans les champs 1 1 et 3 1.

Tant que le courant de commutation total qui passe n'annule pas la fonction de limitation de courant du circuit 11 ou 11 ', le commutateur à semiconducteurs 2 n'est pas ou seulement très faiblement excité et ainsi U Gs 2 est par exemple égal ou proche de zéro Du fait que la voie de commutation du commutateur 2 n'est pour cette raison pas conductrice et ne peut ainsi conduire aucun courant, UR tend vers zéro En conséquence, les électrodes des commutateurs 1 et 3 sont soumises, par l'intermédiaire des sources de courant 5 et 7 ( ou bien

par l'intermédiaire de résistances ohmiques correspondan-

tes 5 et 7) à un potentiel élevé et on a alors UGSî= U Gs 3.

En conséquence, lorsqu'une limitation de courant n'inter-

vient pas encore, les mêmes courants spécifiques passent dans des cellules de commutation de natures identiques

des commutateurs à semiconducteurs 1 et 3 et il se pro-

duit, dans la zone de conduction de courant de la puce à semiconducteurs, une répartition de température qui

est dans l'ensemble équilibrée.

Lorsque le courant de charge dépasse une valeur admissible, le signal appliqué par le capteur de courant de charge 13 au circuit 11 ou 11 ' produit un enclenchement de la limitation de courant par augmentation de UG 52 En conséquence, le commutateur 2 est plus ou moins rendu conducteur, c'est-à-dire qu'il agit comme un capteur de courant et provoque ainsi une baisse de tension UR dans la résistance 8 ( ou bien dans une transition -pn ou np prévue en variante) Sous l'effet du passage du courant I 3, la tension de commande U Gsî diminue ainsi d'une valeur correspondant à la baisse de tension UR par rapport à la tension de commande UG 53 du commutateur à semiconducteurs 3 La courbe caractéristique représentée à titre d'exemple sur la Figure 3 b et qui est évidemment

également valable pour toutes les cellules de commuta-

tion du commutateur à semiconducteurs, met en évidence, pour les cellules de commutation auxiliaires correspondant au champ 3 1, une plus grande sollicitation spécifique en courant En conséquence, la puissance spécifique de perte qui en résulte est plus grande dans les cellules de commutation du champ 1 1, d'o il en résulte une plus grande quantité de chaleur libérée et par conséquent un échauffement plus rapide à une température supérieure

par comparaison aux cellules du commutateur à semiconduc-

teurs 1.

En relation avec un dimensionnement approprié du circuit d'excitation 6, on obtient ainsi en tout cas que, lors d'une limitation du courant, la tension d'excitation UG 53 pour les cellules du commutateur à semiconducteurs 3, situées au voisinage immédiat et notamment groupées autour du capteur de température 12 ou du circuit 11 ' de captage de température, soit supérieure d'une valeur déterminée UR à celle de toutes les autres cellules du commutateur à semiconducteurs 1 Il est ainsi possible de réaliser artificiellement une inégalité définie de répartition de température dans des zones de captage de température de façon à

produire intentionnellement un échauffement particulière-

ment rapide de l'élément captant la température de puce.

Lors d'un dépassement d'une température limite prédéterminée, le circuit 11 ou 11 ' peut basculer d'un mode de pure délimitation de courant ou delimitation de courant en fonction de la température avec hystérésis dans un mode de coupure et il peut ainsi produire le

blocage complet des commutateurs 1 et 3 par l'intermédiai-

re d'une certaine phase de refroidissement A cet égard, il est possible additionnellement de prévoir encore par exemple une voie de commande, non représentée sur les figures, entre le circuit 11 ou 11 ' et le circuit

d'excitation 6 afin de pouvoir annuler par l'intermédiai-

re de cette voie au moins un des signaux de commande I 1 et I 3 dans le circuit d'excitation 6 pendant la durée

de coupure, ou bien l'électrode de commande du commuta-

teur à semiconducteurs 3 peut être reliée, par l'intermé-

diaire de la voie de commutation d'un autre commutateur à semiconducteurs, également non représenté sur les figures et pouvant être commandée par le circuit 11 ou 11 ', avec la sortie A ou avec le potentiel de masse

, aussi longtemps que le commutateur 2 est rendu complè-

tement conducteur.

Dans le cas de court-circuitage A-GND, URK est avantageusement choisi de telle sorte que la température à l'emplacement du capteur de tempéature 12 ou du circuit de captage de température 11 soit égale ou supérieure à la température en un autre endroit quelconque du champ 1 1, notamment en son milieu ou au centre de gravité On est ainsi assuré que, lors d'une intervention de la

limitation de courant, toujours les cellules de commuta-

tion auxiliaires situées dans le champ 3 1 au voisinage immédiat du capteur de température 12 ou du circuit de limitation de courant et de captage de température

11 ' soient le plus fortement échauffées et que la détec-

tion ou le captage d'un état de surcharge soient effec-

tués avec le plus petit retard possible Une coupure, nécessitée par une surcharge, du dispositif de commutation à semiconducteurs peut être enclenchée beaucoup plus tôt que conformément à l'art antérieur, sans qu'il existe le risque d'une surchauffe ponctuelle incontrôlée des

cellules de commutation du semiconducteur 1 qui condui-

sent le courant principal, et par conséquent le risque

d'une destruction de ce commutateur.

L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit o il est prévu une excitation séparée de cellules de commutation déterminées Par exemple elle comprend également une solution qui ne fait pas intervenir un élément 8, par ailleurs toujours

prévu, pour déterminer deux facteurs de commande diffé-

rents en fonction de l'application envisagée et qui

ne fait également pas intervenir une voie séparée d'exci-

tation d'un commutateur à semiconducteurs 3 ' correspon-

dant, par le fait qu'il est prévu des moyens technologi-

ques pour faire en sorte que, pour un nombre déterminé de cellules de commutation particulières dans un champ

3.1 correspondant, on obtienne une courbe caractéristi-

que telle que celle de la Figure 3 b, qui a une pente plus forte que la courbe caractéristique correspondante

de toutes les autres cellules de commutation d'un commuta-

teur à semiconducteurs 1 ' conduisant le courant principal.

Dans un tel cas, une ligne séparatrice 4, visible pour l'observateur, entre des champs comportant des cellules

de commutation à associer à un commutateur à semiconduc-

teurs 1 ' et à un commutateur à semiconducteurs 3 ' peut

être supprimée complètement et l'établissement des con-

tacts avec les électrodes d'excitation de toutes les

cellules de commutation peut être réalisé correctement.

* Le moyen conforme à l'invention pour améliorer la résistance à des courts-circuits de dispositifs de commutation à semiconducteurs n'est également pas limité, dans un autre sens, à l'exemple particulier de réalisation représenté sur la Figure 2 Il s'agit alors de façon générique de transistors de type-MOS à canal-N constituant

des commutateurs à semiconducteurs qui ont des caracté-

ristiques de fonctionnement correspondant aux courbes

des Figures 3 a et 3 b Il est également possible d'appli-

quer l'invention, sans sortir de son cadre, à d'autres.

éléments de commutation à semiconducteurs ayant d'autres caractéristiques Le transistor T 1 conduit dans ce cas une tension de service Ub à la masse 10 ( commutateur

haut-niveau) Egalement le cas inverse d'une transmis-

sion du potentiel de masse vers la tension de service Ub est possible ( commutateur bas-niveau) En fonction de la polarité et/ou de la technologie du commutateur de puissance T et du commutateur à semiconducteurs T 3, par exemple une pompe de charge servant de circuit

d'excitation peut être nécessaire ou peut être supprimée.

Dans le cas d'un agencement avec des cellules de commuta-

tion pour lesquelles la pente de la courbe est différente en fonction du champ, il est également possible de réduire le circuit d'excitation 6 à un diviseur de tension ohmique ou à une dérivation de conducteur ou bien de le supprimer complètement Egalement en utilisant des technologies bipolaires pour réaliser le commutateur de puissance,

il est possible d'augmenter la résistance aux courts-

circuits de la manière décrite Il n'est alors pas obli-

gatoire d'utiliser comme facteur d'influence la tension de base mais le courant de base d'un transistor bipolaire correspondant T 3 ou bien de structures de transistors correspondantes à l'intérieur d'un champ 3 1 au voisinage immédiat du capteur de température 12 ou d'un circuit de captage de température 11 ', ce courant de base étant alors réglé à une valeur supérieure en cas de court- circuit de façon à produire la plus forte température

à l'emplacement de l'élément captant la température.

Toutes ces variantes rentrent dans le cadre de l'inven-

tion revendiquée.

Claims

REVENDICATIONS

1 Dispositif de commutation à semiconducteurs pouvant être commandé et pourvu d'un système intégré de protection antisurcharge du circuit de courant de charge, o la voie de commutation dans le circuit de courant de charge est constituée d'un grand nombre de cellules de commutation principales agissant en parallèle et en outre d'un petit nombre de cellules de commutation auxiliaires ( 3 1), qui conduisent parallèlement aux cellules de commutation principales une partie du courant total de charge de façon à créer ainsi une protection antisurcharge, et o au moins les connexions côté-charge des cellules de commutation principales ( 1 1; 1) et

auxiliaires sont reliées directement de façon très con-

ductrice entre elles et les unes avec les autres, et

o la voie de commutation d'un autre commutateur à semi-

conducteurs ( 2) est connectée entre les autres connexions de commutation, non situées côté-charge, des cellules

de commutation principales et leurs connexions de com-

mande reliées directement entre elles de façon très conductrice, dispositif caractérisé en ce que: également les connexions de commutation non situées côté-charge des cellules de commutation principales

( 1.1; 1) et auxiliaires ( 3 1; 3) sont reliées directe-

ment et de façon très conductrice entre elles et les

unes avec les autres, en ce que le dispositif de commuta-

tion comporte un élément ( 12, 11 ') pour capter la tempé-

rature de puce, cet élément agissant sur l'autre commu-

tateur à semiconducteurs ( 2), lorsque la température de puce augmente, dans le sens d'une mise en conduction

de celui-ci, en ce que la nature et/ou le facteur d'exci-

tation des cellules de commutation auxiliaires ( 3 1) se différencient de la nature ou du facteur d'excitation des cellules de commutation principales ( 1 1) de manière que, lors d'une commande de commutation du dispositif et dans le cas d'un courant de charge inférieur à la limite de surcharge, la sollicitation spécifique en courant et par conséquent la perte de puissance spécifique des cellules de commutation auxiliaires ( 3 1) soient sensiblement de même grandeur que les valeurs obtenues pour les cellules de commutation principales ( 1 1), et en ce que, lors d'une commande de commutation du dispositif et dans le cas d'une augmentation progressive du courant de charge jusqu'à la limite de surcharge, la sollicitation spécifique en courant et par conséquent

la perte de puissance spécifique des cellules de commu-

tation auxiliaires ( 3 1) dépassent de façon monotone et croissante les valeurs obtenues par les cellules de commutation principales ( 1 1), et en ce que l'élément ( 12, 11 ') captant la température de puce est disposé en étant voisin ou sensiblement entouré par des cellules de commutation particulières ( 3 1) qui sont situées plus ou moins sur le bord de la surface de puce occupée

par les cellules de commutation principales ( 1 1).

2 Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les cellules de commutation ( 1 1, 3 1) sont réalisées sous la forme de cellules à transistors

de types bipolaires ou MOS dans une technologie appro-

priée.

3 Dispositif selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce qu'également les électrodes de commande des

cellules de commutation principales ( 1 1; 1) et auxi-

liaires ( 3 1; 3) sont reliées de façon très conductrice entre elles et les unes avec les autres et en outre

toutes les cellules de commutation peuvent être comman-

dées avec le même facteur d'excitation, les cellules de commutation auxiliaires ( 3 1) comportant une plus grande pente de la courbe représentant leur valeur de conduction initiale en fonction du degré d'excitation

que les cellules de commutation principales ( 1 1).

4 Dispositif selon la revendication 3, caracté-

risé en ce que l'excitation de toutes les cellules

de commutation ( 1 1, 1; 3 1, 3) est faite par l'inter-

médiaire d'un circuit d'excitation particulier ( 6; 6 avec 5 ou 7), qui produit au moins une des transfor-

mations suivantes d'un facteur d'excitation les sollici-

tant: décalage de niveau d'une tension d'excitation décalage de niveau d'un courant d'excitation transformation d'une tension d'excitation en un courant servant de facteur d'excitation; transformation d'un courant d'excitation en une tension

servant de facteur d'excitation.

Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que toutes les cellules de commutation ont une structure sensiblement identique et/ou comportent

dans l'essentiel une pente unitaire de la courbe repré-

sentant leur valeur de conduction initiale en fonction de leur facteur d'excitation, en ce que respectivement les électrodes de commande des cellules de commutation

auxiliaires ( 3 1) sont reliées entre elles et les élec-

trodes de commande des cellules de commutation principales ( 1.1) sont reliées entre elles, et en ce qu'il est en outre prévu des moyens pour opérer, dans un domaine de charges proche de la limite de surcharge, rendre conductrices les électrodes de commande des cellules de commutation auxiliaires ( 3 1) et les électrodes de commande des cellules de commutation principales ( 1 1) avec au moins des facteurs d'excitation se différenciant

les uns des autres par leurs valeurs.

6 Dispositif selon la revendication 5, caracté-

risé en ce que les électrodes de commande des cellules de commutation auxiliaires ( 3 1) et des cellules de commutation principales ( 1 1) coopèrent les unes avec

les autres par l'intermédiaire d'un élément ( 8) o s'éta-

blit une différence des facteurs de commande.

7 Dispositif selon la revendication 6, caracté-

risé en ce que, pour l'élément ( 8), il s'agit d'au moins

une résistance et/ou d'au moins une transition semicon-

ductrice pn ou np-.

8 Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que l'excitation des cellules de commutation ( 1.1, 3 1) est réalisée par l'intermédiaire d'un circuit d'excitation ( 6), qui comprend au moins une pompe de

charge.

9 Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que le facteur commandant le passage du cou-

rant dans le circuit de courant de charge est influen-

çable par le fait qu'il peut être court-circuité, ou bien inversé, ou bien bloqué en conduction, par les autres commutateurs à semiconducteurs ( 2), commutés sensiblement en parallèle par au moins les entrées de commande des cellules de commutation principales ( 1 1), et en ce que le commutateur à semiconducteurs ( 2) peut recevoir, dans le sens d'une limitation du courant de charge à une valeur admissible pendant une assez longue durée, un signal de commande qui est fonction, en dehors de la température de puce dans la zone des cellules de commutation auxiliaires ( 3 1), également encore d'au moins une partie du courant de charge qui est captée

séparément et de façon continue.

Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'il est prévu des moyens qui exercent une influence sur le facteur commandant le passage du courant dans le circuit de courant de charge en fonction de la température de puce dans les zones des cellules de commutation auxiliaires ( 3 1), avec une caractéristique de basculement après franchissement d'une hysteresis

de température prédéterminée.