FR2959366A1 - MOUNTING IN BRIDGE RECTIFIER - Google Patents
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Abstract
Montage en pont redresseur comportant plusieurs éléments redresseurs. Les éléments redresseurs sont des diodes TMBS (diodes MOS à barrière de Schottky en tranchée) à tension de blocage à faible dérive.Rectifier bridge assembly comprising a plurality of rectifier elements. The rectifier elements are TMBS diodes (Schottky barrier MOS diodes in trench) with low drift clamping voltage.
Description
1 Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un montage en pont redresseur équipé de plusieurs éléments redresseurs, notamment pour un générateur électrique de véhicule automobile. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a rectifier bridge assembly equipped with several rectifier elements, in particular for an electric motor vehicle generator.
Etat de la technique Habituellement, les redresseurs des générateurs de courant alternatif équipant les véhicules automobiles, utilisent des diodes PN. Ces diodes assurent non seulement le redressement, proprement dit, mais en général également une fonction protectrice en ce qu'elles limitent la tension du générateur en cas de montée rapide de la tension. Par exemple, en cas d'excursion rapide de la charge ou de variations rapides de charge, la tension du générateur peut augmenter fortement. Dans ce cas, les diodes limitent la tension à des valeurs non critiques pour les autres parties du réseau embarqué dans le véhicule, par exemple à une tension inférieure à 34 Volts. Les diodes fonctionnent alors comme des diodes Z dans la plage de claquage de la tension d'arrêt. La figure 1 montre un montage en pont redresseur pour un générateur triphasé, schématisé, comportant 6 diodes Z (ZD1 à ZD6), c'est-à-dire des diodes PN installées suivant un montage en pont B6. Les références U, V, W, désignent les bornes d'application de phases et la référence B+ correspond à la borne positive de courant redressé. On peut également envisager des montages redresseurs pour des générateurs ayant un nombre différent de phases, par exemple 5, 6 ou 7 phases. En général, les diodes de redresseur, sont installées dans des boîtiers particuliers appelés "boîtiers enfoncés". De telles diodes sont par exemple connues selon le document DE 19549202. En mode de fonctionnement normal, le courant passe toujours par deux diodes et génère ainsi une chute de tension égale chaque fois à environ 1 Volt. La perte de puissance occasionnée par les diodes est le produit des deux tensions de passage multiplié par l'intensité du courant du générateur. On peut augmenter la puissance d'un générateur en utilisant des diodes Schottky à la place de diodes PN. Les diodes STATE OF THE ART Traditionally, the rectifiers of AC generators used in motor vehicles use PN diodes. These diodes not only provide recovery, proper, but usually also a protective function in that they limit the voltage of the generator in case of rapid rise in voltage. For example, in the event of rapid load excursion or rapid load changes, the generator voltage can increase significantly. In this case, the diodes limit the voltage to values that are not critical for the other parts of the network embedded in the vehicle, for example at a voltage of less than 34 volts. The diodes then operate as Z diodes in the breakdown voltage range. Figure 1 shows a rectifier bridge arrangement for a three-phase generator, schematized, having 6 Z diodes (ZD1 to ZD6), i.e. PN diodes installed in a B6 bridge arrangement. The references U, V, W denote the phase application terminals and the reference B + corresponds to the rectified current positive terminal. It is also possible to envisage rectifying arrangements for generators having a different number of phases, for example 5, 6 or 7 phases. In general, the rectifier diodes are installed in special housings called "recessed housings". Such diodes are for example known from DE 19549202. In normal operating mode, the current always passes through two diodes and thus generates a voltage drop equal to about 1 volt each time. The loss of power caused by the diodes is the product of the two gate voltages multiplied by the intensity of the generator current. The power of a generator can be increased by using Schottky diodes instead of PN diodes. The diodes
2 Schottky ont une tension de passage significativement plus faible que celle des diodes PN, par exemple de l'ordre de 0,5 V à 0,6 V. Toutefois, jusqu'à présent, on n'a pas utilisé de diodes Schottky dans les systèmes de générateurs de véhicules automobiles à cause de leur courant de blocage plus élevé et en particulier de la plus forte dépendance du courant de blocage par rapport à la tension de blocage. Des concepts perfectionnés de diodes Schottky telles que par exemple les diodes TMBS (Diodes MOS à barrière de Schottky en tranchée) réduisent cet inconvénient, mais ces diodes doivent en général être protégées par des diodes Z complémentaires réalisées en technique PN, car elles ne peuvent travailler en mode de claquage. La figure 2 montre une diode TMBS composée d'un substrat (n+)1, d'une couche épitaxiale (n)2, d'au moins deux tranchées 6 réalisées par gravure, des couches métalliques sur la face avant 4 de la puce comme électrode d'anode et au dos 5 de la puce comme électrode de cathode, ainsi que d'une couche d'oxyde 7 entre les tranchées (sillons) 6 et la couche métallique de la face avant 4. Du point de vue électrique, une diode TMBS est la combinaison d'une structure MOS (couche de métal, couche d'oxyde 7 et couche épitaxiale n2) et d'une diode Schottky (la barrière de Schottky se trouve entre la couche métallique constituant l'anode et la couche épitaxiale (n)2 constituant la cathode). Dans le sens de passage, les courants traversent la zone mesa entre les tranchées 6. Les tranchées 6 elles-mêmes ne sont pas disponibles pour le passage du courant. L'avantage d'une diode TMBS, se situe dans la réduction des courants de blocage. Dans le sens du blocage, on a à la fois dans le cas de la structure MOS et aussi dans le cas d'une diode Schottky, des zones de charges d'espace. Les zones de charges d'espace s'étendent lorsque la tension augmente et pour une certaine tension inférieure à la tension de claquage de la diode TMBS, elles arrivent au milieu de la zone comprise entre les tranchées voisines 6 et se rejoignent. On crée ainsi un écran pour l'effet Schottky responsable des intensités de blocage élevées et on réduit les intensités ou courant de blocage. Cet effet d'écran dépend fortement des paramètres de la structure Dt 2 Schottky have a significantly lower pass voltage than that of PN diodes, for example of the order of 0.5 V to 0.6 V. However, until now, Schottky diodes have not been used in motor vehicle generator systems because of their higher blocking current and in particular the greater dependence of the blocking current with respect to the blocking voltage. Advanced concepts of Schottky diodes such as for example TMBS diodes (Schottky barrier MOS diodes trench) reduce this disadvantage, but these diodes must generally be protected by complementary Z diodes made in PN technique, because they can not work in breakdown mode. FIG. 2 shows a TMBS diode composed of a substrate (n +) 1, an epitaxial layer (n) 2, at least two trenches 6 made by etching, metal layers on the front face 4 of the chip as anode electrode and back 5 of the chip as a cathode electrode, as well as an oxide layer 7 between the trenches (grooves) 6 and the metal layer of the front face 4. From the electrical point of view, a TMBS diode is the combination of a MOS structure (metal layer, oxide layer 7 and epitaxial layer n2) and a Schottky diode (the Schottky barrier lies between the metal layer constituting the anode and the epitaxial layer (n) 2 constituting the cathode). In the direction of passage, the currents cross the mesa zone between the trenches 6. The trenches 6 themselves are not available for the passage of the current. The advantage of a TMBS diode lies in the reduction of the blocking currents. In the sense of the blocking, there are both space charge areas in the case of the MOS structure and also in the case of a Schottky diode. The space charge areas extend as the voltage increases and for some voltage below the breakdown voltage of the TMBS diode, they arrive in the middle of the area between the adjacent trenches 6 and meet. This creates a screen for the Schottky effect responsible for high blocking intensities and reduces the current or current blocking. This screen effect strongly depends on the parameters of the structure Dt
3 (profondeur de la tranchée), Wm (intervalle entre les tranchées), Wt (largeur de la tranchée), ainsi que de To (épaisseur de la couche d'oxydes). Lors du claquage de la diode TMBS, on a des champs électriques très intenses dans la couche d'oxyde 7 et directement à proximité de la couche d'oxydes dans la couche épitaxiale (n)2. Les courants de blocage passent principalement à travers la couche d'inversion qui se forme dans la structure MOS le long de la surface supérieure de la tranchée. En conséquence, la structure MOS peut être dégradée par l'injection de porteurs de charge chauds de la couche épitaxiale (n)2 dans la couche d'oxydes 7 et dans certaines conditions de fonctionnement, elle risque même d'être détruite. De plus, la tension de claquage de la diode TMBS change. L'injection de porteurs de charge dans l'oxyde augmente la tension de blocage pendant le fonctionnement en claquage. Cela peut se traduire par des tensions de niveaux inacceptables en cas de fonctionnement prolongé en mode de claquage de la tension de blocage ou tension d'arrêt. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des solutions connues et a ainsi pour objet un montage en pont redresseur du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que les éléments redresseurs sont des diodes TMBS à tension de blocage à faible dérive. Le montage en pont redresseur selon l'invention a l'avantage de convenir également pour le mode de fonctionnement en pompage de charges. Cet avantage résulte principalement de ce que comme déjà indiqué, les éléments redresseurs sont des diodes TMBS à faible dérive de tension de blocage. De telles diodes sont utilisées de préférence à la place de diodes Zener dans les redresseurs des générateurs de tension alternative sans nécessiter d'autres circuits équipés d'éléments protecteurs. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'un montage en pont 3 (trench depth), Wm (gap between trenches), Wt (trench width), and To (oxide layer thickness). During the breakdown of the TMBS diode, very strong electric fields are present in the oxide layer 7 and directly in the vicinity of the oxide layer in the epitaxial layer (n) 2. The blocking currents pass mainly through the inversion layer that forms in the MOS structure along the upper surface of the trench. As a result, the MOS structure can be degraded by the injection of hot charge carriers from the epitaxial layer (n) 2 into the oxide layer 7 and under certain operating conditions it may even be destroyed. In addition, the breakdown voltage of the TMBS diode changes. The injection of charge carriers into the oxide increases the blocking voltage during breakdown operation. This can result in unacceptable level voltages in the event of prolonged operation in the breakdown mode of the blocking or stopping voltage. DESCRIPTION AND ADVANTAGES OF THE INVENTION The object of the present invention is to overcome the drawbacks of known solutions and thus relates to a rectifier bridge assembly of the type defined above, characterized in that the rectifying elements are voltage-consuming TMBS diodes. low drift lock. The rectifier bridge assembly according to the invention has the advantage of also being suitable for the operating mode in charge pumping. This advantage results mainly from the fact that, as already indicated, the rectifying elements are TMBS diodes with low blocking voltage drift. Such diodes are preferably used instead of Zener diodes in rectifiers of AC voltage generators without the need for other circuits equipped with protective elements. Drawings The present invention will be described below in more detail with the aid of an exemplary embodiment of a bridge assembly.
4 redresseur selon l'invention représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre le schéma d'un pont redresseur selon l'état de la technique, - la figure 2 montre le principe de fonctionnement d'une diode TMBS, - la figure 3 est un schéma d'un montage en pont redresseur selon l'invention dans le cas d'un courant triphasé, - la figure 4 montre la courbe caractéristique d'une diode TMBS selon l'invention. 4 rectifier according to the invention shown schematically in the accompanying drawings in which: - Figure 1 shows the diagram of a rectifier bridge according to the prior art, - Figure 2 shows the operating principle of a TMBS diode, FIG. 3 is a diagram of a rectifier bridge arrangement according to the invention in the case of a three-phase current; FIG. 4 shows the characteristic curve of a TMBS diode according to the invention.
Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure 3 montre un montage de pont redresseur selon l'invention dans le cas d'un générateur triphasé équipé de 6 diodes TMBS S 1-S6. On peut également utiliser d'autres générateurs avec un autre nombre de phases. DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT OF THE INVENTION FIG. 3 shows a rectifier bridge assembly according to the invention in the case of a three-phase generator equipped with 6 TMBS S 1 -S6 diodes. Other generators can also be used with another number of phases.
Dans le sens passant, les diodes donnent une tension de passage plus faible que les diodes PN occupant une surface de puce comparable. En fonctionnant en mode de claquage de tension d'arrêt (tension de blocage), la tension d'arrêt ou tension de blocage augmente en fonction du temps. Toutefois, la dérive de la tension de blocage peut résulter entre autres de paramètres de la structure technique tels que la profondeur Dt de la tranchée, l'intervalle Wm entre les tranchées, la largeur Wt de la tranchée, l'épaisseur To de la couche d'oxydes ainsi que du dopage de la couche épitaxiale 2. Cela se fait dans le montage en pont redresseur selon l'invention de façon que dans les structures TMBS utilisées, la dérive de la tension de blocage soit faible. Pour évaluer la dérive de la tension de blocage AUZ, on mesure une densité de charge qz en unité As/cm2. La charge qz par surface de puce que l'on obtient si la densité de courant de claquage jz sur le temps total tz pendant lequel la diode est en mode claquage, donnant par intégration cette charge qz : qz = J jz(t) • dtz (1) Si tous les évènements de claquage, par exemple tous les évènements de coupure de charge (Load dump) en cours de fonctionnement sont sommés, l'augmentation de la tension ne doit pas dépasser une certaine valeur. Au cas contraire, la tension du réseau 5 embarqué augmenterait finalement à des niveaux inacceptables, par exemple la tension dépasserait 34 V. Comme critère d'une diode TMBS à faible dérive selon l'invention, pour le réseau embarqué, usuel, à 14 V, il est proposé selon un premier mode de réalisation, que pour des densités de charge qz égales à 2000 As/cm2, l'augmentation de la tension de blocage AVZ soit inférieure à 8 %. Ce premier mode de réalisation est présenté à la figure 4, cette figure montre en ordonnées la dérive de tension de blocage AVZ en fonction de la densité de charge cumulée qz. Comme critère d'une diode TMBS à faible dérive selon l'invention pour le réseau embarqué usuel à 14 V, il est proposé selon un second mode de réalisation que pour des densités de charge qz égales à 2000 As/cm2, l'augmentation de la tension de blocage AVZ reste inférieure à 10 %. Comme critère d'une diode TMBS à faible dérive selon l'invention pour le réseau embarqué usuel à 14 V, il est proposé une troisième forme de réalisation pour laquelle à la densité de charge qz égale à 2000 As/cm2, l'augmentation de la tension de blocage AVZ reste inférieure à 20 %.25 In the forward direction, the diodes give a lower pass voltage than the PN diodes occupying a comparable chip area. By operating in the stop voltage breakdown mode (blocking voltage), the stop voltage or blocking voltage increases as a function of time. However, the drift of the blocking voltage can result inter alia from parameters of the technical structure such as the depth Dt of the trench, the interval Wm between the trenches, the width Wt of the trench, the thickness To of the layer This is done in the rectifier bridge arrangement according to the invention so that in the TMBS structures used, the drift of the blocking voltage is low. To evaluate the drift of the clamping voltage AUZ, a charge density qz in unit As / cm2 is measured. The charge qz per chip area that is obtained if the breakdown current density jz on the total time tz during which the diode is in breakdown mode, giving by integration this charge qz: qz = J jz (t) • dtz (1) If all breakdown events, for example all load dump events in operation, are summed, the voltage increase must not exceed a certain value. In the opposite case, the voltage of the on-board network 5 would finally increase to unacceptable levels, for example the voltage would exceed 34 V. As a criterion of a low drift TMBS diode according to the invention, for the on-board, usual network, at 14 V , it is proposed according to a first embodiment, that for load densities qz equal to 2000 As / cm2, the increase of the blocking voltage AVZ is less than 8%. This first embodiment is shown in FIG. 4, this figure shows on the ordinate the AVZ blocking voltage drift as a function of the cumulative charge density qz. As a criterion of a low drift TMBS diode according to the invention for the usual on-board network at 14 V, it is proposed according to a second embodiment that for load densities qz equal to 2000 As / cm 2, the increase in the AVZ blocking voltage remains below 10%. As a criterion of a low drift TMBS diode according to the invention for the usual on-board network at 14 V, a third embodiment is proposed for which at the charge density qz equal to 2000 As / cm 2, the increase in the AVZ blocking voltage remains below 20% .25
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| TQ | Partial transmission of property |
Owner name: ROBERT BOSCH GMBH, DE Effective date: 20180601 Owner name: SEG AUTOMOTIVE GERMANY GMBH, DE Effective date: 20180601 |
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