FR2699734A1 - Two=way current limiting protection circuit for optical coupler, connected to power supply - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif bidirectionnel limiteur de courant capable de tenir une tension de polarisation élevée.The present invention relates to a bidirectional current limiting device capable of withstanding a high bias voltage.
Par tension élevée, ou haute tension, on désignera ici des tensions comprises entre 500 et 2000 volts.By high voltage, or high voltage, we will designate here voltages between 500 and 2000 volts.
La réalisation de dispositifs limiteurs de courant pour le contrôle d'interrupteurs électroniques de puissance suppose habituellement le recours à une combinaison d'éléments tels qu'un transistor MOS à enrichissement piloté par un transistor bipolaire avec un réseau composé de résistances, d'une diode Zener et d'une capacité. Une telle combinaison est coûteuse et encombrante et, de plus, ne permet pas de tenir en tension au-delà d'environ 500 volts. Or on sait que la tenue en tension est l'un des problèmes essentiels rencontrés en électronique de puissance.The production of current limiting devices for controlling electronic power switches usually involves the use of a combination of elements such as an enriched MOS transistor controlled by a bipolar transistor with a network composed of resistors, a diode Zener and capacity. Such a combination is expensive and cumbersome and, moreover, does not make it possible to withstand voltage above about 500 volts. However, we know that the withstand voltage is one of the essential problems encountered in power electronics.
L'invention a pour but de simplifier et rendre peu encombrant un dispositif bidirectionnel limiteur de courant tout en rendant celui-ci apte à tenir une tension de polarisation élevée.The object of the invention is to simplify and make space-saving a bidirectional current limiting device while making it able to hold a high bias voltage.
Selon l'invention, pour limiter le courant acheminé via des bornes d'entrée reliées à une source de tension industrielle vers des bornes de sortie reliées à un organe de commande d'un composant ou circuit de puissance, le dispositif comprend un couple d'éléments limiteurs de courant dont chacun comporte::
- un substrat semiconducteur de type N,
- une région hautement résistive de type P- débouchant sur une partie d'une surface
principale du substrat et présentant une zone de conduction située entre deux îlots
peu résistifs de type P+ pour assurer du premier vers le deuxième îlot le passage
d'un courant autolimité, et une zone de protection contre le claquage en haute tension
située autour du deuxième îlot,
- une électrode susceptible de polariser le substrat à un potentiel inférieur à celui du
deuxième îlot,
- des bornes respectivement reliées aux deuxième et premier îlot et à l'électrode de
polarisation de substrat, les bornes reliées aux deuxièmes îlots étant connectées
aux bornes d'entrée du dispositif,
et une première borne de sortie connectée aux bornes de polarisation de substrat et une
deuxième borne de sortie connectée aux bornes des premiers îlots du couple d'éléments.According to the invention, to limit the current supplied via input terminals connected to an industrial voltage source to output terminals connected to a control member of a power component or circuit, the device comprises a pair of current limiting elements, each of which includes:
- an N-type semiconductor substrate,
- a highly resistive P-type region opening onto part of a surface
main of the substrate and having a conduction zone located between two islands
low resistive type P + to ensure the passage from the first to the second island
a self-limiting current, and a high voltage breakdown protection area
located around the second island,
- an electrode capable of polarizing the substrate at a potential lower than that of the
second island,
- terminals respectively connected to the second and first island and to the electrode
substrate polarization, the terminals connected to the second islands being connected
at the input terminals of the device,
and a first output terminal connected to the substrate bias terminals and a
second output terminal connected to the terminals of the first islands of the pair of elements.
L'invention concerne aussi les dispositifs bidirectionnels à couplage optique ainsi constitués.The invention also relates to bidirectional optically coupled devices thus formed.
Les caractéristiques et avantages de l'invention sont explicités dans la description suivante d'un mode de réalisation en relation avec les figures jointes. The characteristics and advantages of the invention are explained in the following description of an embodiment in relation to the attached figures.
- La figure I représente en coupe un substrat de silicium sur lequel est formé un élément du
dispositif de protection conforme à l'invention.- Figure I shows in section a silicon substrate on which an element of the
protection device according to the invention.
- La figure 2 est le schéma électrique du dispositif associé à une diode photoémissive.- Figure 2 is the electrical diagram of the device associated with a photoemissive diode.
- La figure 3 montre en vue de dessus un exemple de réalisation du dispositif.- Figure 3 shows a top view of an embodiment of the device.
Le dispositif de protection représenté comprend deux éléments L dont chacun est ménagé sur un substrat 10 de silicium de type N- peu dopé, d'un type utilisé habituellement pour la réalisation de composants de puissance. La résistivité du substrat est fonction de la tension à bloquer, par exemple 50 Q.cm pour 1200 volts.The protection device shown comprises two elements L, each of which is formed on a substrate 10 of type N- lightly doped silicon, of a type usually used for the production of power components. The resistivity of the substrate is a function of the voltage to be blocked, for example 50 Q.cm for 1200 volts.
Une région hautement résistive de type P- est formée de manière à déboucher sur une partie d'une surface principale 12 du substrat 10. La région Il a une profondeur de 5 à 30,um et elle est dopée avec une dose d'accepteurs comprise entre 0,5 et 4.1012 atomes.cm-2 pour déterminer une résistance par carré de 2 à 20 kÇ# / O. La dose recherchée est obtenue par implantation ionique suivie d'un recuit.A highly resistive P-type region is formed so as to lead to a part of a main surface 12 of the substrate 10. Region II has a depth of 5 to 30 μm and it is doped with a dose of acceptors included between 0.5 and 4.1012 atoms.cm-2 to determine a resistance per square of 2 to 20 kÇ # / O. The desired dose is obtained by ion implantation followed by annealing.
La région Il comprend une zone de conduction Z1 entre deux îlots 13,14 peu résistifs de type P+ et, autour de l'îlot 14, une zone de tenue au claquage haute tension 22. La zone de conduction Z1 a une largeur I et une longueur L qui contribuent à définir sa résistance. Le dopage des îlots est tel que leur résistance par carré est comprise entre 10 et 100 Q / g et leur profondeur est inférieure, égale ou - dans cet exemple - supérieure à celle de la région 11. Les îlots 13,14 reçoivent des métallisations respectives 15,16 de prise de contact.The region II comprises a conduction zone Z1 between two islands 13,14 of low resistivity of the P + type and, around the island 14, a high-voltage breakdown resistance zone 22. The conduction zone Z1 has a width I and a length L which help define its resistance. The doping of the islets is such that their resistance per square is between 10 and 100 Q / g and their depth is less, equal or - in this example - greater than that of region 11. The islets 13,14 receive respective metallizations 15.16 contact.
La zone de protection Z2 a une largeur qui dépend des caractéristiques de la région 11, typiquement de 100 à 200 lim pour bloquer 1200 volts.The protection zone Z2 has a width which depends on the characteristics of the region 11, typically from 100 to 200 lim to block 1200 volts.
Une région 17 de type N+, fortement dopée, par exemple avec une concentration supérieure à 1018 atomes.cm-3, est prévue à la surface 12 du substrat 10 pour polariser celui-ci sous une tension inférieure à la tension appliquée à l'îlot 14 via la métallisation 16 afin de polariser ainsi en sens direct la jonction PN 18. La région 17 reçoit une métallisation 19 de prise de contact.An N + type region 17, heavily doped, for example with a concentration greater than 1018 atoms.cm-3, is provided on the surface 12 of the substrate 10 to polarize the latter under a voltage lower than the voltage applied to the island 14 via the metallization 16 in order to thus polarize in the direct direction the PN junction 18. The region 17 receives a metallization 19 of contact making.
La région 17 est poursuivie sur le pourtour du dispositif (figures 2 et 3) pour réaliser un anneau de champ équipotentiel 20 qui permet d'arrêter la progression de la zone de charge d'espace. La couche d'oxyde a été représenté en 21.The region 17 is continued around the periphery of the device (FIGS. 2 and 3) to produce an equipotential field ring 20 which makes it possible to stop the progression of the space charge zone. The oxide layer has been shown at 21.
Les électrodes 16,15,18 étant référencées respectivement A,B,C (voir figure 1), le fonctionnement du dispositif est le suivant. The electrodes 16, 15, 18 being referenced respectively A, B, C (see FIG. 1), the operation of the device is as follows.
Lorsque le potentiel en C est égal ou légèrement supérieur au potentiel en B, lui-même supérieur au potentiel en A, le dispositif fonctionne en limiteur d'intensité pour le courant qui circule de B vers A, la valeur du courant limité étant typiquement comprise entre 0,3 et 5 mA.When the potential at C is equal to or slightly greater than the potential at B, itself greater than the potential at A, the device operates as an intensity limiter for the current flowing from B to A, the value of the limited current being typically understood between 0.3 and 5 mA.
B et C peuvent alors être interconnectées pour assurer l'égalité de potentiel recherchée.B and C can then be interconnected to ensure the desired potential equality.
Lorsque le potentiel en C est inférieur au potentiel en B ou en A, la diode formée par la jonction entre le substrat N- 10 d'une part et par les régions 11,13,14 d'autre part est polarisée en direct. Le courant peut donc circuler de A ou B vers C avec une chute de tension de 0,7 volt dans la diode.When the potential at C is less than the potential at B or A, the diode formed by the junction between the substrate N- 10 on the one hand and by the regions 11,13,14 on the other hand is polarized directly. Current can therefore flow from A or B to C with a voltage drop of 0.7 volts in the diode.
Sur le schéma illustré par la figure 2, on voit les deux éléments LI ,L2 du dispositif. L'élément limiteur LI comporte une résistance pincée Z11 entre les électrodes A1,B1 et une diode D1 en sens passant entre les électrodes AIA1,C1; l'élément limiteur L2 comporte de même une résistance Z12 entre les électrodes A2,B2 et une diode D2 en sens passant entre les électrodes A2,C2. Les électrodes A1,A2 sont connectées respectivement à des bornes d'entrées 1,2 du dispositif elles-mêmes susceptibles d'être reliées à une source de tension alternative ou continue, tandis que les électrodes ClC1,C2 d'une part, B1,B2 d'autre part, sont connectées à des bornes de sortie 3,4 du dispositif.On monte entre les bornes 3,4 l'organe de commande dont l'intensité du courant doit être limitée; il peut s'agir d'une photodiode 30 couplable avec un phototransistor 31 pour constituer un optocoupleur 32 apte à commander un composant ou circuit de puissance à partir d'une source de tension alternative ou continue.On the diagram illustrated by FIG. 2, we see the two elements LI, L2 of the device. The limiting element LI comprises a pinched resistor Z11 between the electrodes A1, B1 and a diode D1 in the direction passing between the electrodes AIA1, C1; the limiting element L2 likewise comprises a resistor Z12 between the electrodes A2, B2 and a diode D2 in the direction passing between the electrodes A2, C2. The electrodes A1, A2 are respectively connected to input terminals 1,2 of the device themselves capable of being connected to an alternating or direct voltage source, while the electrodes ClC1, C2 on the one hand, B1, B2 on the other hand, are connected to output terminals 3,4 of the device. The control member is mounted between terminals 3,4, the current intensity of which must be limited; it may be a photodiode 30 which can be coupled with a phototransistor 31 to form an optocoupler 32 capable of controlling a component or power circuit from an alternating or direct voltage source.
Selon les cas, la photodiode, voire l'optocoupleur, peut être incluse dans le dispositif.Depending on the case, the photodiode, or even the optocoupler, can be included in the device.
Le fonctionnement du dispositif est à présent expliqué en regard de la figure 2, pour le seul cas où le potentiel en 1 est supérieur au potentiel en 2, puisque le dispositif est symétrique. La diode D1 est ainsi polarisée en sens direct, la diode D2 est polarisée en sens inverse. Lorsque la différence de potentiel entre 1 et 2 croît à partir de zéro, le courant venant de 1 traverse la diode D1 et la diode 30 de l'optocoupleur, puis, D2 étant bloquée, traverse la résistance Z12 entre B2 et A2 pour aller en 2. Jusqu'à une valeur Vp de l'ordre de 10 à 40 volts, la résistance Z12 garde une valeur de 10 à 50 kQ;; lorsque le potentiel entre 1 et 2 dépasse Vp, la résistance Z12 passe à sa valeur de pincement, supérieure à 500 kQ et sensiblement constante. L'élément L2 est alors en régime de limitation de courant, celui-ci restant maintenu à une valeur comprise entre 0,3 et 5 mA.The operation of the device is now explained with reference to FIG. 2, for the only case where the potential at 1 is greater than the potential at 2, since the device is symmetrical. The diode D1 is thus polarized in the forward direction, the diode D2 is polarized in the reverse direction. When the potential difference between 1 and 2 increases from zero, the current coming from 1 crosses the diode D1 and the diode 30 of the optocoupler, then, D2 being blocked, crosses the resistance Z12 between B2 and A2 to go in 2. Up to a value Vp of the order of 10 to 40 volts, the resistance Z12 keeps a value of 10 to 50 kQ ;; when the potential between 1 and 2 exceeds Vp, the resistance Z12 goes to its pinch value, greater than 500 kQ and substantially constant. The element L2 is then in current limitation mode, the latter remaining maintained at a value between 0.3 and 5 mA.
Le dispositif représenté fonctionne sous la tension alternative d'un réseau de distribution ou sous tension continue. Les régions de protection Z2 des éléments limiteurs L (ou Z21,Z22 sur la figure 3) assurent une tenue en tension inverse pouvant atteindre 1200 volts.The device shown operates under the AC voltage of a distribution network or under DC voltage. The protection regions Z2 of the limiting elements L (or Z21, Z22 in FIG. 3) provide reverse voltage withstand up to 1200 volts.
La figure 3 montre une forme d'exécution des deux éléments L1,L2 intégrée dans une puce d'environ 8 mm2. Les électrodes C1,C2 de polarisation de substrat sont réunies pour ne former qu'une seule électrode C qui entoure les régions 11 à faible dopage P-
Il va de soi que les types de dopage P et N décrits peuvent être substitués entre eux. FIG. 3 shows an embodiment of the two elements L1, L2 integrated in a chip of approximately 8 mm2. The substrate polarization electrodes C1, C2 are combined to form a single electrode C which surrounds the regions 11 with low P-doping
It goes without saying that the types of P and N doping described can be substituted for one another.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9215356A FR2699734B1 (en) | 1992-12-17 | 1992-12-17 | Bidirectional current limiting device. |
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| FR9215356A FR2699734B1 (en) | 1992-12-17 | 1992-12-17 | Bidirectional current limiting device. |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2699734A1 true FR2699734A1 (en) | 1994-06-24 |
| FR2699734B1 FR2699734B1 (en) | 1995-02-24 |
Family
ID=9436821
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|---|---|---|---|
| FR9215356A Expired - Fee Related FR2699734B1 (en) | 1992-12-17 | 1992-12-17 | Bidirectional current limiting device. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2699734B1 (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3134647A1 (en) * | 1981-08-29 | 1983-03-17 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Overvoltage-limited control of optically fired power semiconductors |
-
1992
- 1992-12-17 FR FR9215356A patent/FR2699734B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3134647A1 (en) * | 1981-08-29 | 1983-03-17 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Overvoltage-limited control of optically fired power semiconductors |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2699734B1 (en) | 1995-02-24 |
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