WO2013054033A1 - Cellule monolithique de circuit integre et notamment cellule de commutation monolithique - Google Patents
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Abstract
Une cellule selon la présente invention comporte au moins deux structures de même nature à semi-conducteur unidirectionnelles en tension et en courant, chaque structure présentant une anode (10), une cathode (14) et éventuellement une grille (16). Les structures sont intégrées dans le volume d'un même substrat (4) semi-conducteur. Sur une première face du substrat (4) semi-conducteur sont localisées les cathodes (14) et éventuellement les grilles (16). Les anodes (10) sont localisées chacune sur une seconde face du substrat (4) semi-conducteur opposée à la première face en vis-à-vis des cathodes et éventuellement des grilles correspondantes. Deux électrodes, anodes ou cathodes, de deux structures distinctes sont reliées électriquement l'une à l'autre.
Description
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Cellule monolithique de circuit intégré et notamment cellule de commutation monolithique
La présente invention concerne une cellule monolithique de circuit intégré et notamment une cellule de commutation monolithique et des applications mettant en œuvre au moins une telle cellule.
Le domaine de la présente invention est l'électronique de puissance qui permet de convertir l'énergie électrique entre un générateur et un récepteur qui sont le plus souvent de natures différentes. Il convient alors d'adapter les caractéristiques et les différentes formes de l'énergie électrique (continue ou alternative). Les convertisseurs électriques utilisés sont le plus souvent réalisés avec des interrupteurs à base de composants à semi-conducteurs et des composants passifs tels des inductances ou des capacités. Les interrupteurs, mais aussi des diodes, permettent de contrôler le transfert de l'énergie électrique tandis que les composants passifs servent à filtrer les formes d'ondes de cette énergie. Un interrupteur se comporte comme une résistance non linéaire qui doit être la plus faible possible à l'état passant et la plus grande possible à l'état bloqué. Les convertisseurs évoqués ici ne mettent pas en œuvre de pièces tournantes et sont de ce fait appelés également "convertisseurs statiques".
Il est connu d'utiliser comme interrupteur électronique dans les montages de l'électronique de puissance un transistor bipolaire à grille isolée, connu également sous l'acronyme IGBT (de l'anglais Insulated Gâte Bipolar Transistor). Un tel composant permet une grande simplicité de commande tout en conservant des faibles pertes par conduction. L'utilisation de tels composants a permis de nombreux progrès dans les applications de l'électronique de puissance aussi bien en ce qui concerne la fiabilité que la réduction des coûts.
À partir de composants, tels par exemple des IGBT, il est connu de faire une intégration de puissance en réalisant un assemblage de composants. On réalise ainsi des modules standards. Cette technique est couramment
utilisée dans l'industrie, le domaine du transport ou de l'énergie. Il est ainsi par exemple connu d'intégrer au sein d'une puce un dipôle interrupteur, avec uniquement deux électrodes de puissance, et de mettre en jeu verticalement au sein de la puce la tenue en tension et la circulation du courant. Un tel dipôle est couramment appelé "switch". On réalise par la suite des structures de conversion d'énergie en associant, par câblage, plusieurs switchs afin de réaliser une structure de conversion d'énergie. Cette opération de câblage crée de fortes interactions électriques parasites entre les inductances de connexion, les capacités parasites par rapport au plan de masse, les semi-conducteurs eux-mêmes et leur électronique de commande rapprochée.
Ces interactions dégradent les performances globales du convertisseur d'énergie réalisé par rapport aux performances des composants (switchs) initiaux. L'opération de câblage limite aussi la fiabilité de l'ensemble câblé, une réduction de la durée de vie lorsque des fortes densités de courant sont utilisées, une haute température ambiante et des cycles thermiques fonctionnels. Enfin, cette opération est coûteuse car elle nécessite beaucoup de temps pour sa mise en œuvre et limite ainsi la productivité.
Il est également connu d'intégrer dans le silicium, c'est-à-dire dans une même puce, des circuits de commande et de logique complets. Ceci est par exemple utilisé dans des applications de grande série, par exemple dans l'industrie automobile. Le plus souvent, les fonctions sont réalisées à la surface du cristal de silicium. De ce fait, les tensions mises en jeu sont limitées et de telles solutions ne concernent que certaines applications.
La présente invention a pour objectif, dans le domaine de l'électronique de puissance, de permettre de réaliser une miniaturisation encore plus grande afin d'obtenir un convertisseur plus compact. De préférence, la fiabilité obtenue sera également augmentée. En outre, la présente invention permettra avantageusement de réduire le prix de revient d'un convertisseur de puissance.
À cet effet, elle propose une cellule monolithique de circuit intégré comportant au moins deux structures de même nature à semi-conducteur unidirectionnelles en tension et en courant, chaque structure présentant une
anode, une cathode et éventuellement une grille.
Selon la présente invention, lesdites structures sont intégrées dans le volume d'un même substrat semi-conducteur ; sur une première face du substrat semi-conducteur sont localisées à chaque fois dans une première zone prédéterminée la cathode et éventuellement la grille d'une structure correspondante ; l'anode de chaque structure est localisée dans une seconde zone sur une seconde face du substrat semi-conducteur opposée à la première face, la seconde zone d'une structure étant en vis-à-vis de la première zone de la structure correspondante, et les électrodes, choisies dans l'ensemble comportant les anodes et les cathodes, de même nature de structures distinctes sont reliées électriquement l'une à l'autre.
La présente invention propose ainsi de réaliser au sein d'un même dispositif semi-conducteur non pas un dipôle seul, tel par exemple un dipôle interrupteur, mais un tripôle (ou quadripôle ou plus) formant une véritable cellule de circuit intégré, non plus limitée à un composant unique. Une cellule selon la présente invention peut former ainsi un véritable convertisseur élémentaire, dépourvu de tout câblage filaire et dont les interactions électriques sont extrêmement réduites, apportant à la fois un fort niveau de miniaturisation, de réduction de coûts et de grande fiabilité. Un dispositif selon l'invention peut être utilisé pour des applications mettant en œuvre des tensions de 230 V/400 V ou pour des applications industrielles avec des tensions de 750 V - 850 V
La solution proposée par la présente invention, grâce à sa structure mettant en œuvre deux architectures monolithiques, génériques et modulaires de cellules symétriques, permet de limiter le nombre de couches dopées au sein du dispositif semi-conducteur.
Selon une première forme de réalisation d'une cellule monolithique de circuit intégré selon l'invention, dite à anode commune, les anodes de deux structures voisines sont à chaque fois reliées électriquement. Dans cette forme de réalisation, la liaison électrique entre deux anodes (P+) voisines est réalisée par métallisation du substrat semi-conducteur sur sa seconde face entre les deux anodes, et le substrat semi-conducteur présente une région N+ à
proximité de la métallisation, permettant la conduction bidirectionnelle du courant par la cellule, et une région N- entre les deux structures.
Selon une seconde forme de réalisation d'une cellule monolithique selon la présente invention, dite à cathode commune, les cathodes de deux structures voisines sont à chaque fois reliées électriquement. On prévoit ici par exemple qu'un mur d'isolement de type P+ vertical est réalisé entre les deux structures concernées permettant une tenue en tension latéralement au sein de la cellule.
Dans une cellule monolithique selon l'invention, le substrat semi- conducteur est par exemple en silicium (S1O2) mais d'autres matériaux semiconducteurs peuvent aussi être utilisés.
Dans une cellule selon la présente invention, chaque structure semi- conductrice correspond par exemple à une diode.
Dans une autre forme de réalisation d'une cellule selon la présente invention, chaque structure semi-conductrice peut être une structure interrupteur à semi-conducteur unidirectionnelle en tension et en courant. En variante de réalisation de cette forme de réalisation, chaque structure peut également être dotée d'au moins une électrode de commande. Toujours dans cette forme de réalisation, on peut prévoir alternativement ou cumulativement que chaque cellule soit associée dans le cristal à une diode permettant sa conduction inverse. Dans ce dernier cas, chaque structure interrupteur unidirectionnelle en tension et courant, dotée d'au moins une électrode de commande et associée dans le cristal à une diode permettant sa conduction inverse est par exemple choisie dans l'ensemble des structures comprenant les transistors bipolaires à grilles isolées à conduction inverse et les transistors de type VD-MOS.
La présente invention concerne également un pont redresseur, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon l'invention à anodes communes et une cellule de commutation selon l'invention à cathodes communes.
La présente invention concerne également un pont onduleur, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon l'invention à
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5 anodes communes et une cellule de commutation selon l'invention à cathodes communes.
Enfin, la présente invention concerne également un interrupteur de puissance bidirectionnel en courant et en tension, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon la présente invention.
Des détails et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui suit, faite en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels :
La figure 1 est un schéma électrique d'une cellule de commutation à anode commune,
La figure 2 est un schéma électrique d'une cellule de commutation à cathode commune,
La figure 3 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à anode commune selon la présente invention,
La figure 4 montre le schéma électrique simplifié équivalent de la structure de la figure 3, illustrant d'un point de vue circuit le comportement de la cellule représentée sur la figure 3,
La figure 5 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à cathode commune selon la présente invention,
La figure 6 est un schéma électrique d'un pont redresseur selon la présente invention,
La figure 7 est un schéma électrique d'un pont onduleur selon la présente invention,
La figure 8 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à anode commune mettant en œuvre deux transistors de type IGBT pour réaliser des fonctions de type interrupteur,
La figure 9 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à cathode commune mettant en œuvre deux transistors de type IGBT pour réaliser des fonctions de type interrupteur,
La figure 10 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à anode commune mettant en œuvre deux transistors de type VDMOS pour réaliser des fonctions de type interrupteur,
La figure 11 illustre l'architecture d'une cellule de commutation à cathode commune mettant en oeuvre deux transistors de type VDMOS pour réaliser des fonctions de type interrupteur,
La figure 12 illustre l'architecture d'une cellule monolithique intégrant deux diodes à anode commune,
La figure 13 illustre l'architecture d'une cellule monolithique intégrant deux diodes à cathode commune,
La figure 14 illustre l'intégration sur l'architecture montrée sur la figure 8 de la fonction diode,
La figure 15 illustre l'intégration sur l'architecture montrée sur la figure 9 de la fonction diode,
La figure 16 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 8 avec éventuellement plus de deux structures,
La figure 17 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 9 avec éventuellement plus de deux structures,
La figure 18 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 12 avec toutefois plusieurs diodes,
La figure 19 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 13 avec toutefois plusieurs diodes,
La figure 20 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 14,
La figure 21 est un schéma électrique correspondant à l'architecture de la figure 15,
Les figures 22 et 23 montrent chacune un schéma électrique d'un convertisseur continu/continu réalisé à partir de deux cellules monolithiques selon la présente invention, et
Les figures 24 et 25 montrent chacune un schéma électrique d'un interrupteur bidirectionnel réalisé à partir d'une cellule monolithique selon la présente invention.
La présente description s'intéresse à deux nouveaux dispositifs pouvant être réalisés de manière monolithique dans du silicium (Si), ou dans un autre matériau semi-conducteur tel du carbure de silicium (SiC) ou du nitrure de
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7 gallium (GaN), se présentant sous la forme d'un tripôle monolithique.
La figure 1 illustre un premier tripôle se présentant sous la forme d'une cellule de commutation à topologie symétrique de type aiguilleur de courant réunissant deux transistors T1 et T2. Chacun de ces transistors est, dans la forme de réalisation représentée, un transistor bipolaire à grille isolée à conduction inverse, aussi appelé RC-IGBT (de l'anglais Reverse Conducting Insulated Gâte Bipolar Transistor). Dans le tripôle illustré sur cette figure 1 , les deux transistors T1 et T2 sont à anodes, ou faces arrière, communes.
En variante, le transistor pourrait être d'un type différent. Il pourrait par exemple s'agir d'un transistor de type VDMOS ou VDMOSFET. VDMOS est un acronyme anglais de Vertically Métal Oxyde Semiconductor -ou en français (transistor) à structure métal oxyde semiconducteur verticale-. VDMOSFET est un acronyme anglais de Vertically Métal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor-ou en français transistor à effet de champ à structure métal oxyde semiconducteur verticale-.
Un second tripôle est illustré sur la figure 2. Il s'agit ici d'une cellule de commutation à topologie symétrique de type aiguilleur de courant réunissant deux transistors de type RC-IGBT mais ces transistors T1 et T2 sont assemblés de telle sorte que leurs cathodes, ou faces avant, soient communes (il pourrait ici aussi s'agir de transistors VDMOS ou de VDMOSFET).
On remarque que les deux tripôles représentés sur les figures 1 et 2 sont symétriques et qu'ils mettent en commun des électrodes de même nature (anode ou cathode). Ces caractéristiques sont utilisées pour mutualiser relativement aisément et avantageusement des régions complètes des deux transistors bipolaires à grille isolée ou des plans de métallisation pour en faciliter l'intégration et faire apparaître des propriétés nouvelles.
Le tripôle dont le schéma électrique est représenté sur la figure 1 peut être entièrement réalisé dans un même substrat semi-conducteur 4 et présente par exemple la structure illustrée sur la figure 3. Cette dernière est composée de deux structures de transistor bipolaire à grille isolée (appelée par la suite "structure IGBT") à conduction inverse. En effet, comme illustré sur la figure 4 qui superpose à la figure 3 les composants électroniques
8 correspondants, on remarque que chaque structure IGBT de la structure illustrée sur la figure 3 intègre en son sein une diode PIN 8 qui assure la conduction inverse. Chacune de ces structures IGBT à conduction inverse correspond à une section 6 illustrée par un rectangle en pointillés.
II a été démontré par les inventeurs la possibilité de faire cohabiter dans une même puce de silicium les deux structures IGBT à conduction inverse. En effet, du fait des différentes interactions possibles entre les deux sections 6 de la structure illustrée sur les figures 3 et 4 (et 5 également), interactions qui peuvent être source de dysfonctionnement de la structure globale intégrée, l'intégration monolithique de deux structures IGBT à conduction inverse n'est pas évidente pour l'homme du métier. En effet, dans cette structure, lors de son fonctionnement, les deux sections (présentant chacune une structure IGBT à conduction inverse) se trouvent toujours dans deux états différents : une section est à l'état passant tandis que l'autre est à l'état bloqué.
Sur les figures 3 à 5, on considérera par la suite que la structure représentée comporte une face arrière qui est disposée en bas et une face avant disposée en haut. Sur ces figures, une anode se trouve sur la face arrière pour chacune des sections 6 correspondant à une structure IGBT à conduction inverse.
Sur les figures 3 et 4, on remarque la présence de diffusions P+ et N+ au niveau de chaque anode, la diffusion N+ se trouvant du côté de l'autre anode Ces deux diffusions N+ et P+ sont à chaque fois court-circuitées par une électrode d'anode 10 qui est commune pour les deux sections 6. Une couche d'oxyde 12, disposée entre les deux diffusions N+, permet d'isoler l'électrode d'anode d'une zone N- du substrat 4. Cette séparation et l'utilisation d'oxyde permettent de réduire l'interaction entre les deux sections 6, d'une part, et de réduire le niveau de courant d'anode nécessaire pour la mise en conduction de la jonction P+/N- face arrière, d'autre part.
Sur la face avant (figures 3 et 4), des régions P- sont réalisées au niveau de chaque section 6 et servent à protéger les courbures de jonction, à l'état bloqué, d'un risque de claquage prématuré. La face avant correspond à la
face des cathodes 14 pour les sections 6. Pour les deux cathodes, les électrodes sont numérotées (1 , 2, 3). L'électrode 1 est utilisée pour fixer le potentiel de la région P- qui se trouve polarisée en inverse à l'état bloqué.
Un fonctionnement correct de la structure intégrée représentée sur les figures 3 et 4 correspond aux deux cas suivants :
- section 6 de gauche passante alors que la section 6 de droite reste bloquée et supporte une tension appliquée ;
- section 6 de droite passante alors que la section 6 de gauche reste bloquée et supporte une tension appliquée.
On pourrait également rajouter deux modes correspondant à la conduction inverse. En effet, lorsqu'une diode conduit, l'autre reste bloquée et supporte une tension de par exemple 600 V.
On remarque que, dans la forme de réalisation préférée représentée sur les figures 3 et 4, la structure est symétrique par rapport à un plan de symétrie vertical.
Comme représenté sur les figures, chacune des sections 6 présente également sur sa face avant deux régions P. Une première région P est disposée à l'extrémité de la face avant et reçoit l'électrode 3. Cette première région P est séparée de la seconde région P par la zone N- du substrat, qui sépare également cette seconde région P de la région P- évoquée précédemment. La seconde région P intègre deux régions N+ réalisées sur la face avant. La seconde région P sépare, d'une part, les deux régions N+ l'une de l'autre et, d'autre part, chacune des régions N+ de la zone N- du substrat 4. L'électrode 2 correspond à la seconde région P et aux deux régions N+.
Comme illustré sur les figures, la face avant de la structure porte également pour chaque section 6 une grille 16.
Lorsqu'un transistor bipolaire à grille isolée de la structure est dans sa zone ohmique, son homologue doit rester bloqué. Quand le transistor est passant, des électrons sont injectés à travers le canal du MOS de la structure IGBT passante dans la région N- (qui est commune aux deux sections 6). Par conséquent, les régions P+ situées sur la face arrière de la structure intégrée injectent des trous dans la zone N-, appelée aussi zone de drift, pour assurer la
neutralité électrique. Cette injection sera plus importante au niveau de la jonction P+/N- située du côté de la structure IGBT passante que de la jonction P+/N- située du côté de la structure IGBT supposée restée à l'état bloqué. L'injection de cette région doit être la plus faible possible pour réduire le courant de fuite de la structure IGBT bloquée. Pour limiter ce courant de fuite, il est possible d'agir sur la distance séparant les deux sections 6. La réduction de la quantité de trous collectés par les diffusions P situées en face avant de la structure IGBT bloquée passe par l'augmentation de la valeur de la résistance Rdrift (figure 4). Pour réduire davantage la quantité de trous collectés, il est préférable d'utiliser des diffusions N+ pour réduire l'efficacité d'injection de la jonction P+/N- face arrière de l'IGBT bloqué.
La configuration de la face arrière de la structure intégrée conduit à deux modes de fonctionnement à l'état passant, un mode VDMOS pour un niveau de courant faible et un mode IGBT pour un niveau de courant élevé. L'origine des trous collectés par la base P de la structure IGBT à l'état bloqué est la diffusion P+ de la face arrière. Pour réduire l'injection de trous par cette diffusion P+, la zone N+ en face arrière permet de repousser le niveau de courant de mise en conduction de la jonction P+/N- à un niveau élevé. Une mise en conduction de cette jonction est toutefois possible quand une section 6 passe de l'état bloqué à l'état passant.
À titre d'exemple non limitatif et purement illustratif, des valeurs numériques sont données concernant les paramètres géométriques des deux sections 6 de la structure. On suppose, comme mentionné plus haut, que la structure est symétrique et l'on retrouve donc des valeurs identiques pour les deux sections 6.
Région Profondeur (μιη) Largeur (pm) Concentration en surface
(atomes/cm3)
N+ (anode) 1 30 1.10 U
N+ (cathode) 1 5 3,5 1017
L'épaisseur de la zone N- est quant à elle par exemple de 300 pm. La largeur totale de la structure est de 2,56 mm. La surface de chaque section 6 est de 1 cm2.
La structure intégrée représentée sur la figure 5 utilise les mêmes références que les figures précédentes pour désigner des éléments similaires. On retrouve sur cette figure deux structures IGBT intégrées dans une puce. Un substrat 4 sur cette figure comporte ainsi, d'une part, une face avant sur laquelle on trouve des régions dopées et des électrodes 1 , 2, 3 d'une cathode 14 ainsi qu'une grille 16 isolée et, d'autre part, une face arrière avec deux anodes.
Dans la forme de réalisation de la figure 5, on a deux électrodes d'anode 10 distinctes. Les deux cathodes 14 sont reliées électriquement l'une à l'autre. On retrouve ainsi une structure proche de celle des figures 3 et 4, la différence principale étant que sur les figures 3 et 4 les anodes des deux structures IGBT sont communes et sur la figure 5 les deux cathodes des structures IGBT sont communes.
On retrouve ici deux structures IGBT à conduction inverse, toutes deux similaires aux structures IGBT à conduction inverse des figures 3 et 4. Dans la forme de réalisation préférée illustrée sur la figure 5, on retrouve une même symétrie par rapport à un plan de symétrie vertical.
Dans la structure intégrée de la figure 5, les deux sections correspondant à une structure IGBT à conduction inverse sont séparées l'une de l'autre par un mur qui traverse entièrement le substrat 4, par exemple de silicium (on peut reprendre ici les mêmes matériaux pour réaliser le substrat que ceux évoqués plus haut pour la forme de réalisation des figures 3 et 4). En effet, dans le cas de la figure 5 où les cathodes sont communes, ou plus
précisément reliées entre elles en surface, il est prévu d'appliquer une différence de potentiel entre les deux électrodes d'anode 10. Du fait que les deux sections partagent un même substrat N-, une séparation matérielle entre les deux sections est alors prévue entre ces deux sections. Il est proposé de matérialiser cette séparation par une région P+ séparant le substrat N- des deux sections.
Sur la face avant, de chaque côté du mur P+, on remarque la présence d'une région P- séparée de chaque structure IGBT à conduction inverse par le substrat N-.
On retrouve de chaque côté du mur P+ une structure similaire à celle décrite précédemment (comme il ressort notamment de la figure 5) et celle-ci n'est donc pas décrite dans le détail ici. On retrouve ainsi sur la face avant des régions dopées P, P+ et N+ ainsi que des électrodes 1 , 2 et 3 pour chaque cathode 14 ainsi qu'une grille 16 isolée. Sur la face arrière, on retrouve également la même structure que celle décrite précédemment, mis à part que les électrodes d'anode 10 ne sont pas reliées entre elles.
Les régions P- dans la structure permettent de protéger les jonctions polarisées en inverse d'éventuels claquages prématurés.
À titre d'exemple non limitatif et purement illustratif, des valeurs numériques sont données concernant les paramètres géométriques des deux structures IGBT à conduction inverse. On suppose, comme mentionné plus haut, que la structure intégrée est symétrique et l'on retrouve donc des valeurs identiques pour les deux structures IGBT à conduction inverse.
Comme pour i'exemple des figures 3 et 4, on peut choisir par exemple une épaisseur de la zone N- de 300 pm. La largeur totale de la structure est de 2,56 mm. La surface de chaque structure IGBT à conduction inverse est de 1 cm2. Un courant de 100 A peut traverser chaque structure IGBT à conduction inverse et la jonction polarisée en inverse d'une section IGBT qui est à l'état bloqué peut supporter 600 V. Cette tension est appliquée entre les deux électrodes d'anode 10.
Les études et simulations menées sur les deux structures intégrées représentées sur les figures 3 à 5 ont montré que ces structures sont aptes à fonctionner dans des conditions habituellement rencontrées dans le domaine de l'électronique de puissance.
La description qui vient d'être faite montre à chaque fois deux structures IGBT à conduction inverse assemblées au sein d'une même puce. Il est également possible de réaliser un circuit en étoile en mettant en œuvre un plus grand nombre de structures IGBT à conduction inverse sur une même puce. On peut ainsi envisager d'avoir trois, quatre, ... structures IGBT intégrées avec leurs anodes (ou cathodes) communes sur une même puce.
Une application des architectures à anodes communes et à cathodes communes est illustrée sur la figure 6 qui montre un pont redresseur obtenu en associant, par exemple par la technique d'assemblage par micro hybridation (connue aussi sous l'appellation "chip-on-chip"). Cette association permet d'exploiter les capacités d'aiguillage du courant des cellules de commutation selon l'invention, telles les cellules de commutation illustrées sur les figures 3 à 5, ainsi que leurs caractéristiques bidirectionnelles en courant et en tension, par exemple pour des applications à la conversion d'énergie.
Un pont redresseur, par exemple celui représenté sur la figure 6, a pour but de transformer l'énergie de réseaux alternatifs en énergie sous forme continue. L'association de deux puces telles celles illustrées sur les figures 3 et 5 permet de synthétiser un composant redresseur réversible en courant.
On reconnaît sur la figure 6 en haut une puce à anodes communes
18 dont le contour est schématisé en pointillés et en bas de cette figure une
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14 puce à cathodes communes 20.
Chaque puce comporte un transistor bipolaire à grille isolée T1 et T2. Les transistors de la puce à anodes communes 18 présentent une tension alternative VUAC et VT2AC à leurs bornes tandis que ceux de la puce à cathodes communes 20 présentent une tension continue V-ncc e VT2cc-
Chaque transistor bipolaire à grille isolée reçoit des signaux de commande qui sont appelés respectivement T1 (AC) et T2(AC) pour la puce à anodes communes 18 et T1(CC) et T2(CC) pour la puce à cathodes communes 20. Les cellules (ou transistors) disposés en diagonale l'une par rapport à l'autre reçoivent des mêmes signaux de commande. On a donc T1 (AC) = T2(CC) et de même T2(AC) = T1 (CC).
On reconnaît entre la puce à anodes communes 18 et la puce à cathodes communes 20 la présence d'un générateur de tension VAC.
Le parcours du courant est schématisé par la ligne 22 de la figure 6 lorsque la tension (alternative) du générateur VAC est positive et par la ligne 24 lorsque cette tension est négative.
Les tensions de commande sont appliquées entre la grille et l'émetteur de chaque cellule. Il s'agit par exemple d'une commande par empiétement afin de pouvoir utiliser par la suite les transistors bipolaires à grille isolée en mode disjoncteur.
La commutation se fait lors du passage par la valeur 0 de la tension du générateur VAC avec un temps court de l'ordre de 10 ps (empiétement) pendant lequel les deux cellules d'une même puce conduisent.
Pour valider le fonctionnement de ce redresseur, un courant passant de 100 A à -100 A a été injecté afin de vérifier sa réversibilité en courant et il a alors été constaté que l'inversion du courant n'affectait pas les performances du pont redresseur qui peut donc fonctionner dans les deux sens du courant.
Une autre application de la présente invention est illustrée sur la figure 7 qui montre un pont onduleur. Ce dernier ressemble au pont redresseur de la figure 6. La différence réside ici dans la nature des signaux générés : le courant continu de la charge dans le cas du pont redresseur et la tension alternative de générateur devient une source de courant alternative. De même
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15 que pour le pont redresseur, les cellules diagonales ont les mêmes signaux de commande mais dans le cas du pont onduleur de la figure 7, il est proposé ici par exemple que les séquences d'empiétement soient remplacées par des séquences de temps morts. Durant un temps mort, tous les transistors bipolaires à grille isolée du pont onduleur sont bloqués et durant ce court laps de temps, les diodes conduisent. On peut prévoir ici aussi un temps mort de l'ordre de 1 ps.
La figure 8 illustre une cellule de commutation à anode commune dont la structure est proche de celle illustrée sur la figure 3. Dans cette variante de réalisation, on trouve deux structures IGBT, chacune présentant une cathode 14 et avec une électrode d'anode 10 commune aux deux structures mais on ne retrouve pas la fonction diode présente sur la forme de réalisation de la figure 3. Au niveau de chaque cathode 14, on retrouve des électrodes 1 , 2 et 3. On a toutefois ici plusieurs groupes d'électrodes 1 , 2, 3 pour chaque cathode 14 qui est formée par plusieurs cellules dont seules deux sont représentées pour chacune des cathodes 14. On pourrait toutefois avoir un plus grand nombre de cellules par cathode 14.
Entre les électrodes de chaque cathode 14, on remarque sur la face avant la présence d'une couche d'oxyde 26 recouverte d'une couche de métal 28 qui réalisent la jonction entre deux zones dopées de la cathode correspondante. La couche de métal 28 pourrait aussi être réalisée par exemple en polysilicium. On remarque aussi pour chaque cellule des cathodes la présence d'une extension de jonction implantée 30, connue également sous l'acronyme anglais JTE (pour Junction Termination Extension).
Au niveau de la face arrière, on retrouve une électrode d'anode 10 commune pour les deux anodes de chacune des deux sections représentées. Par rapport à la figure 3, on ne retrouve pas de diffusion N+ mais uniquement une diffusion P+, les deux diffusions P+ correspondant chacune à une anode étant séparées l'une de l'autre par une couche d'oxyde 12.
La figure 9 illustre quant à elle une cellule de commutation à cathode commune dont la structure est une combinaison de celles des cellules de commutation illustrées sur les figures 5 et 8.
On retrouve en effet sur la figure 9 une cellule de commutation mettant en œuvre deux structures IGBT semblables à celles illustrées sur la figure 8 et on retrouve une cathode 14 rendue commune pour les deux sections de la cellule.
Ainsi la structure des cathodes et des anodes est similaire à celle illustrée sur la figure 8. On retrouve aussi, comme sur la figure 5, une séparation entre les deux sections de la cellule de commutation réalisée par un mur qui traverse entièrement le substrat 4, par exemple réalisé par un dopage de type P+, de l'oxyde, du silicium, .... Il est proposé ici d'avoir une région P- de chaque côté du mur, tant sur la face avant que sur la face arrière de la cellule de commutation. Au niveau de la face arrière, on trouve deux électrodes d'anodes 10 séparées entre elles par exemple par une couche d'oxyde 12 déposée sur la face arrière du substrat 4.
Les figures 10 et 11 illustrent des cellules de commutation qui sont comparables à celles des figures 8 et 9 car elles permettent de réaliser les mêmes fonctions d'interrupteur et regroupent elles aussi deux sections présentant sur la figure 10 une anode commune et sur la figure 11 une cathode commune. Toutefois, dans la forme de réalisation illustrée sur les figures 10 et 11 , par rapport aux formes de réalisation des figures 8 et 9, les transistors utilisés sont obtenus par une technologie VDMOS (et non plus IGBT). Les structures des cathodes 14 sont semblables à celles illustrées sur les figures 8 et 9. Du côté des anodes, on remarque la présence dans le substrat 4 d'une couche dopée N+ sur la face arrière au niveau des électrodes d'anode 10.
Les figures 12 et 13 illustrent une cellule monolithique intégrant deux diodes. Sur la figure 12, les deux anodes des diodes sont reliées de manière à n'avoir qu'une anode commune tandis que sur la figure 13 les cathodes 14 sont reliées formant ainsi une cathode commune.
Sur la face avant, les cellules monolithiques des figures 12 et 13 présentent successivement un dopage P-, P+ et P-. La cathode 14 correspondante est disposée à la fois sur une zone dopée P- et une zone dopée P+. Sur la face arrière, le substrat 4 comporte une couche dopée N+ au niveau des électrodes d'anode 10 (figures 12 et 13). Sur la figure 13, on
retrouve un mur similaire à celui par exemple des figures 9 et 11.
Sur les figures 14 et 15, on trouve une combinaison respectivement des figures 8 et 12, d'une part, et des figures 9 et 13, d'autre part. Dans les cellules de commutation représentées sur ces deux figures 14 et 15, sont regroupées à chaque fois les fonctions d'interrupteur et de diode. Sur la figure 14 on a une anode commune et sur la figure 15, la cathode est mise en commun.
La figure 16 illustre un schéma électrique de plusieurs interrupteurs dont les anodes A sont mises en commun. Il s'agit ici d'interrupteurs commandés comportant des commandes Cde1 , Cde2, Cdei, Cden. Lorsque n=2, le schéma électrique de la figure 16 correspond aux structures des figures 8 et 10. Sur ces figures 8 et 10, si n > 2, il suffit de juxtaposer des sections 6 à côté de celles déjà représentées. On obtiendra alors n cathodes 14 et n anodes avec une électrode d'anode 10 commune.
La figure 17 illustre un schéma électrique de plusieurs interrupteurs dont les cathodes sont reliées en une cathode commune C. Il s'agit ici d'interrupteurs commandés comportant des commandes Cde1 , Cde2, Cdei, Cden. Lorsque n=2, le schéma électrique de la figure 17 correspond aux structures des figures 9 et 11. Sur ces figures 9 et 11 , si n > 2, il suffit de juxtaposer des sections 6 à côté de celles déjà représentées. On obtiendra alors n cathodes 14 reliées électriquement et n anodes avec une électrode d'anode 10 commune. À chaque fois entre deux sections 6 voisines, il conviendra de prévoir un mur par exemple comme celui représenté sur chacune des figures 9 et 11.
Les figures 18 et 19 correspondent respectivement aux schémas électriques des structures de cellules monolithiques des figures 12 et 13 lorsque n = 2. On retrouve sur la figure 18 une anode A' commune et des cathodes C'1 , C'2, Ci, C'n tandis que la figure 19 illustre une cathode C commune et des anodes ΑΊ , A'2, A'i, A'n.
Les figures 20 et 21 représentent quant à elles le schéma électrique respectivement des cellules de commutation dont les structures sont représentées sur les figures 14 et 15 respectivement.
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18
La figure 22 illustre à titre d'exemple une utilisation de deux cellules monolithiques selon la présente invention. Il est proposé de combiner ici une cellule de commutation correspondant par exemple à la structure représentée sur les figures 8 ou 10 avec une cellule dont la structure est représentée sur la figure 13. On a ici une combinaison de deux cellules dont les schémas électriques correspondent aux figures 16 et 19.
La combinaison illustrée sur la figure 22 permet d'obtenir un convertisseur continu/continu (appelé aussi convertisseur DC-DC) qui permet d'obtenir un abaissement de la tension entre une source de tension 32 et une charge 34.
La figure 23 illustre quant à elle un autre convertisseur continu/continu qui permet une augmentation de la tension entre une source 32' et une charge 34'. Ce convertisseur continu/continu est obtenu ici par la combinaison d'une cellule de commutation dont le schéma électrique est représenté sur la figure 17 avec une cellule monolithique dont le schéma électrique est représenté sur la figure 18.
Une autre application de l'invention est la réalisation d'un interrupteur de puissance bidirectionnel en courant et en tension. Dans cette application, seules les deux électrodes d'anode, ou les deux électrodes de cathodes, sont utilisées, la troisième électrode restant flottante et inactive. Un tel interrupteur de puissance pourrait par exemple être utilisé pour faire un relais.
Les figures 24 et 25 illustrent de telles applications particulières d'une cellule de commutation correspondant à la forme de réalisation des figures 15 et 14 respectivement (schémas électriques 21 et 20 avec n = 2). Il est proposé ici de n'utiliser que deux anodes (A1 et A2 sur la figure 24) ou bien uniquement deux cathodes (C1 et C2 sur la figure 25) sur les trois disponibles pour réaliser un interrupteur bidirectionnel en tension et en courant. On obtient alors un interrupteur pouvant réaliser des découpages sur du courant alternatif.
La présente invention fournit ainsi de nouveaux dispositifs de commutation, ou aiguilleurs de courant réversibles. Une forme de réalisation présente deux transistors bipolaires à grille isolée à conduction inverse à anodes communes et l'autre forme de réalisation deux transistors bipolaires à
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19 grille isolée à conduction inverse à cathodes communes. Ces deux formes de réalisation -et leurs variantes à la portée de l'homme du métier- sont chacune sous la forme d'un tripôle monolithique entièrement intégré au sein d'une même puce. Des réalisations dont la structure est plus simple peuvent également être réalisées avec la présente invention. Les cellules réalisées peuvent être utilisées seules (par exemple comme interrupteur bidirectionnel) ou bien en combinaison (réalisation d'un convertisseur par exemple). Dans tous les cas, l'utilisation de la présente invention permet une plus grande intégration et donc une miniaturisation plus poussée de composants utilisés en électronique de puissance. Les câblages à réaliser sont limités ce qui permet d'augmenter la fiabilité des montages réalisés et de diminuer le prix de revient de ceux-ci.
Les études menées ont montré le bon fonctionnement de ces nouvelles structures innovantes par leur tenue en tension latérale et leur très faibles courants de fuite à travers les transistors parasites, quel que soit le signe du courant.
La présente invention concerne aussi un pont redresseur et un pont onduleur obtenus par combinaison de deux aiguilleurs de courant selon l'invention qui sont associés par leurs faces ayant deux électrodes (non reliées). La configuration des ordres de commande permet alors d'obtenir un bon fonctionnement de ces dispositifs redresseurs et onduleurs.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-dessus et aux variantes évoquées. Elle concerne également toutes les variantes de réalisation à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.
Claims
1. Cellule monolithique de circuit intégré comportant au moins deux structures de même nature à semi-conducteur unidirectionnelles en tension et en courant, chaque structure présentant une anode (10), une cathode (14) et éventuellement une grille (16), caractérisée en ce que lesdites structures sont intégrées dans le volume d'un même substrat (4) semi-conducteur, en ce que sur une première face du substrat (4) semi-conducteur sont localisées à chaque fois dans une première zone prédéterminée la cathode (14) et éventuellement la grille (16) d'une structure correspondante, en ce que l'anode (10) de chaque structure est localisée dans une seconde zone sur une seconde face du substrat (4) semi-conducteur opposée à la première face, la seconde zone d'une structure étant en vis-à-vis de la première zone de la structure correspondante, et en ce que les électrodes, choisies dans l'ensemble comportant les anodes et les cathodes, de même nature de structures distinctes sont reliées électriquement l'une à l'autre.
2. Cellule selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les anodes (10) de deux structures voisines sont à chaque fois reliées électriquement.
3. Cellule selon la revendication 2, caractérisée en ce que la liaison électrique entre deux anodes voisines est réalisée par métallisation du substrat
(4) semi-conducteur sur sa seconde face entre les deux anodes (10), et en ce que le substrat semi-conducteur présente une région N+ à proximité de la métallisation et une région N- entre les deux structures concernées.
4. Cellule selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les cathodes (14) de deux structures voisines sont à chaque fois reliées électriquement.
5. Cellule selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un mur d'isolement de type P+ vertical est réalisé entre les deux structures.
6. Cellule selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le substrat (4) semi-conducteur est en silicium (Si02).
7. Cellule selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque structure semi-conducteur correspond à une diode.
8. Cellule selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque structure semi-conducteur est une structure interrupteur à semiconducteur unidirectionnelle en tension et en courant.
9. Cellule selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque structure est dotée d'au moins une électrode de commande.
10. Cellule selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que chaque cellule est associée dans le cristal à une diode permettant sa conduction inverse.
11. Cellule selon la revendication 10, caractérisée en ce que chaque structure interrupteur unidirectionnelle en tension et courant, dotée d'au moins une électrode de commande et associée dans le cristal à une diode permettant sa conduction inverse est choisie dans l'ensemble des structures comprenant les transistors bipolaires à grilles isolées à conduction inverse et les transistors de type VD-MOS.
12. Pont redresseur, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon la revendication 2 et une cellule de commutation selon la revendication 4.
13. Pont onduleur, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon la revendication 2 et une cellule de commutation selon la revendication 4.
14. Interrupteur de puissance bidirectionnel en courant et en tension, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de commutation selon l'une des revendications 10 ou 11.
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- 2017-10-27 JP JP2017208349A patent/JP2018032871A/ja active Pending
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