[go: up one dir, main page]

WO2019229341A1 - Dispositif de commutation autoalimente et procede de fonctionnement d'un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de commutation autoalimente et procede de fonctionnement d'un tel dispositif Download PDF

Info

Publication number
WO2019229341A1
WO2019229341A1 PCT/FR2019/051217 FR2019051217W WO2019229341A1 WO 2019229341 A1 WO2019229341 A1 WO 2019229341A1 FR 2019051217 W FR2019051217 W FR 2019051217W WO 2019229341 A1 WO2019229341 A1 WO 2019229341A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
circuit
voltage
switching
integrated circuit
pin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2019/051217
Other languages
English (en)
Inventor
Thierry SUTTO
Laurent Guillot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Exagan SAS
Original Assignee
Exagan SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Exagan SAS filed Critical Exagan SAS
Publication of WO2019229341A1 publication Critical patent/WO2019229341A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/18—Modifications for indicating state of switch
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0828—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in composite switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/10—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage
    • H03K17/102—Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K2017/6875—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors using self-conductive, depletion FETs
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0081—Power supply means, e.g. to the switch driver

Definitions

  • the present invention relates to a device for switching an electric charge. More specifically, it relates to a switching device comprising a switch and a control circuit of this switch.
  • the device may comprise a self-supply circuit of a part of the control circuit.
  • the invention also relates to a switching integrated circuit for implementing the device when it is combined with a control member.
  • load switching devices are known associating, in a series connection, a high voltage transistor in depletion mode and a low voltage transistor in enrichment mode to form a switch.
  • the transistors are controlled to selectively place the device in a conducting conduction state or a blocking state according to the value of an external switching signal applied to a node of the device.
  • the switching device is intended to be integrated in a system in which it is electrically connected to a load consisting of a power circuit and a generator, and makes it possible to transfer energy from the generator to the power circuit during the conduction periods.
  • the voltage supplied by the generator is usually of high value, for example 400V, 600V or more.
  • the two transistors can be mounted in cascode, and in this case the source of the low voltage transistor is electrically connected to the gate of the high voltage transistor.
  • a control circuit of the device may selectively place this device in an on state or a blocking state through a control signal applied to the gate of the low voltage transistor.
  • the two transistors may alternatively be cascaded, and in this case the control circuit generates a first and a second control signal respectively applied to the gate of the low voltage transistor and the gate of the high voltage transistor to selectively place this device in the on state or the blocking state.
  • the switching device is normally blocking, that is to say that in the absence of supply of the device, and in particular in the absence of supply of the control circuit, the switching device is in an inactive mode, in the blocking state. This avoids closing the device on the load inadvertently, which could cause serious security problems.
  • control circuit ensures the proper operation of the switching device. In case of detection of a malfunction or an event likely to cause such a malfunction, it generates the control signal or signals placing the device in an inactive mode, in which it is made blocking. This is particularly the case when the operating temperature of the device is excessive or that some voltages deviate from their setpoint voltages.
  • the switching device can be realized by combining a plurality of integrated and / or discrete circuits on an electrical routing medium. These circuits implement the functions of the control circuit and the switch (the high and low voltage transistors connected in series). In practice, the chosen architecture of the switching device is dictated by the existence or the availability of integrated circuits implementing the desired functionalities. Thus WO2017203186 discloses a relatively simple switching integrated circuit, in the sense that it only integrates the high and low voltage transistors implementing the switching functionality. The functions of the control circuit must therefore be carried out using complementary components, which can make the design of the switching device complex.
  • Providing an integrated circuit for switching complementary functions may require powering it electrically, by applying a voltage that comes from a dedicated power supply circuit of the system to a power supply pin of the integrated circuit.
  • the supply voltage is to be referenced to a voltage different from the electrical ground of the switching device (as is the case with a high switch of a half-bridge device)
  • the supply circuit high voltage components such as diodes, inductors and / or capacitors. These components are configured to draw power at the switched load of the system and to condition this energy to provide the integrated circuit a supply voltage of relatively low amplitude (a few volts vis-à-vis the reference voltage) and stable.
  • Such a supply circuit is complex to achieve, which does not simplify the design of the switching device.
  • the present invention aims to provide a switching integrated circuit for producing a simplified architecture switching device. It also aims to provide a switching device implementing the integrated switching circuit.
  • the object of the invention proposes an integrated circuit for switching a load comprising
  • a first electronic chip disposed in the housing comprising a high voltage transistor in depletion mode, the first electronic chip comprising a gate pad, a drain pad electrically connected to the first power pin and a source pin defining a midpoint; a second electronic chip arranged in the box comprising a low voltage transistor in enrichment mode, the second electronic chip comprising at least one drain pad electrically connected to the source pad of the first electronic chip and a source pad electrically connected to the second power pin;
  • the integrated circuit comprises a switching pin and a driving circuit electrically connected to the switching pin and to the gate of the low-voltage transistor;
  • the monitoring circuit and the driving circuit are integrated in the second electronic chip;
  • the second electronic chip comprises a plurality of connection pads, all arranged on one and the same face of the second electronic chip;
  • the housing comprises an electrically insulating housing support, the first and the second electronic chip being fixed to the housing support;
  • the monitoring circuit is integrated in a third electronic chip;
  • the second electronic chip comprises a gate pad and the integrated circuit comprises a lead pin electrically connected to the gate pin of the second electronic chip;
  • the monitoring circuit is electrically connected to the supply pin to establish a fault signal when the voltage carried by the supply pin is below a predetermined minimum threshold value;
  • the monitoring circuit comprises a circuit for measuring a switching current;
  • the integrated circuit comprises a self-feeding circuit;
  • the self-feeding circuit comprises:
  • the integrated circuit comprises a deactivation pin electrically connected to a deactivation terminal of the self-power supply.
  • the invention also relates to a switching device comprising:
  • control member disposed on the routing support and having a plurality of pins
  • the first and the second power pin of the integrated circuit being electrically and respectively connected to the connection terminals;
  • the fault pin of the integrated circuit being electrically connected to one of the pins of the control member.
  • the switching system comprises, disposed on the routing medium, an auto-power circuit
  • the self-supply circuit comprises: an input connected to the mid-point and an output for supplying a supply voltage
  • a tank capacity establishing the supply voltage when the switching circuit is connected to the load; o a switch, disposed between the inlet and the tank capacity, normally passing and adapted to electrically isolate the tank capacity of the midpoint when it is open.
  • FIG. 1 represents an exemplary implementation of a switching device according to the invention
  • FIG. 2 represents a chronogram of the voltages developing in a device according to the invention during its operation
  • FIG. 4 represents an improved version of a switching device 1 according to the invention
  • FIG. 5 represents an exemplary implementation of a regulating circuit of the supply voltage
  • FIG. 6 is a simplified representation of the general principles of the preferred embodiments of the invention
  • FIGS. 7a, 7b and 7c respectively represent a first, a second and a third embodiment of the switching device
  • - Figure 8 shows another switching device according to one invention
  • FIG. 9 shows a portion of a control circuit of a device according to the invention.
  • spindle designates any element of an integrated circuit emerging from a box and making it possible to give electrical access to one of the nodes of the circuit.
  • the node may be a contact pad of an electronic chip implementing the circuit, and the electronic chip is disposed in the housing.
  • the pin can be constituted or comprise a conductive element protruding from the housing or a simple contact surface disposed on one of the faces of the housing.
  • FIG. 1 shows schematically an exemplary implementation of a switching device 1 according to the invention. It comprises two switching terminals 2a, 2b to which can be connected, as shown in dashed lines in this figure, a load P and a generator G symbolizing a power circuit to which the switching device 1 is connected.
  • the voltage Vbus of the generator G may be large, for example 400V, 600V or more, and the current likely to flow in the high-power device, for example greater than 1A.
  • the switching device 1 makes it possible to selectively apply the voltage of the generator G to the load P according to the state of a digital switching signal COM which can be applied to a terminal of the device to be supplied. to a control circuit 4. It can also be envisaged that this switching signal COM is generated by the switching device 1 itself, or more precisely by the control circuit 4 of this device 1.
  • the communication device 1 comprises a high voltage transistor 5 in depletion mode.
  • high voltage transistor is meant a transistor comprising a drain, a source and a gate, the low amplitude voltage applied to the gate (of the order of a few volts) making it possible to electrically pass or block the link between the gate and the gate. drain and the source. In the off state, the voltage developing between the drain and the source can be of high amplitude, for example 400V, 600V or more, without damaging the transistor.
  • a depletion mode transistor has a negative threshold voltage (typically within the scope of the present invention between -8V and -5V). The voltage between the gate and the source must therefore be negative, lower than this threshold voltage, to block this transistor.
  • the high-voltage transistor in depletion mode 5 may be a HEMT transistor for example based on GaN or SiC.
  • This type of transistor has an avalanche voltage (that is to say the maximum voltage applicable between the drain and the source of the transistor without being damaged, it may be a breakdown voltage).
  • high amplitude chosen to be greater than the generator voltage of the power circuit, for example more than 400V or 600V.
  • the high-voltage transistor is embodied as a first electronic chip comprising on one of its faces a gate, drain and source pad electrically connected, respectively, to the gate, the drain and the source of the high voltage transistor 5.
  • the switching device 1 also comprises a low voltage transistor 6 in enrichment mode, comprising a drain, a source and a gate.
  • An enrichment mode transistor has a positive threshold voltage. The voltage between the gate and the source must therefore be positive and greater than this threshold voltage, to turn this transistor.
  • the avalanche voltage of the low voltage transistor is lower than that of the high voltage transistor. She can be for example of the order of 30 V.
  • the low voltage transistor 6 may be a silicon-based MOSFET transistor.
  • the low voltage transistor 6 is then made in the form of a second silicon-based electronic chip.
  • the second electronic chip may have a vertical architecture and be provided with source, drain and gate pads respectively connected to the source, the drain and the gate of the low voltage transistor 6. In the case of such a vertical architecture, the source and drain pads are disposed on opposite sides of the second chip.
  • the second chip may alternatively have a lateral architecture and be provided with source and drain pads respectively connected to the source and the drain of the low voltage transistor 6, and other functional pads, all the pads being arranged on the same face of the electronic chip.
  • the functional pads are connected to other circuits of the electronic chip implementing functions other than that provided by the low voltage transistor, as will be described in more detail later.
  • the low voltage transistor 6 and the high voltage transistor 5 are arranged in series between the two switching terminals 2a, 2b. Thus, the drain of the high voltage transistor is connected to one of these two of these terminals, and the source of the low voltage transistor is connected to the other of these terminals.
  • the source of the high voltage transistor 5 is connected to the drain of the low voltage transistor 6 at a middle node M.
  • the first terminal 2a is connected to the load and the second terminal 2b to an electrical ground of system, but the invention is not limited to this particular configuration.
  • the low-voltage transistor 6 and the high-voltage transistor 5 are mounted in cascode, that is to say that the source of the low-voltage transistor, here connected to the system ground, is also electrically connected to the gate of the high voltage transistor 5.
  • the passing or blocking state of the device 1 is determined by the voltage applied to the gate of the low-voltage transistor 6.
  • the first and the second electronic chips are arranged in the same box.
  • the drain pad of the first chip is electrically connected to a first power pin of the integrated circuit.
  • the source pad of the second electronic chip is electrically connected to a second power pin of the integrated circuit. These power pins can respectively form or be connected to both terminals of the switching device.
  • the source pad of the first chip is electrically connected to the drain pad of the second chip to form the middle node M of the integrated circuit.
  • the source pad of the second chip is also connected to the gate pad of the first chip.
  • the second chip has a lateral architecture in which all the pads are disposed on one and the same face
  • Other electronic chips, implementing other functions can also be attached to this support, and the different pads of the chips connected to each other and / or to the housing pins by electrical connections. These electrical connections may be constituted or include wired electrical connections welded to the pads and / or the pins of the integrated circuit to connect them.
  • the switching device 1 of Figure 1 it also comprises a control circuit 4.
  • this circuit can receive a COM switching signal developed outside the device 1.
  • the control circuit 4 can itself develop this switching signal according to the state of the device, that is to say from measurements of certain voltages or currents taken from the device, and which are communicated to it by the intermediate electrical connections (not shown in Figure 1 of principle).
  • the control circuit processes this signal to establish and generate a control signal IN which is applied to the gate of the low-voltage transistor 6, for effectively placing the device 1 in an on or off state.
  • a control signal IN which is applied to the gate of the low-voltage transistor 6, for effectively placing the device 1 in an on or off state.
  • the control circuit 4 comprises a driver 20 which receives as input the digital switching signal COM.
  • the driving circuit also receives a supply voltage Va and a reference voltage of the device switching circuit (for example an electrical ground) and provides a control signal IN which switches between these two voltages according to the value of the switching signal COM.
  • the control signal IN is applied to the gate of the low voltage transistor 6.
  • the driver circuit may be integrated with a switching integrated circuit, for example in the second chip comprising the low voltage transistor 6 or in another electronic chip of the integrated circuit.
  • the switching signal COM is provided on a switching pin of the switching integrated circuit, electrically connected to a switching pad of the second chip or this other electronic chip, itself electrically connected to the input of the driving circuit 20.
  • the driver circuit can be placed outside the integrated switching circuit.
  • the control signal IN is then supplied to a control pin IN of the integrated circuit, electrically connected to a gate pad of the second electronic chip.
  • the control circuit 4 may also include other functions. In particular, it can implement functions for monitoring the proper functioning of the switching device so as to block its operation if a fault is detected. It can thus be to monitor the temperature of the first and / or the second electronic chip, or another point of the device, and ensure that it does not exceed a threshold temperature. It may also be to monitor that the supply or reference voltage of the device (or part of the device) has many regular characteristics, ie within a specified range of values surrounding a setpoint.
  • the control circuit 4 can also condition the voltages and / or currents of the device to make them available and allow their processing. It is thus desired to develop a signal Is representative of the switching current flowing between the drain of the high voltage transistor and the source of the low voltage transistor. This signal can thus be taken into account to block the operation of the device if the current flowing in this branch exceeds a determined value.
  • control circuit 4 can be configured so that a fault signal FAULT supplied by a monitoring circuit 30 (of temperature, supply voltage and / or switching current Is for example) indicating a risk to the proper operation of the device, places the device in a safe position, for example by switching or holding the gate control signal IN of the low voltage transistor in an open state.
  • a fault signal FAULT supplied by a monitoring circuit 30 (of temperature, supply voltage and / or switching current Is for example) indicating a risk to the proper operation of the device, places the device in a safe position, for example by switching or holding the gate control signal IN of the low voltage transistor in an open state.
  • the monitoring circuit 30 is here formed of a reference voltage generator (s) BG, for example a (or) voltage (s) bandgap.
  • This reference voltage BG is supplied to a first comparator circuit UVLO connected to the supply voltage Va, and making it possible to determine if the supply voltage is lower than the reference voltage BG, for example 3V when the supply voltage setpoint is 5V.
  • the same principle can be used to determine if the supply voltage exceeds a threshold voltage, represented by another voltage provided by the generator BG.
  • the monitoring circuit 30 of FIG. 9 also comprises a second comparator circuit TSD, generating a variable voltage according to the temperature of a particular node of the device, for example a junction of one of the transistors 5, 6.
  • the monitoring circuit 30 of FIG. 9 also comprises a third comparator circuit ISHI, receiving a voltage of the reference voltage generator BG and a voltage representative of the switching current Is.
  • the third comparator circuit makes it possible to signal that the switching current exceeds a maximum current at which the reference voltage is calibrated.
  • the voltage representative of the switching current Is is produced by an amplifier circuit Am of the control circuit, from a voltage taken at a terminal of a low-value shunt reference resistor Ro placed in the source of the low transistor. voltage 6.
  • the FAULT failure signal corresponds to the OR combination of the signals supplied by the first, the second and the third comparators. But one could of course form this FAULT failure signal from other signals, in addition to or replacement of those which have been given here as examples.
  • the control circuit 4 comprises active circuits which therefore need to be powered electrically.
  • the device 1 may be provided with a self-power supply circuit 7.
  • This circuit comprises an input 7a electrically connected to the middle node M defined between the high voltage transistor 5 and the low voltage transistor 6. It also has an output 7b, delivering a supply voltage Va, and electrically connected to the control circuit 4.
  • the supply voltage Va is of low value, in comparison with the voltages that can occur at the switching terminals 2a , 2b or midpoint M. It is of the order of a few volts, such as 5V.
  • the self-supply circuit 7 comprises a reservoir capacitor Cm, one of the electrodes of which is connected to the output 7b and the other to the electrical ground of the system or to another reference voltage of this system.
  • This capacity Cm has the function of storing charges taken at the middle node M in order to establish the supply voltage Va which may be supplied to the control circuit 4, or a part thereof.
  • the voltage Vm at the middle node M varies during the operation of the device between a reference voltage (which may be the electrical ground of the system), when the device is conducting, and the avalanche voltage of the low voltage transistor when the device is blocker.
  • the self-supply circuit 7 comprises a diode 7d connected between the input 7a and the terminal of the tank capacity Cm carrying the supply voltage Va.
  • the self-powering circuit 7 also comprises a switch 7c arranged in series with the diode, that is to say between the input 7a and the terminal of the reservoir capacitor Cm carrying the supply voltage Va, corresponding to the output 7b.
  • the switch 7c is normally on, that is to say that the switch is closed in the absence of any control and the reservoir capacity is connected in this case to the middle point M of the device 1.
  • the "normally passing" characteristic of the switch 7c is important, because it ensures that when the device 1 is started, that is to say when it is brought into electrical contact with the load at the two terminals of switching 2a, 2b, the supply circuit can collect charges at the midpoint M to fill the tank capacity Cm, develop and supply a supply voltage Va sufficient for it to activate the control device 4, or part of it.
  • the operation of the device will be explained in more detail later in this presentation.
  • the switch 7c is made open by means of a disabling signal DIS produced by the control circuit 4. When the control circuit 4 is powered and in operation, it establishes and generates the disabling signal DIS of the switch 7c when the control signal IN is generated to place the device 1 in an on state.
  • the supply circuit 7 of the high and low voltage transistors 5, 6 is thus isolated during this period of time. More specifically, the capacitance is electrically isolated tank Cm of the middle point, to prevent it from being discharged.
  • the switch 7c may comprise normally-passing transistor, for example a low-voltage transistor such as a MOSFET transistor in depletion mode.
  • a low-voltage transistor such as a MOSFET transistor in depletion mode.
  • the intrinsic diode or diode of "body” or “body diode” according to the commonly used English terminology, intrinsically present in such transistors, leads to let a reverse current flow in the transistor. Due to the existence of this reverse current, such a transistor can not be in itself a switch allowing, when it is open, to electrically isolate the tank capacity Cm from the middle point M.
  • the switch 7c comprises a low voltage transistor in depletion mode and a diode electrically connected to the input 7a of the circuit, arranged in series with the low voltage transistor in depletion mode.
  • the low-voltage transistor in depletion mode may be a P-channel transistor.
  • the drain of the low-voltage transistor in depletion mode is connected to the terminal of the reservoir capacitor Cm, its source to the diode, and its gate to the circuit. 4.
  • the low-voltage transistor in depletion mode When the low-voltage transistor in depletion mode is in a blocking state, the intrinsic diode allowing the current of the drain to flow to the source, the diode blocks the current flowing through the intrinsic diode, isolating the reservoir capacitor Cm from the midpoint M.
  • the low voltage transistor in depletion mode may be an N channel transistor.
  • the source of the low voltage transistor in depletion mode is connected to the terminal of the reservoir capacitor Cm, its drain to the diode, and its gate to the control circuit 4.
  • the low voltage transistor in depletion mode when the low voltage transistor in depletion mode is in an on state, the current flows from the midpoint to the tank capacity Cm.
  • the low-voltage transistor in depletion mode When the low-voltage transistor in depletion mode is in a blocking state, the intrinsic diode allowing current to flow from the source to the drain, the diode blocks the current flowing through the intrinsic diode, isolating the reservoir capacitor Cm from the midpoint M .
  • the series association of the diode and the low voltage transistor in depletion mode is replaced by a first and a second low voltage transistor in depletion mode connected in series.
  • the first and second low-voltage transistors in depletion mode are two N-channel transistors or two P-channel transistors, the drains of each transistor being interconnected or the sources of each transistor being interconnected.
  • the first and the second low-voltage transistors in depletion mode may be two P-channel transistors.
  • these two transistors must be turned head-to-tail. (or "back-to-back” according to the frequently used English terminology).
  • the two low-voltage transistors in depletion mode are in an on state (that is to say their default state)
  • the current flows from the midpoint M to the tank capacity Cm.
  • the two low-voltage transistors in depletion mode are in a blocking state, their intrinsic diodes being in an opposite direction, the current can not flow in any direction, isolating the reservoir capacitance Cm from the middle point M.
  • the first and second low-voltage transistors in depletion mode may be two N-channel transistors.
  • the intrinsic diode of each transistor allows the current of the drain to flow towards the source, these two head transistors must also be placed. -spade.
  • the current flows from the midpoint M to the tank capacitor Cm.
  • the two low-voltage transistors in depletion mode are in a blocking state, their intrinsic diodes being in an opposite direction, the current can not flow. in any sense, isolating the tank capacity Cm from middle point M.
  • head to tail means that the drains of each transistor are connected to each other or that the sources of each transistor are connected to each other.
  • the drain of the first transistor is connected to the midpoint, its source to the source of the second transistor, and the drain of the second transistor is connected to the terminal of the tank capacitor Cm.
  • the first and second depletion-mode low-voltage transistors are respectively an N-channel transistor and a P-channel transistor or a P-channel transistor and an N-channel transistor, the source of the first transistor being connected to the drain of the second transistor.
  • the first transistor may be an N-channel transistor and the second transistor a P-channel transistor.
  • the intrinsic diodes of the N-channel transistor and the P-channel transistor respectively allow the current from the source to flow to the drain and from the drain to the source, it is appropriate to place the two transistors in series, that is to say that the source of the first transistor is connected to the drain of the second transistor.
  • the two low-voltage transistors in depletion mode are in an on state, the current flows from the midpoint M to the tank capacity Cm.
  • the two low-voltage transistors in depletion mode are in a blocking state, their intrinsic diodes being in an opposite direction, the current can not flow in any direction, isolating the reservoir capacitance Cm from the middle point M.
  • the first transistor may be a P-channel transistor and the second transistor an N-channel transistor.
  • the intrinsic diodes of the P-channel transistor and the N-channel transistor respectively allow the flow of the drain current to flow to the source. and from the source to the drain, it is appropriate to place the two transistors in series, that is to say that the source of the first transistor is connected to the drain of the first transistor.
  • the two low-voltage transistors in depletion mode are in an on state
  • the current flows from the midpoint M to the tank capacitor Cm.
  • the two low-voltage transistors in depletion mode are in a blocking state, their intrinsic diodes being in an opposite direction, the current can not flow in any direction, isolating the reservoir capacitance Cm from the middle point M.
  • the terminals of the first and second transistors may be inverted, so that the source of the first transistor is connected to the midpoint M, the drain of the first transistor is connected to the source of the second transistor, and the drain of the second transistor connected to the terminal of the tank capacity Cm.
  • the two transistors constituting the switch 7c are located simultaneously in an on state or in a blocking state.
  • the switch 7c may comprise a control circuit designed to adapt the voltage levels supplied to the grids.
  • This circuit is arranged between the control circuit 4 and the gate of each of the low voltage transistors in depletion mode.
  • the control circuit is configured to adapt the signal delivered by the control circuit to apply a voltage to each of the grids so as to simultaneously place the two transistors in an on or off state.
  • the configuration of such a control circuit is well known in itself, and may for example comprise, according to the nature of low-voltage transistors in depletion mode, an inverter.
  • the switch 7c is a normally on switch, able to electrically isolate the tank capacity Cm from the midpoint M when it is open.
  • FIG. 2 shows a chronogram of the voltages developing in the device 1 during its operation.
  • the device 1 is controlled by the control circuit 4 to alternate: a blocking phase during which the control circuit 4 generates a control signal IN to open the low voltage transistor 6.
  • This signal is at OV on the timing diagram of FIG. 2. It is lower than the threshold voltage Vt of the low voltage transistor 6 to make it blocking.
  • a pass phase (or conduction) during which the control circuit 4 generates a control signal IN to close the low voltage transistor 6.
  • This signal may be a few volts, but in all cases, greater than the threshold voltage Vt of the low voltage transistor 6 to make it go.
  • the control circuit generates a disabling signal DIS so that the switch 7c of the supply circuit 7 is open.
  • the instant t0 is defined as the moment at which the device 1 is physically connected to its load. At this instant t0, the tank capacity Cm is totally discharged, the supply voltage Va is zero.
  • the control circuit 4 is not able to operate, that is to say to provide the commands such as the gate control of the low voltage transistor IN or the control of the DIS switch.
  • the "cascode" configuration of the low and high voltage transistors 5, 6 however ensures that the device 1 is in a blocking state.
  • FIG. 3a schematically represents the state of this device at this start time t0.
  • the control circuit 4 is not powered, the control signal IN has a zero voltage lower than the threshold voltage Vt of the low voltage transistor in enrichment mode, this transistor is open.
  • the normally open switch 7c of the supply circuit 7 is closed, the control circuit 4 being unable to provide a disabling signal DIS.
  • the voltage of the source of the high voltage transistor in depletion mode 6 (corresponding to the control voltage Vgs of this transistor) is also substantially zero at the start time t0, but nevertheless greater than the threshold voltage Vt 'of this transistor (this threshold voltage being negative) which is therefore passing.
  • this supply voltage Va is sufficient, for example when it reaches a nominal supply voltage of the control circuit 4 which may be, for example, 5V, the control circuit 4 is activated and becomes functional. In other words, the control circuit 4 is then electrically powered by the supply circuit 7, it is therefore functional and ready to generate the commands for operating the device 1.
  • the threshold voltage Vt 'of the high voltage transistor has been chosen so that it is greater (in absolute value) than a supply voltage Va sufficient for the control device 4 to be functional.
  • the voltage of the mid-point Vm is equivalent to the supply voltage. This voltage therefore rises progressively with the supply voltage.
  • TO ' is the moment at which the progression of the mid-point voltage is such that the control voltage Vgs
  • the control device In the example shown by way of illustration of the operation of the device 1 in FIGS. 2 and 3b, the control device generates the signal DIS for deactivating the switch 7c at a time t1, which is greater than the instant at which the point medium has reached the avalanche voltage VBR of the low voltage transistor 6.
  • the device 4 or the self-supply circuit itself
  • the device 4 generates an opening command of the DIS switch at its start and / or when the supply voltage reaches a predetermined threshold value Vamax and as long as the voltage Va supply is sufficient.
  • the switch 7c is open at time tl, and the tank capacity charges Cm taken to supply the control circuit are not renewed. The supply voltage Va therefore weakens from this moment tl.
  • the control circuit 4 At time t2, the control circuit 4 generates a control of the gate of the low-voltage transistor IN aiming to make it closed and to bring the device 1 into a conduction phase. As we have seen, this can be caused by the switching of the external switching signal COM.
  • the control device 4 generates the control signal IN of the gate of the low-voltage transistor 6 to place the device 1 in an on state for a period of time extending to a time t3, as shown in the figures 2 and 3c. During this entire period of time, between the instant t2 and t3, the control circuit 4 maintains the disabling signal DIS of the switch 7c so that it is open. The tank capacity Cm thus continues to be discharged as and when the consumption of charges supplying the control circuit. At time t3, the control device 4 switches the IN control of the gate of the low-voltage transistor 6 to make it open, and interrupt the conduction phase of the device 1. This time t3 can be caused by the tilting of the signal external switching COM to the device 1 or established by the control circuit 4 itself, for example at the end of a predetermined period of the conduction phase.
  • the control device 4 switches the disabling signal DIS of the switch 7c, at a time t4 greater than or equal to t3, so as to bring the reservoir capacitor Cm into contact again with the middle point M and allow it to be reloaded.
  • the voltage of the midpoint rises towards the avalanche voltage VBR of the low voltage transistor 6
  • the high voltage transistor 5 is kept closed and, neglecting the source drain resistance of the high voltage transistor 5, the voltage applying between its terminals VDM is substantially zero.
  • the state of the device between instants t3 and t4 is schematically represented in FIG. 3d.
  • the device finds itself in a state similar to that in which it was at time t0 or t0 '.
  • the passing and blocking phases of the device can then succeed one another (according to the state of the switching signal COM) and reproduce the cycle which has just been presented.
  • FIG. 2 shows a situation where at a given moment t5 the dis OFF signal of the switch 7c is generated when the supply voltage Va reaches a predetermined threshold value Vamax, lower than the avalanche voltage VBR of the low voltage transistor 6.
  • This voltage Vamax is chosen to be greater than the nominal supply voltage of the control circuit 4.
  • the control circuit is configured to generate the signal dis off DIS of the switch 7c to open it and stop charging the tank capacity Cm, as soon as the supply voltage Va delivered by the supply circuit 7c exceeds this threshold value Vamax.
  • control circuit 4 itself is configured to detect the passage of the supply voltage Va under a predetermined minimum Vamin threshold value. Under this supply threshold voltage, the smooth operation of the control circuit 4 is no longer guaranteed. Also, the control circuit 4 is configured so that this detection leads to the transmission of a FAULT failure signal and the passage of the device 1 in a security configuration. It may for example be to switch or maintain the control signal of the gate of the low voltage transistor 6 in an open state as soon as the supply voltage drops below this minimum threshold Vamin. The device 1 is then placed in a blocking and secure state.
  • FIG. 4 represents an improved version of a switching device 1 according to the invention, and more particularly of the self-supply circuit 7, on which the high-voltage and low-voltage transistors 6 have not been placed for more of visibility.
  • the self-supply circuit 7 of the improved version of the device 1 comprises, in the self-supply circuit, a voltage regulator LDO disposed between the capacitor reservoir Cm and a regulated capacity Cr connected to the output 7b of the circuit and supplying the supply voltage Va to the control circuit.
  • a voltage regulator LDO disposed between the capacitor reservoir Cm and a regulated capacity Cr connected to the output 7b of the circuit and supplying the supply voltage Va to the control circuit.
  • the voltage appearing at the terminals of the tank capacitor Cm is nevertheless supplied to the control circuit 4 at a high impedance measurement input of this circuit, the measurement of this voltage being useful, as has been explained above, to generate the disabling signal of the switch 7c when the measured voltage exceeds a predetermined threshold Vamax or to place the device in a safe configuration if the measured voltage is lower than the minimum threshold voltage Vamin. But this feature is not imperative.
  • the voltage Va can for example be regulated or reduced to a set value from the voltage delivered by the capacitor Vm, this voltage being able to reach the avalanche voltage VBR of the low voltage transistor 6.
  • the regulation circuit LDO typically comprises a transistor whose gate is connected to the output of a comparator of a reference voltage (such as a bandgap voltage) and a voltage representative of that appearing at the limits of the regulated capacity Cr.
  • the comparator makes the transistor turn on or off so as to transfer charges from the reservoir capacitor Cm to the regulated capacitor Cr as required so that the voltage Va across the regulated capacitor Cr is substantially equal to a set voltage sufficient to power the control circuit 4 and make it functional.
  • This setpoint voltage is determined by the value of the resistors of a divider bridge whose center point voltage is compared to the reference voltage.
  • the self-feeding circuit 7 thus makes it possible to accumulate charges in the Cm tank capacity during the phases where the device 1 is blocking.
  • the supply circuit is isolated from the nodes where a strong current flows.
  • the reservoir capacity Cm will thus be chosen so that it accumulates enough charges to supply the control circuit when the self-supply circuit 7 is isolated.
  • the switch 7c will be kept closed for a long time, during the phases in which the device 1 is blocking, in order to sufficiently load the tank capacity Cm. In practice, this period during which the switch 7c is closed can be very short (for example of the order of a few hundred nanoseconds for example), so as not to limit the ability of the device 1 to switch from one phase to another at a very high frequency.
  • the self-supply circuit 7 is only exposed to voltages of small magnitude (of the order of the avalanche voltage VBR of the low voltage transistor 6), referenced to the voltage of the source of the low voltage transistor, so that it may consist of components that it is easy to manufacture or provide, and therefore inexpensive.
  • VBR avalanche voltage
  • the various elements making up the switching device 1 are arranged on an electrical routing medium 10, for example a circuit printed circuit comprising electrical tracks for interconnecting the elements, the assembly forming a switching system 100.
  • the routing support 10 comprises in particular the switching terminals 2a, 2b to which the load P and the generator G. can be attached.
  • the switching device 1 (thus comprising the control circuit 4, the high-voltage and low-voltage transistors 6, and, if appropriate, the self-feeding circuit 7) is implemented via an MCU controller, for example a microcontroller, which drives at least one switching integrated circuit 11. These elements are arranged on and electrically connected to each other by, the routing support 10, the assembly forming the switching system 100.
  • the function of the control unit MCU is to supervise the operation of the switching integrated circuit 11.
  • the purpose of the switching integrated circuit 11 is to perform the switching as such and to implement functions for monitoring the proper operation of the switching circuit.
  • This functional decomposition of the device 1 is particularly advantageous in that it implements a relatively simple switching integrated circuit 11 incorporating a reduced number of functions and which can be used in many configurations. It can therefore be produced in high volume and low cost.
  • the controller when programmable, can be easily configured or reconfigured to take advantage of the functionality of the switching IC 11.
  • the control unit MCU is electrically connected to a supply circuit or terminal A supplying the electrical energy necessary for its operation.
  • the control unit MCU develops the COM switching signal that it provides directly or indirectly to the switching integrated circuit 11, in order to selectively block or turn the low voltage transistor of the circuit.
  • the control unit MCU is also electrically connected to a fault pin FAULT of the switching integrated circuit 11.
  • this pin provides the fault signal FAULT indicating an irregular operation of the integrated circuit 11.
  • This irregular operation By way of example, and as already noted, this may correspond to a temperature of the switching integrated circuit 11 in excess of a limiting temperature or to a supply voltage of the switching integrated circuit 11 outside the circuit. a specified range, or less than a given limit.
  • the FAULT failure signal is activated, and for example received on an interrupt pin of the MCU control member, it is configured to place the switching integrated circuit 11 in the safety position, by tilting or maintaining the switching signal COM for blocking the low voltage transistor 6.
  • control unit MCU can also develop an activation signal EN applied to an activation pin EN of the switching integrated circuit 11 to selectively make it active or inactive, for example to limit the consumption of the device when it is not used.
  • an activation pin EN is electrically connected to the gate pin of the second electronic chip 16.
  • the switching integrated circuit 11 is formed of a housing, a first power pin 11a and a second power pin 11b.
  • the integrated circuit comprises at least first electronic chip 15 integrating the high voltage transistor and a second electronic chip 16 integrating the low voltage transistor.
  • the two electronic chips 15, 16 are electrically connected to each other (and with the two power pins 11a, 11b) to form a cascode circuit, as has already been described in detail. in an earlier passage of this description.
  • the switching integrated circuit 11 also comprises a supply pin Va.
  • this supply pin Va can be electrically connected to the circuit or to the power supply terminal A of the device 1 or to an auto-power circuit (not shown in FIG. Figure 6).
  • this supply voltage may be relative to a device 1 ground or other reference voltage.
  • the integrated switching circuit 11 may also comprise a pin of mid point M for supplying outside the box the voltage of the middle node between the high voltage transistor and the low voltage transistor.
  • This center point pin M makes it possible to connect a self-feeding circuit 7 as described previously or a counter-measurement circuit making it possible to control the voltage developing in this middle node.
  • the switching integrated circuit 11 includes a fault pin FAULT to provide the control member with a failure signal.
  • FAULT failure pin is electrically connected to a monitoring circuit (which has been given an example of embodiment with reference to Figure 9) which can be integrated in the second chip 16 or integrated in another chip 17 disposed in the housing.
  • the failure pin is electrically connected to a failure pin of the second chip 16 or the other chip 17.
  • FIG. 7a thus represents a first embodiment of the switching system 100.
  • the driver circuit 20 of the control circuit 4 is not integrated in the switching integrated circuit 11 but forms an additional element. disposed on the routing medium 10.
  • the switching signal COM produced by the control unit MCU is input to the driving circuit 20, and the latter generates a signal of control IN which is directly supplied to the gate of the low voltage transistor 6 of the second chip 16.
  • the switching integrated circuit 11 and provided with a control pin IN, electrically connected firstly to the output of the driving circuit 20, and secondly to a gate pad of the second chip 16.
  • the driver 20 is connected to the source or power supply terminal A and to the electrical ground of the device 1
  • the monitoring circuit is integrated with a third chip 17.
  • the switching system 100 of this embodiment comprises a circuit of FIG. self-power supply 7 arranged on the routing support, and electrically connected to the center point pin M and to the supply pin Va of the switching integrated circuit 11.
  • the deactivation signal DIS of the self-power circuit 7 is elab provided by the control unit MCU. This member is optionally connected to the supply voltage Va if it is desired to be able to control the deactivation signal DIS so that the voltage Va does not exceed a maximum supply voltage Vamax.
  • the power supply circuit 7 or the switching integrated circuit may comprise the regulation circuit LDO described in connection with the description of FIGS. 4 and 5.
  • the supply pin Va could have been connected to the circuit or to the power supply terminal A and in this case it would not have been useful to connect the disabling signal DIS and the supply voltage goes to the controller.
  • FIG. 7b represents a second embodiment of a switching system 100 according to the invention.
  • This second embodiment is particularly advantageous in that it limits the number of elements arranged on the routing support 10, without making the integrated switching circuit 11 excessively complex. It also makes it possible to route between the integrated switching circuit 11 and the controller MCU only digital signals, which helps simplify the design of the switching system 100.
  • the second electronic chip 16 integrates the driver circuit 20 and the monitoring circuit. A third chip 17 is not necessary.
  • the second chip 16 advantageously has a lateral architecture, and the first and second chips 15, 16 can therefore be fixed, by their rear faces, on an insulating and thermally conductive housing support.
  • the switching integrated circuit 11 comprises a switching pin COM electrically connected to the control member MCU and to a switching pad of the first chip 16, connected to the input of the driver 20 integrated in the first chip 16 and connected directly to the gate of the low voltage transistor 6. It is therefore not necessary that it has a gate pin.
  • the second chip 16 generates the disabling signal DIS of the self-feeding circuit 7.
  • the integrated circuit 11 thus has a disabling pin DIS connected to a terminal of deactivation providing the deactivation signal developed by a circuit of the second chip.
  • FIG. 7c represents a third embodiment of a switching system 100 according to the invention. This embodiment corresponds to the second embodiment of FIG. 7b in which most of the elements making up the self-feeding circuit 7 are integrated in the second chip 16 of the switching integrated circuit 11, and in particular the diode 7d and the switch 7c.
  • the reservoir capacitance Cm was left outside of the switching integrated circuit 11, connected between the supply pin Va and the system ground or other reference voltage.
  • FIG. 8 represents another switching system 1 according to the invention, having a half-bridge architecture, whose well-known operation is not recalled here.
  • an electrical routing support 10 is the control member MCU connected to its circuit or supply terminal A.
  • the routing support 10 is provided with three terminals for respectively connecting, half bridge:
  • the first integrated circuit 11 is connected to the supply circuit or terminal A (also supplying the control member MCU) by the intermediate of its feed pin Va.
  • the center point pin M of this first switching integrated circuit 11 is not used.
  • the first switching integrated circuit 11 is also connected to the control member MCU by its switching pin COM_L and its fault branch FAULT_L, as explained with reference to the preceding figures.
  • the second integrated switching circuit 11 ' is referenced to the voltage present on its second power pin 11b'.
  • the supply voltage Va must therefore be relative to this reference voltage, and it is not possible to directly connect the voltage of the circuit or of the supply terminal A to the supply pin Va 'of this integrated circuit.
  • An automatic supply circuit 7 is therefore provided between the center point pin M 'and the reference voltage of the second integrated circuit 11'.
  • the voltage Va 'supplied by the self-feeding circuit 7 is reported on a supply pin Va '
  • the other signals, and in particular the switching signal COM_H and the failure signal FAULT_H are reported to the control member MCU via an isolation device I, by Optoelectronic example.
  • a switching device 1 can be implemented in a "cascade" configuration.
  • the gate of the high-voltage transistor 5 is not connected to the source of the low-voltage transistor 6, and the control circuit 4 then generates a second control signal IN 'for controlling the gate of the high-voltage transistor 5.
  • the two signals IN, IN '' will be controlled to allow the accumulation of charges in the self-feeding circuit 7 during the phases where the device 1 is blocking as has been well illustrated in the present description.

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

L'invention porte sur un circuit intégré (11) de commutation d'une charge comprenant un boitier, des broches de puissance (11a, 11b), une broche d'alimentation (Va), une broche de défaillance (FAULT), une première puce électronique (15) comprenant un transistor haute tension en mode déplétion, 10 une deuxième puce électronique (16) comprenant un transistor basse tension en mode enrichissement (6), un circuit de surveillance du bon fonctionnement du circuit intégré (11) relié à la broche d'alimentation (Va), le circuit de surveillance (30) établissant un signal de défaillance rapporté sur la broche de défaillance (FAULT). L'invention porte également sur un dispositif de commutation comprenant au moins un tel circuit intégré de commutation et un organe de commande.

Description

DISPOSITIF DE COMMUTATION AUTOALIMENTE ET PROCEDE DE FONCTIONNEMENT D'UN TEL DISPOSITIF
DOMAINE DE L' INVENTION
La présente invention concerne un dispositif de commutation d'une charge électrique. Plus précisément, elle vise un dispositif de commutation comprenant un commutateur et un circuit de commande de ce commutateur. Le dispositif peut comprendre un circuit d'auto-alimentation d'une partie du circuit de commande. L'invention concerne également un circuit intégré de commutation permettant de mettre en œuvre le dispositif lorsqu' il est combiné à un organe de commande .
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L' INVENTION
On connaît de l'état de la technique des dispositifs de commutation d'une charge associant, dans un montage en série, un transistor haute tension en mode déplétion et un transistor basse tension en mode enrichissement pour former un commutateur. Les transistors sont commandés pour placer sélectivement le dispositif dans un état passant de conduction ou un état bloquant selon la valeur d'un signal extérieur de commutation, appliqué à un nœud du dispositif. Le dispositif de commutation est destiné à être intégré dans un système dans lequel il est électriquement relié à une charge constituée d'un circuit de puissance et d'un générateur, et permet de transférer de l'énergie du générateur au circuit de puissance pendant les périodes de conduction. La tension fournie par le générateur est usuellement de forte valeur, par exemple 400V, 600V ou plus. Les deux transistors peuvent être montés en cascode, et dans ce cas la source du transistor basse tension est électriquement reliée à la grille du transistor haute tension. Un circuit de commande du dispositif peut sélectivement placer ce dispositif dans un état passant ou un état bloquant par l'intermédiaire d'un signal de commande appliqué à la grille du transistor basse tension.
Les deux transistors peuvent alternativement être montés en cascade, et dans ce cas le circuit de commande génère un premier et un deuxième signal de commande appliqués respectivement à la grille du transistor basse tension et à la grille du transistor haute tension pour sélectivement placer ce dispositif dans l'état passant ou l'état bloquant.
Dans les deux cas, le dispositif de commutation est normalement bloquant, c'est-à-dire qu'en l'absence d'alimentation du dispositif, et notamment en l'absence d'alimentation du circuit de commande, le dispositif de commutation est dans un mode inactif, à l'état bloquant. On évite ainsi de refermer le dispositif sur la charge de manière intempestive, ce qui pourrait causer de graves problèmes de sécurité.
Outre ses fonctions de commande de l'état de conduction, il est souhaitable que le circuit de commande veille au bon fonctionnement du dispositif de commutation. En cas de détection d'un dysfonctionnement ou d'un évènement susceptible de provoquer un tel dysfonctionnement, il génère le ou les signaux de commande plaçant le dispositif dans un mode inactif, dans lequel il est rendu bloquant. C'est le cas notamment lorsque la température de fonctionnement du dispositif est excessive ou que certaines tensions s'écartent de leurs tensions de consigne .
Le dispositif de commutation peut être réalisé en combinant une pluralité de circuits intégrés et/ou discrets sur un support de routage électrique. Ces circuits mettent en œuvre les fonctionnalités du circuit de commande et du commutateur (les transistors haute et basse tension montés en série) . Dans la pratique l'architecture choisie du dispositif de commutation est dictée par l'existence ou la disponibilité de circuits intégrés mettant en œuvre les fonctionnalités désirées. On connaît ainsi du document WO2017203186 un circuit intégré de commutation relativement simple, dans le sens où il n' intègre que les transistors haute et basse tension mettant en œuvre la fonctionnalité de commutation. Les fonctionnalités du circuit de commande doivent donc être réalisées à l'aide de composants complémentaires, ce qui peut rendre complexe la conception du dispositif de commutation .
Munir un circuit intégré de commutation de fonctions complémentaires peut nécessiter de l'alimenter électriquement, en appliquant une tension qui provient d'un circuit d'alimentation dédié du système à une broche d'alimentation du circuit intégré. Lorsque la tension d'alimentation doit être référencée à une tension différente de la masse électrique du dispositif de commutation (comme c'est le cas d'un commutateur haut d'un dispositif en demi-pont), le circuit d'alimentation met en œuvre des composants haute tension tels que des diodes, des inductances et/ou des capacités. Ces composants sont configurés pour prélever de l'énergie à la charge commutée du système et pour conditionner cette énergie pour fournir au circuit intégré une tension d'alimentation de relativement faible amplitude (quelques volts vis-à-vis de la tension de référence) et stable. Un tel circuit d'alimentation est complexe à réaliser, ce qui ne simplifie donc pas la conception du dispositif de commutation.
OBJET DE L' INVENTION
La présente invention vise à fournir un circuit intégré de commutation permettant de réaliser un dispositif de commutation d'architecture simplifiée. Elle vise également à fournir un dispositif de commutation mettant en œuvre le circuit intégré de commutation.
BREVE DESCRIPTION DE L' INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, l'objet de l'invention propose un circuit intégré de commutation d'une charge comprenant
- un boitier ;
- une première et une seconde broche de puissance, une broche d'alimentation, une broche de défaillance et, optionnellement une broche de point milieu ;
- une première puce électronique disposée dans le boitier comprenant un transistor haute tension en mode déplétion, la première puce électronique comprenant un plot de grille, un plot de drain électriquement relié à la première broche de puissance et un plot de source définissant un point milieu ; - une deuxième puce électronique disposée dans le boitier comprenant un transistor basse tension en mode enrichissement, la deuxième puce électronique comprenant au moins un plot de drain électriquement relié au plot de source de la première puce électronique et un plot de source électriquement reliée à la seconde broche de puissance ;
- un circuit de surveillance du bon fonctionnement du circuit intégré disposé dans le boitier et relié à la broche d'alimentation, le circuit de surveillance établissant un signal de défaillance rapporté sur la broche de défaillance.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- le circuit intégré comprend une broche de commutation et un circuit d'attaque relié électriquement à la broche de commutation et à la grille du transistor basse tension ; le circuit de surveillance et le circuit d'attaque sont intégrés dans la deuxième puce électronique ; la deuxième puce électronique comprend une pluralité de plots de connexion, tous disposés sur une même face de la deuxième puce électronique ; le boitier comprend un support de boitier électriquement isolant, la première et la deuxième puce électronique étant fixés au support du boitier ; le circuit de surveillance est intégré dans une troisième puce électronique ; la deuxième puce électronique comprend un plot de grille et le circuit intégré comprend une broche d'attaque électriquement reliée au plot de grille de la deuxième puce électronique ; le circuit de surveillance est électriquement relié à la broche d'alimentation pour établir un signal de défaillance lorsque la tension portée par la broche d'alimentation est sous une valeur seuil minimale prédéterminée ;
Le circuit de surveillance comprend un circuit de mesure d'un courant de commutation ; le circuit intégré comprend un circuit d' auto- alimentation ; le circuit d'auto-alimentation comprend :
o une entrée reliée au point milieu et une sortie pour fournir une tension d'alimentation ;
o un interrupteur, disposé entre l'entrée et une capacité réservoir établissant la tension d'alimentation lorsque le circuit intégré est relié à la charge, l'interrupteur étant normalement passant et apte à isoler électriquement la capacité réservoir du point milieu lorsqu' il est ouvert ; - le circuit intégré comprend une broche de désactivation électriquement reliée à une borne de désactivation de l'auto-alimentation.
L' invention concerne également un dispositif de commutation comprenant :
- un support de routage électrique et au moins deux bornes de connexion ;
- un organe de commande disposé sur le support de routage et présentant une pluralité de broches ;
- au moins un circuit intégré conforme à ce qui a été exposé ci-dessus et disposé sur le support de routage, la première et la seconde broche de puissance du circuit intégré étant électriquement et respectivement reliées aux bornes de connexion ;
- la broche de défaillance du circuit intégré étant électriquement relié à une des broches de l'organe de commande.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable - le système de commutation comprend, disposé sur le support de routage, un circuit d'auto alimentation ;
- le circuit d'auto-alimentation comprend : o une entrée reliée au point milieu et une sortie pour fournir une tension d'alimentation ;
o une capacité réservoir établissant la tension d'alimentation lorsque le circuit de commutation est relié à la charge ; o un interrupteur, disposé entre l'entrée et la capacité réservoir, normalement passant et apte à isoler électriquement la capacité réservoir du point milieu lorsqu' il est ouvert .
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 représente un exemple de mise en œuvre d'un dispositif de commutation conforme à l'invention ;
- la figure 2 représente un chronogramme des tensions se développant dans un dispositif conforme à l'invention au cours de son fonctionnement;
- les figures 3a à 3d représentent schématiquement l'état d'un dispositif conforme à l'invention à différentes étapes de son fonctionnement ;
- la figure 4 représente une version améliorée d'un dispositif de commutation 1 conforme à l'invention ;
- la figure 5 représente un exemple de mise en œuvre d'un circuit de régulation de la tension d'alimentation ;
- la figure 6 représente de manière simplifiée les principes généraux des modes de réalisation préférés de l'invention ; - les figures 7a, 7b et 7c représentent respectivement un premier, un deuxième et un troisième mode de réalisation du dispositif de commutation ; - la figure 8 représente un autre dispositif de commutation conforme à 1 ' invention ;
- la figure 9 représente une portion d'un circuit de commande d'un dispositif conforme à l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION
On désignera par « broche », dans la suite de cette description, tout élément d'un circuit intégré émergeant d'un boitier et permettant de donner un accès électrique à l'un des nœuds du circuit. Le nœud peut être un plot de contact d'une puce électronique mettant en œuvre le circuit, et la puce électronique est disposée dans le boitier. La broche peut ainsi être constituée ou comprendre un élément conducteur saillant du boitier ou une simple surface de contact disposée sur l'une des faces du boitier.
Par souci de simplification de la description, les mêmes références sont utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction dans les différents modes de mise en œuvre du dispositif. On désignera ainsi par une même référence un signal électrique élaboré par un circuit intégré et la broche d'un circuit intégré portant ce signal.
On a représenté schématiquement sur la figure 1 un exemple de mise en œuvre d'un dispositif de commutation 1 conforme à l'invention. Il comprend deux bornes de commutation 2a, 2b auxquelles peut être relié, comme cela est représenté en pointillés sur cette figure, une charge P et un générateur G symbolisant un circuit de puissance auquel le dispositif de commutation 1 est connecté. La tension Vbus du générateur G peut être importante, par exemple de 400V, 600 V ou plus, et le courant susceptible de circuler dans le dispositif de puissance de forte intensité, par exemple supérieur à 1 A.
Comme cela est bien connu en soi, le dispositif de commutation 1 permet de sélectivement appliquer la tension du générateur G à la charge P selon l'état d'un signal digital de commutation COM qui peut être appliqué à une borne du dispositif pour être fourni à un circuit de commande 4. On peut également envisager que ce signal de commutation COM soit généré par le dispositif de commutation 1 lui-même, ou plus précisément par le circuit de commande 4 de ce dispositif 1.
Transistors haute et basse tension
Le dispositif de communication 1 comprend un transistor haute tension 5 en mode déplétion.
Par « transistor haute tension », on désigne un transistor comprenant un drain, une source et une grille, la tension de faible amplitude appliquée sur la grille (de l'ordre de quelques volts) permettant de rendre électriquement passant ou bloquant la liaison entre le drain et la source. À l'état bloqué, la tension se développant entre le drain et la source peut être de forte amplitude, par exemple de 400V, 600 V ou plus, sans endommager le transistor. Un transistor en mode déplétion présente une tension seuil négative (typiquement comprise dans le cadre de la présente invention entre -8V et -5V) . La tension entre la grille et la source doit donc être négative, inférieure à cette tension seuil, pour rendre bloquant ce transistor .
Le transistor à haute tension en mode déplétion 5 peut être un transistor HEMT par exemple à base de GaN ou de SiC. Ce type de transistor présente une tension d'avalanche (c'est-à-dire la tension maximale applicable entre le drain et la source du transistor sans qu' il soit endommagé, il peut s'agir d'une tension de claquage) de forte amplitude, choisie pour être supérieure à la tension du générateur du circuit de puissance, par exemple de plus de 400V ou 600V.
Pratiquement, le transistor à haute tension est réalisé sous la forme d'une première puce électronique comprenant sur une de ses faces un plot de grille, de drain et de source électriquement reliés, respectivement, à la grille, au drain et à la source du transistor haute tension 5. Le dispositif de commutation 1 comprend également un transistor basse tension 6 en mode enrichissement, comprenant un drain, une source et une grille.
Un transistor en mode enrichissement présente une tension seuil positive. La tension entre la grille et la source doit donc être positive et supérieure à cette tension seuil, pour rendre passant ce transistor.
La tension d'avalanche du transistor basse tension est inférieure à celle du transistor haute tension. Elle peut être par exemple de l'ordre de 30 V. Le transistor basse tension 6 peut-être un transistor MOSFET à base de silicium. Le transistor basse tension 6 est alors réalisé sous la forme d'une deuxième puce électronique à base de silicium. La deuxième puce électronique peut présenter une architecture verticale et être munie de plots de source, de drain et de grille respectivement reliés à la source, au drain et à la grille du transistor basse tension 6. Dans le cas d'une telle architecture verticale, les plots de source et de drain sont disposés sur des faces opposées de la deuxième puce. La deuxième puce peut alternativement présenter une architecture latérale et être munie de plots de source et de drain respectivement reliés à la source et au drain du transistor basse tension 6, et d'autres plots fonctionnels, tous les plots étant disposés sur une même face de la puce électronique. Les plots fonctionnels sont reliés à d'autres circuits de la puce électronique mettant en œuvre d'autres fonctions que celle fournie par le transistor basse tension, comme cela sera décrit plus en détail ultérieurement.
Le transistor basse tension 6 et le transistor haute tension 5 sont disposés en série entre les deux bornes de commutations 2a, 2b. Ainsi, le drain du transistor haute tension est relié à une de ces deux de ces bornes, et la source du transistor basse tension est reliée à l'autre de ces bornes. La source du transistor haute tension 5 est reliée au drain du transistor basse tension 6 au niveau d'un nœud milieu M. Dans l'exemple représenté, la première borne 2a est reliée à la charge et la seconde borne 2b à une masse électrique du système, mais l'invention n'est nullement limitée à cette configuration particulière . Dans l'exemple représenté le transistor basse tension 6 et le transistor haute tension 5 sont montés en cascode, c'est-à-dire que la source du transistor basse tension, ici reliée à la masse du système, est également électriquement reliée à la grille du transistor haute tension 5.
Dans cette configuration, l'état passant ou bloquant du dispositif 1 est déterminé par la tension appliquée sur la grille du transistor basse tension 6. Une tension supérieure la tension seuil Vt de ce transisto:r le rendant passant, et une tension inférieure à cette tension seuil Vt le rendant bloquant.
Lorsque le transistor basse tension 6 et haute tension 5 sont inclus dans un même circuit intégré de commutation, la première et la deuxième puce électronique sont disposées dans un même boitier. Le plot de drain de la première puce est électriquement relié à une première broche de puissance du circuit intégré. Le plot de source de la deuxième puce électronique est électriquement relié à une deuxième broche de puissance du circuit intégré. Ces broches de puissance peuvent respectivement former ou être connectées aux deux bornes du dispositif de commutation. Le plot de source de la première puce est électriquement relié au plot de drain de la deuxième puce pour former le nœud milieu M du circuit intégré. Dans le cas d'un circuit cascode, le plot de source de la deuxième puce est également relié au plot de grille de la première puce.
Dans le cas où la deuxième puce présente une architecture latérale dans laquelle tous les plots sont disposés sur une même face, on pourra fixer la face opposée à celle portant les plots de la première et la deuxième puce sur un même support de boitier, isolant et préférentiellement choisi en un matériau présentant une grande conductivité thermique. D'autres puces électroniques, mettant en œuvre d'autres fonctions peuvent également être fixés à ce support, et les différents plots des puces reliés entre eux et/ou aux broches du boitier par des connexions électriques. Ces connexions électriques peuvent être constituées ou comprendre des connexions électriques filaires, soudées sur les plots et/ou sur les broches du circuit intégré pour les relier entre eux.
Circuit de commande
Poursuivant la description du dispositif de commutation 1 de la figure 1, celui-ci comprend également un circuit de commande 4. Comme on l'a vu, ce circuit peut recevoir un signal de commutation COM élaboré à l'extérieur du dispositif 1. Alternativement, le circuit de commande 4 peut élaborer lui-même ce signal de commutation selon l'état du dispositif, c'est à dire à partir de mesures de certaines tensions ou certains courants prélevées dans le dispositif, et qui lui sont communiquées par l'intermédiaire de liaisons électriques (non représentées sur la figure 1 de principe) . Quelle que soit la manière dont le circuit de commande 4 reçoit ou élabore un signal de commutation COM, le circuit de commande traite ce signal pour établir et générer un signal de commande IN qui est appliqué à la grille du transistor basse tension 6, pour effectivement placer le dispositif 1 dans un état passant ou bloquant. A ce titre, et comme cela est représenté sur la figure 9, le circuit de commande 4 comprend un circuit d'attaque 20 qui reçoit en entrée le signal digital de commutation COM. Le circuit d'attaque reçoit également une tension d'alimentation Va et une tension de référence du dispositif de commutation (par exemple une masse électrique) et fournit un signal de commande IN qui bascule entre ces deux tensions selon la valeur du signal de commutation COM. Le signal de commande IN est appliqué à la grille du transistor basse tension 6.
Comme cela sera détaillé dans une autre partie de cette description, le circuit d'attaque peut être intégré à un circuit intégré de commutation, par exemple dans la deuxième puce comportant le transistor basse tension 6 ou dans une autre puce électronique du circuit intégré. Dans ce cas, le signal de commutation COM est fourni sur une broche de commutation du circuit intégré de commutation, électriquement relié à un plot de commutation de la deuxième puce ou de cette autre puce électronique, lui-même électriquement relié à l'entrée du circuit d'attaque 20.
Alternativement, le circuit d'attaque peut être placé à l'extérieur du circuit intégré de commutation. Le signal de commande IN est alors fourni à une broche de commande IN du circuit intégré, électriquement reliée à un plot de grille de la deuxième puce électronique.
Le circuit de commande 4 peut également inclure d'autres fonctions. Il peut notamment mettre en œuvre des fonctions de surveillance du bon fonctionnement du dispositif de commutation de manière à bloquer son fonctionnement si une défaillance était détectée. II peut ainsi s'agir de surveiller la température de la première et/ou de la deuxième puce électronique, ou d'un autre point du dispositif, et s'assurer qu'elle n'excède pas une température seuil. Il peut également s'agir de surveiller que la tension d'alimentation ou de référence du dispositif (ou d'une partie du dispositif) présente bien des caractéristiques régulières, c'est à dire dans une gamme de valeurs spécifiée entourant une valeur de consigne. Le circuit de commande 4 peut également conditionner les tensions et/ou les courants du dispositif pour les rendre disponibles et permettre leur traitement. On peut ainsi souhaiter élaborer un signal Is représentatif du courant de commutation circulant entre le drain du transistor haute tension et la source du transistor basse tension. On peut ainsi prendre en compte ce signal pour bloquer le fonctionnement du dispositif si le courant circulant dans cette branche excède une valeur déterminée.
En référence à la figure 9, le circuit de commande 4 peut être configuré pour qu'un signal de défaillance FAULT fourni par un circuit de surveillance 30 (de température, de tension d'alimentation et/ou de courant de commutation Is par exemple) indiquant un risque pour le bon fonctionnement du dispositif, place le dispositif dans une position de sécurité, par exemple en basculant ou en maintenant le signal de commande IN de grille du transistor basse tension dans un état ouvert.
Le circuit de surveillance 30 est ici formé d'un générateur de tension (s) de référence BG, par exemple une (ou des) tension (s) de bandgap. Cette tension de référence BG est fournie à un premier circuit comparateur UVLO reliée à la tension d'alimentation Va, et permettant de déterminer si la tension d'alimentation est inférieure à la tension de référence BG, par exemple 3V lorsque la tension d'alimentation de consigne est de 5V. Le même principe peut être utilisé pour déterminer si la tension d'alimentation excède une tension seuil, représentée par une autre tension fournie par le générateur BG. Le circuit de surveillance 30 de la figure 9 comprend également un deuxième circuit comparateur TSD, générant une tension variable selon la température d'un nœud particulier du dispositif, par exemple une jonction d'un des transistors 5, 6. Par comparaison de la tension fourni par ce circuit et une tension calibrée du générateur BG, on peut déterminer si la température surveillée excède une température maximale acceptable. Le circuit de surveillance 30 de la figure 9 comprend également un troisième circuit comparateur ISHI, recevant une tension du générateur de tension de référence BG et une tension représentative du courant de commutation Is. Le troisième circuit comparateur permet de signaler que le courant de commutation excède un courant maximal auquel est calibré la tension de référence. La tension représentative du courant de commutation Is, est élaboré par un circuit amplificateur Am du circuit du commande, à partir d'une tension prélevée à une borne d'une résistance de référence de shunt Ro de faible valeur disposée dans la source du transistor basse tension 6.
Dans l'exemple représenté sur la figure 9, le signal de défaillance FAULT correspond à la combinaison OU des signaux fourni par le premier, le deuxième et le troisième comparateur. Mais on pourrait bien entendu former ce signal de défaillance FAULT à partir d'autres signaux, en complément ou en remplacement de ceux qui ont été donnés ici en exemple.
Circuit d'auto-alimentation
Comme on l'a vu, le circuit de commande 4 comprend des circuits actifs qui nécessitent donc d'être alimentés électriquement. A cet effet, le dispositif 1 peut être pourvu d'un circuit d'auto-alimentation 7. Ce circuit comprend une entrée 7a reliée électriquement au nœud milieu M défini entre le transistor haute tension 5 et le transistor basse tension 6. Il dispose également d'une sortie 7b, délivrant une tension d'alimentation Va, et électriquement reliée au circuit de commande 4. La tension électrique d'alimentation Va est de faible valeur, en comparaison avec les tensions qui peuvent apparaître au niveau des bornes de commutations 2a, 2b ou du point milieu M. Elle est de l'ordre de quelques volts, comme par exemple 5V .
Le circuit d'auto-alimentation 7 comprend une capacité réservoir Cm dont une des électrodes est reliée à la sortie 7b et l'autre à la masse électrique du système ou à une autre tension de référence de ce système. Cette capacité Cm a pour fonction de stocker des charges prélevées au niveau du nœud milieu M afin d'établir la tension d'alimentation Va qui pourra être fournie au circuit de commande 4, ou à une partie de celui-ci.
La tension Vm au nœud milieu M varie au cours du fonctionnement du dispositif entre une tension de référence (qui peut être la masse électrique du système) , lorsque le dispositif est passant, et la tension d'avalanche du transistor basse tension lorsque le dispositif est bloquant. Le circuit d'auto-alimentation 7 comprend une diode 7d reliée entre l'entrée 7a et la borne de la capacité réservoir Cm portant la tension d'alimentation Va.
On évite ainsi de décharger la capacité réservoir Cm dans l'un des transistors haute ou basse tension 5, 6, et donc de préserver les charges, dans le cas où la tension du point milieu M venait à passer sous la tension d'alimentation disponible aux bornes de la capacité réservoir Cm (ce qui est le cas lorsque le transistor basse tension 6 est passant) .
Le circuit d'auto-alimentation 7 comprend également un interrupteur 7c disposé en série avec la diode, c'est à dire entre l'entrée 7a et la borne de la capacité réservoir Cm portant la tension d'alimentation Va, correspondant à la sortie 7b. L'interrupteur 7c est normalement passant, c'est-à-dire que l'interrupteur est fermé en l'absence de toute commande et la capacité réservoir est bien reliée dans ce cas au point milieu M du dispositif 1.
La caractéristique « normalement passante » de l'interrupteur 7c est importante, car elle assure qu'au démarrage du dispositif 1, c'est-à-dire au moment où il est mis en contact électrique avec la charge au niveau des deux bornes de commutation 2a, 2b, le circuit d'alimentation puisse prélever des charges au niveau du point milieu M pour emplir la capacité réservoir Cm, élaborer et fournir une tension d'alimentation Va suffisante, pour qu'elle puisse activer le dispositif de commande 4, ou une partie de celui-ci. Le fonctionnement du dispositif sera explicité plus en détail dans la suite de cet exposé. L'interrupteur 7c est rendu ouvert par l'intermédiaire d'un signal de désactivation DIS élaboré par le circuit de commande 4. Lorsque le circuit de commande 4 est alimenté et en fonctionnement, il établit et génère le signal de désactivation DIS de l'interrupteur 7c lorsque le signal de commande IN est généré pour placer le dispositif 1 dans un état passant. On isole ainsi le circuit d'alimentation 7 des transistors haute et basse tension 5, 6 pendant cette période de temps. Plus spécifiquement, on isole électriquement la capacité réservoir Cm du point milieu, afin d'éviter qu'elle ne se décharge .
Comme cela est bien connu en soi, l'interrupteur 7c peut comprendre transistor normalement passant, par exemple un transistor basse tension tel qu'un transistor MOSFET en mode déplétion. La diode intrinsèque (ou diode de « body » ou « body diode » selon la terminologie anglo-saxonne fréquemment employée) , intrinsèquement présente dans de tels transistors, conduit à laisser un courant inverse circuler dans le transistor. Du fait de l'existence de ce courant inverse, un tel transistor ne peut constituer à lui seul un interrupteur permettant, lorsqu'il est ouvert, d' isoler électriquement la capacité réservoir Cm du point milieu M.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'interrupteur 7c comprend un transistor basse tension en mode déplétion et une diode électriquement reliée à l'entrée 7a du circuit, disposée en série avec le transistor basse tension en mode déplétion.
La présence d'une telle diode présente l'avantage de permettre d'éviter de décharger la capacité réservoir Cm dans l'un des transistors haute ou basse tension 5, 6, et donc de préserver les charges, dans le cas où la tension du point milieu M venait à passer sous la tension d'alimentation disponible aux bornes de la capacité réservoir Cm.
Dans cette situation, l'association en série d'une diode et du transistor basse tension en mode déplétion permet d' isoler électriquement la capacité réservoir Cm du point milieu. Le transistor basse tension en mode déplétion peut être un transistor à canal P. Dans ce cas, le drain du transistor basse tension en mode déplétion est relié à la borne de la capacité réservoir Cm, sa source à la diode, et sa grille au circuit de commande 4. Ainsi, lorsque le transistor basse tension en mode déplétion est dans un état passant, le courant circule du point milieu vers la capacité réservoir Cm. Lorsque le transistor basse tension en mode déplétion se trouve dans un état bloquant, la diode intrinsèque laissant circuler le courant du drain vers la source, la diode bloque le courant circulant à travers la diode intrinsèque, isolant la capacité réservoir Cm du point milieu M. Alternativement, le transistor basse tension en mode déplétion peut être un transistor à canal N. Dans ce cas, la source du transistor basse tension en mode déplétion est reliée à la borne de la capacité réservoir Cm, son drain à la diode, et sa grille au circuit de commande 4. Ainsi, lorsque le transistor basse tension en mode déplétion est dans un état passant, le courant circule du point milieu vers la capacité réservoir Cm. Lorsque le transistor basse tension en mode déplétion se trouve dans un état bloquant, la diode intrinsèque laissant circuler le courant de la source vers le drain, la diode bloque le courant circulant à travers la diode intrinsèque, isolant la capacité réservoir Cm du point milieu M.
Dans quatre autres modes de réalisation, l'association en série de la diode et du transistor basse tension en mode déplétion est remplacée par un premier et un second transistor basse tension en mode déplétion reliés en série. Selon un mode de réalisation, le premier et le second transistors basse tension en mode déplétion sont deux transistors à canal N ou deux transistors à canal P, les drains de chaque transistor étant reliés entre eux ou les sources de chaque transistor étant reliées entre elles.
Le premier et le second transistors basse tension en mode déplétion peuvent être deux transistors à canal P. Dans cette situation, la diode intrinsèque de chaque transistor laissant circuler le courant de la source vers le drain, il convient de placer ces deux transistors tête- bêche (ou « back-to-back » selon la terminologie anglo- saxonne fréquemment employée) . Ainsi, lorsque les deux transistors basse tension en mode déplétion se trouvent dans un état passant (c'est-à-dire leur état par défaut), le courant circule du point milieu M vers la capacité réservoir Cm. Lorsque les deux transistors basse tension en mode déplétion se trouvent dans un état bloquant, leurs diodes intrinsèques se trouvant dans un sens opposé, le courant ne peut circuler dans aucun sens, isolant la capacité réservoir Cm du point milieu M.
Alternativement, le premier et le second transistors basse tension en mode déplétion peuvent être deux transistors à canal N. Dans cette situation, la diode intrinsèque de chaque transistor laissant circuler le courant du drain vers la source, il convient également de placer ces deux transistors tête-bêche. Ainsi, lorsque les deux transistors basse tension en mode déplétion se trouvent dans un état passant, le courant circule du point milieu M vers la capacité réservoir Cm. Lorsque les deux transistors basse tension en mode déplétion se trouvent dans un état bloquant, leurs diodes intrinsèques se trouvant dans un sens opposé, le courant ne peut circuler dans aucun sens, isolant la capacité réservoir Cm du point milieu M.
Le terme tête-bêche signifie que les drains de chaque transistor sont reliés entre eux ou que les sources de chaque transistor sont reliées entre elles. Ainsi, dans toutes ces configurations, le drain du premier transistor est relié au point milieu, sa source à la source du second transistor, et le drain du second transistor est relié à la borne de la capacité réservoir Cm.
Il est bien entendu possible d'inverser les bornes du premier et du second transistor, de sorte que la source du premier transistor est reliée au point milieu, son drain est relié au drain du second transistor, et la source du second transistor est reliée à la borne de la capacité réservoir Cm.
Selon un autre mode de réalisation, le premier et le second transistor basse tension en mode déplétion sont respectivement un transistor à canal N et un transistor à canal P ou un transistor à canal P et un transistor à canal N, la source du premier transistor étant reliée au drain du second transistor.
Le premier transistor peut être un transistor à canal N et le second transistor un transistor à canal P. Dans cette situation, les diodes intrinsèques du transistor à canal N et du transistor à canal P laissant respectivement circuler le courant de la source vers le drain et du drain vers la source, il convient de placer les deux transistors en série, c'est-à-dire que la source du premier transistor est reliée au drain du second transistor. Ainsi, lorsque les deux transistors basse tension en mode déplétion se trouvent dans un état passant, le courant circule du point milieu M vers la capacité réservoir Cm. Lorsque les deux transistors basse tension en mode déplétion se trouvent dans un état bloquant, leurs diodes intrinsèques se trouvant dans un sens opposé, le courant ne peut circuler dans aucun sens, isolant la capacité réservoir Cm du point milieu M.
Alternativement, le premier transistor peut être un transistor à canal P et le second transistor un transistor à canal N. Dans cette situation, les diodes intrinsèques du transistor à canal P et du transistor à canal N laissant respectivement circuler le courant du drain vers la source et de la source vers le drain, il convient de placer les deux transistors en série, c'est-à-dire que la source du premier transistor est reliée au drain du premier transistor. Ainsi, lorsque les deux transistors basse tension en mode déplétion se trouvent dans un état passant, le courant circule du point milieu M vers la capacité réservoir Cm. Lorsque les deux transistors basse tension en mode déplétion se trouvent dans un état bloquant, leurs diodes intrinsèques se trouvant dans un sens opposé, le courant ne peut circuler dans aucun sens, isolant la capacité réservoir Cm du point milieu M.
Bien entendu, les bornes du premier et du second transistor peuvent être inversées, de sorte que la source du premier transistor soit reliée au point milieu M, le drain du premier transistor soit relié à la source du second transistor, et le drain du second transistor soit relié à la borne de la capacité réservoir Cm.
Quel que soit le mode de réalisation choisi, il est particulièrement avantageux thermiquement que les deux transistors composant l'interrupteur 7c se trouvent simultanément dans un état passant ou dans un état bloquant .
La fermeture simultanée des deux transistors permet de forcer le courant à passer à travers le canal de chacun d'entre eux, court-circuitant leur diode intrinsèque. Un tel court-circuit permet d'éviter une dissipation thermique à travers les diodes intrinsèques. De manière avantageuse, afin de synchroniser l'état passant ou bloquant de chacun des transistors, l'interrupteur 7c peut comprendre un circuit de contrôle visant à adapter les niveaux de tension fournis aux grilles. Ce circuit est disposé entre le circuit de commande 4 et la grille de chacun des transistors basse tension en mode déplétion. Le circuit de contrôle est configuré de manière à adapter le signal délivré par le circuit de commande pour appliquer une tension à chacune des grilles de manière à placer simultanément les deux transistors dans un état passant ou bloquant. La configuration d'un tel circuit de contrôle est bien connue en soi, et peut par exemple comprendre, selon la nature des transistors basse tension en mode déplétion, un inverseur.
Quelle que soit la configuration choisie, 1' interrupteur 7c est bien un interrupteur normalement passant, apte à isoler électriquement la capacité réservoir Cm du point milieu M lorsqu'il est ouvert.
On a représenté, à titre d'illustration, sur la figure 2 un chronogramme des tensions se développant dans le dispositif 1 au cours de son fonctionnement.
D'une manière très générale le dispositif 1 est commandé par le circuit de commande 4 pour alterner : - une phase bloquante pendant laquelle le circuit de commande 4 génère un signal de commande IN pour ouvrir le transistor basse tension 6. Ce signal est à OV sur le chronogramme de la figure 2. Il est inférieur à la tension seuil Vt du transistor basse tension 6 pour le rendre bloquant .
- Une phase passante (ou de conduction) pendant laquelle le circuit de commande 4 génère un signal de commande IN pour fermer le transistor basse tension 6. Ce signal peut être de quelques volts, mais dans tous les cas, supérieur à la tension seuil Vt du transistor basse tension 6 pour le rendre passant. Pendant cette phase également le circuit de commande génère un signal de désactivation DIS pour que l'interrupteur 7c du circuit d'alimentation 7 soit ouvert.
Revenant à la description de la figure 2, on définit l'instant tO comme l'instant auquel on connecte physiquement le dispositif 1 à sa charge. À cet instant tO, la capacité réservoir Cm est donc totalement déchargée, la tension alimentation Va est nulle. Le circuit de commande 4 n'est pas en mesure de fonctionner, c'est-à-dire de fournir les commandes telles que la commande de la grille du transistor basse tension IN ou la commande de l'interrupteur DIS. La configuration « cascode » des transistors basse et haute tension 5, 6 assure toutefois que le dispositif 1 est bien dans un état bloquant.
La figure 3a représente schématiquement l'état de ce dispositif à cet instant de démarrage tO. Le circuit de commande 4 n'est pas alimenté, le signal de commande IN présente une tension nulle inférieure à la tension seuil Vt du transistor basse tension en mode enrichissement, ce transistor est donc ouvert. L'interrupteur normalement passant 7c du circuit d'alimentation 7 est fermé, le circuit de commande 4 étant dans l'incapacité de fournir un signal de désactivation DIS. La tension de la source du transistor haute tension en mode déplétion 6 (correspondant à la tension de commande Vgs de ce transistor) est également sensiblement nul à l'instant tO de démarrage, mais toutefois supérieure à la tension de seuil Vt' de ce transistor (cette tension seuil étant négative) qui est donc passant. Au cours des instants qui suivent l'instant tO, on prélève donc des charges au niveau du point milieu grâce à un courant I circulant dans le transistor haute tension 5, on charge la capacité réservoir Cm et on établit progressivement une tension d'alimentation Va. La tension aux bornes du transistor haute tension VDM, celui-ci étant passant, est sensiblement nulle (et en tout état de cause au moins un ordre de grandeur plus faible que la tension du générateur Vbus) si l'on néglige la résistance drain-source de ce transistor.
Lorsque cette tension d'alimentation Va est suffisante, par exemple lorsqu'elle atteint une tension d'alimentation nominale du circuit de commande 4 qui peut être, par exemple, de 5V, le circuit de commande 4 s'active et devient fonctionnel. En d'autres termes, le circuit de commande 4 est alors alimenté électriquement par le circuit d'alimentation 7, il est donc fonctionnel et prêt à générer les commandes permettant d'opérer le dispositif 1.
Bien entendu, on a choisi la tension seuil Vt' du transistor haute tension pour qu'elle soit supérieure (en valeur absolue) à une tension d'alimentation Va suffisante pour que le dispositif de commande 4 soit fonctionnel. La tension du point milieu Vm est équivalente à la tension d'alimentation, Cette tension s'élève donc progressivement avec la tension d'alimentation. On désigne tO', l'instant auquel la progression de la tension du point milieu est telle que la tension de commande Vgs
(correspondant à l'opposé de la tension Vm du point milieu) passe sous la tension seuil Vt' du transistor haute tension. À partir de cet instant tO', le transistor haute tension 5 s'ouvre, et 1a tension s'appliquant entre ses bornes VDM s'établit sensiblement à la tension du générateur Vbus) . Toutefois, le courant de fuite traversant ce transistor conduit à poursuivre l'élévation de la tension du point milieu jusque-là la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6. L'état schématique du dispositif 1 à partir de cet instant tO' est représenté sur la figure 3b.
Dans l'exemple représenté à titre d'illustration du fonctionnement du dispositif 1 sur les figures 2 et 3b, le dispositif de commande génère le signal DIS de désactivation de l'interrupteur 7c à un instant tl, postérieur à l'instant auquel le point milieu a atteint la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6. Pour éviter de charger la capacité réservoir Vm jusqu'à la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6, ce qui pourrait être excessif, on peut prévoir que le dispositif de commande 4 (ou le circuit d'auto-alimentation lui-même) génère une commande d'ouverture de l'interrupteur DIS à son démarrage et/ou lorsque la tension d'alimentation atteint une valeur seuil Vamax prédéterminée et tant que la tension d'alimentation Va est suffisante. Quelle qu'en soit la cause, l'interrupteur 7c est ouvert à l'instant tl, et les charges de la capacité réservoir Cm prélevées pour alimenter le circuit de commande ne sont pas renouvelées. La tension d'alimentation Va s'affaiblit donc à partir de cet instant tl.
A l'instant t2, le circuit de commande 4 génère une commande de la grille du transistor basse tension IN visant à le rendre fermé et à faire entrer le dispositif 1 dans une phase de conduction. Comme on l'a vu, ceci peut être provoqué par le basculement du signal externe de commutation COM. Le circuit de commande 4 a pris soin de faire précéder cet évènement par la désactivation de l'interrupteur 7c du circuit d'alimentation 7 à l'instant tl pour, comme on l'a vu, éviter de maintenir connecté ce circuit au point milieu M pendant cette phase. D'une manière générale donc, et si ce n'est déjà pas le cas, le circuit de commande 4 est configuré pour désactiver l'interrupteur 7c du circuit d'alimentation en générant une commande d'ouverture DIS de cet interrupteur, avant de générer le signal de commande de la grille du transistor basse tension IN pour le rendre fermé. On peut envisager que l'interrupteur 7c soit commandé ouvert simultanément à la génération du signal de commande IN (c'est à dire avoir tl=t2 ) .
Le dispositif de commande 4 génère le signal de commande IN de la grille du transistor basse tension 6 pour placer le dispositif 1 dans un état passant pendant une période de temps s'étendant jusqu'à un instant t3, comme cela est représenté sur les figures 2 et 3c. Pendant toute cette période de temps, entre l'instant t2 et t3, le circuit de commande 4 maintient le signal de désactivation DIS de l'interrupteur 7c pour qu'il soit ouvert. La capacité réservoir Cm continue donc à se décharger au fur et à mesure de la consommation de charges alimentant le circuit de commande. A l'instant t3, le dispositif de commande 4 fait basculer la commande IN de la grille du transistor basse tension 6 pour le rendre ouvert, et interrompre la phase de conduction du dispositif 1. Cet instant t3 peut être provoqué par le basculement du signal de commutation externe COM au dispositif 1 ou établit par le circuit de commande 4 lui-même, par exemple à l'issue d'une durée déterminée de la phase de conduction.
Peu après cet instant t3, voire dans le même instant, le dispositif de commande 4 fait basculer le signal de désactivation DIS de l'interrupteur 7c, à un instant t4 supérieur ou égal à t3, de manière à remettre en contact la capacité réservoir Cm avec le point milieu M et permettre son rechargement. Entre les instants t3 et t4, si ces deux instants sont différents et qui sont dans tous les cas très proches l'un de l'autre, la tension du point milieu s'élève vers la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6. Le transistor haute tension 5 est maintenu fermé et, en négligeant la résistance drain source du transistor haute tension 5, la tension s'appliquant entre ses bornes VDM est sensiblement nulle. L'état du dispositif entre les instants t3 et t4 est schématiquement représenté sur la figure 3d.
A 1 ' instant t4, le dispositif se retrouve dans un état similaire à celui dans lequel il se trouvait à l'instant tO ou t0' . Les phases passantes et bloquantes du dispositif peuvent alors se succéder (selon l'état du signal de commutation COM) et reproduire le cycle qui vient d'être présenté.
Dans une illustration complémentaire du fonctionnement d'un dispositif 1 conforme à l'invention, on a représenté sur la figure 2 une situation où à un instant t5 le signal de désactivation DIS de l'interrupteur 7c est généré lorsque la tension d'alimentation Va atteint une valeur seuil Vamax prédéterminée, inférieure à la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6. Cette tension Vamax est choisie pour être supérieure à la tension nominale d'alimentation du circuit de commande 4. Afin d'éviter de charger la capacité réservoir de manière excessive, jusqu'à la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6, le circuit de commande est configuré pour générer le signal de désactivation DIS de l'interrupteur 7c pour l'ouvrir et cesser de charger la capacité réservoir Cm, dès que la tension d'alimentation Va délivrée par le circuit d'alimentation 7c excède cette valeur seuil Vamax.
On observe ainsi sur la figure 2, à partir de cet instant t5, que l'ouverture de l'interrupteur 7c entraine la remontée brutale de la tension de point milieu Vm à la tension d'avalanche du transistor basse tension VBR. On note également que dans le même temps, tension grille- source Vgs du transistor haute tension 5 passe sous la tension seuil Vt' de ce transistor, ce qui conduit à le rendre ouvert et à appliquer la tension du générateur Vbus entre ses bornes. La consommation électrique du circuit de commande 4 se poursuit, ce qui conduit à faire baisser la tension d'alimentation Va délivrée par le circuit d' alimentation .
Selon une variante non représentée, et comme cela a déjà été évoqué, on peut également prévoir que le circuit de commande 4 lui-même soit configuré pour détecter le passage de la tension d'alimentation Va sous une valeur seuil minimale Vamin prédéterminée. Sous cette tension seuil d'alimentation, le bon fonctionnement du circuit de commande 4 n'est plus garanti. Aussi, le circuit de commande 4 est configuré pour que cette détection entraine l'émission d'un signal de défaillance FAULT et le passage du dispositif 1 dans une configuration de sécurité. Il peut s'agir par exemple de faire basculer ou maintenir le signal de commande de la grille du transistor basse tension 6 dans un état ouvert dès lors que la tension d'alimentation franchit à la baisse ce seuil minimum Vamin. Le dispositif 1 est alors placé dans un état bloquant et sécurisé.
La figure 4 représente une version améliorée d'un dispositif de commutation 1 conforme à l'invention, et plus particulièrement du circuit d'auto-alimentation 7, sur laquelle on a omis de placer les transistors haute tension 5 et basse tension 6 pour plus de visibilité.
Outre les éléments déjà décrits en relation avec le dispositif de la figure 1, le circuit d'auto-alimentation 7 de la version améliorée du dispositif 1 comprend, dans le circuit d'auto-alimentation, un régulateur de tension LDO disposé entre la capacité réservoir Cm et une capacité régulée Cr connectée à la sortie 7b du circuit et fournissant la tension d'alimentation Va au circuit de commande. Ces composants additionnels permettent de délivrer une tension d'alimentation Va bien moins oscillante que celle apparaissant aux bornes de la capacité réservoir Cm et qui fluctue selon les cycles de chargement- déchargement lié aux phases bloquantes passantes du dispositif 1.
On notera que la tension apparaissant aux bornes de la capacité réservoir Cm est néanmoins fournie au circuit de commande 4, au niveau d'une entrée de mesure haute impédance de ce circuit, la mesure de cette tension pouvant être utile, comme on l'a explicité précédemment, pour générer le signal de désactivation de l'interrupteur 7c lorsque la tension mesurée dépasse un seuil prédéterminé Vamax ou pour placer le dispositif dans une configuration de sécurité si la tension mesurée est inférieure à la tension seuil minimum Vamin. Mais cette fonctionnalité n'est pas impérative. La tension Va peut être par exemple régulée ou réduite à une valeur de consigne à partir de la tension délivrée par la capacité Vm, cette tension pouvant atteindre la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6. Comme cela est bien connu en soi, et représenté sur la figure 5, le circuit de régulation LDO comprend typiquement un transistor dont la grille est connectée à la sortie d'un comparateur d'une tension de référence (telle qu'une tension de bandgap) et d'une tension représentative de celle apparaissant aux bornes de la capacité régulée Cr.
Le comparateur rend passant ou bloquant le transistor de manière à transférer des charges de la capacité réservoir Cm à la capacité régulée Cr selon le besoin de manière à ce que la tension Va aux bornes de la capacité régulée Cr soit sensiblement égale à une tension de consigne suffisante pour alimenter le circuit de commande 4 et le rendre fonctionnel. Cette tension de consigne est déterminée par la valeur des résistances d'un pont diviseur dont la tension de point milieu est comparée à la tension de référence.
Plutôt que d' intégrer cette fonction de régulation de la tension d'alimentation Va dans le circuit d'auto alimentation 7 comme cela est proposé ici, on peut prévoir d'intégrer cette fonction dans le circuit de commande 4. On retrouve alors une configuration similaire à celle représentée sur la figure 1.
D'une manière générale, le circuit d' auto- alimentation 7 permet donc d'accumuler des charges dans la capacité réservoir Cm pendant les phases où le dispositif 1 est bloquant. Pendant les phases où le dispositif 1 est passant, le circuit d'alimentation est isolé des nœuds où circule un fort courant. On choisira donc la capacité réservoir Cm pour qu'elle accumule suffisamment de charges pour alimenter le circuit de commande lorsque le circuit d'auto-alimentation 7 est isolé. Similairement, on maintiendra l'interrupteur 7c fermé suffisamment longtemps, pendant les phases où le dispositif 1 est bloquant, pour charger suffisamment la capacité réservoir Cm. Dans la pratique, cette durée pendant laquelle l'interrupteur 7c est fermé peut-être très courte (par exemple de l'ordre de quelques centaines de nanosecondes par exemple) , de manière à ne pas limiter la faculté du dispositif 1 à commuter d'une phase à l'autre à très grande fréquence.
On notera que le circuit d'auto-alimentation 7 n'est exposé qu'à des tensions de faible grandeur (de l'ordre de la tension d'avalanche VBR du transistor basse tension 6) , référencées à la tension de la source du transistor basse tension, si bien qu' il peut être constitué de composants qu' il est aisé de fabriquer ou de se fournir, et donc peu onéreux. On peut ainsi envisager de l'intégrer en partie au moins à la deuxième puce, comportant le transistor basse tension.
Modes de réalisation
On présente maintenant plusieurs modes de réalisation particulièrement avantageux du dispositif de commutation 1 qui vient d'être présenté fonctionnellement.
En référence à la figure 6, les différents éléments composant le dispositif de commutation 1 sont disposés sur un support de routage électrique 10, par exemple un circuit imprimé comportant des pistes électriques pour connecter entre eux les éléments, l'ensemble formant un système de commutation 100. Le support de routage 10 comporte notamment les bornes de commutation 2a, 2b auxquelles peuvent être rattachés la charge P et le générateur G.
Dans tous les modes de réalisation qui vont être présentés, et selon un aspect de la présente invention, le dispositif de commutation 1 (comprenant donc le circuit de commande 4, les transistors haute tension 5 et basse tension 6, et le cas échéant, le circuit d'auto alimentation 7) est mis en œuvre par l'intermédiaire d'un organe de commande MCU, par exemple un microcontrôleur, qui pilote au moins un circuit intégré de commutation 11. Ces éléments sont disposés sur, et électriquement connectés entre eux par, le support de routage 10, l'ensemble formant le système de commutation 100.
L'organe de commande MCU a pour fonction de superviser le fonctionnement du circuit intégré de commutation 11. Le circuit intégré de commutation 11 a pour fonction de réaliser la commutation en tant que telle et de mettre en œuvre des fonctions de surveillance du bon fonctionnement du dispositif 1. Cette décomposition de fonction du dispositif 1 est particulièrement avantageuse, en ce qu'il met en œuvre un circuit intégré de commutation 11 relativement simple, intégrant un nombre réduit de fonctions, et qui peut être employé dans de nombreuses configurations. Il peut donc être produit en fort volume et à faible coût. L'organe de commande, lorsqu'il est programmable, peut être facilement configuré ou reconfiguré, pour tirer profit des fonctionnalités du circuit intégré de commutation 11. L'organe de commande MCU est électriquement relié à un circuit ou une borne d'alimentation A fournissant l'énergie électrique nécessaire à son fonctionnement.
L'organe de commande MCU élabore le signal de commutation COM qu'il fournit directement ou indirectement au circuit intégré de commutation 11, afin de sélectivement rendre bloquant ou passant le transistor basse tension du circuit .
L'organe de commande MCU est également électriquement relié à une broche de défaillance FAULT du circuit intégré de commutation 11. Comme on l'a vu, cette broche fournit le signal de défaillance FAULT indiquant un fonctionnement irrégulier du circuit intégré 11. Ce fonctionnement irrégulier peut correspondre, à titre d'exemple et comme on l'a déjà noté, à une température du circuit intégré de commutation 11 en excès d'une température limite ou à une tension d'alimentation du circuit intégré de commutation 11 en dehors d'une plage spécifiée, ou inférieure à une limite donnée. Lorsque le signal de défaillance FAULT est activé, et par exemple reçu sur une broche d'interruption de l'organe de commande MCU, celui-ci est configuré pour placer le circuit intégré de commutation 11 en position de sécurité, en basculant ou en maintenant le signal de commutation COM pour qu' il rende bloquant le transistor basse tension 6.
Comme cela est usuel, et de manière optionnelle, l'organe de commande MCU peut également élaborer un signal d'activation EN appliqué à une broche d'activation EN du circuit intégré de commutation 11 pour sélectivement le rendre actif ou inactif, par exemple pour limiter la consommation du dispositif lorsqu'il n'est pas exploité. Une telle broche d'activation EN est électriquement reliée au plot de grille de la deuxième puce électronique 16.
Le circuit intégré de commutation 11 est formé d'un boitier, d'une première broche de puissance lia et d'une deuxième broche de puissance 11b. Le circuit intégré comprend au moins première puce électronique 15 intégrant le transistor haute tension et une deuxième puce électronique 16 intégrant le transistor basse tension. Dans l'exemple représenté sur la figure 6, les deux puces électroniques 15, 16 sont reliées électriquement entre elles (et avec les deux broches de puissance lia, 11b) pour former un circuit cascode, ainsi que cela a déjà été décrit dans le détail dans un passage antérieur de cette description.
En complément des broches déjà décrites dans les paragraphes précédents, le circuit intégré de commutation 11 comprend également une broche d'alimentation Va. Selon le mode de mise en œuvre choisi du dispositif de commutation 1, cette broche d'alimentation Va peut être électriquement reliée au circuit ou à la borne d'alimentation A du dispositif 1 ou à un circuit d'auto alimentation (non représentée sur la figure 6) . Dans tous les cas, et quelle que soit la manière dont le circuit intégré de commutation 11 est alimenté, celui-ci présente une broche d'alimentation Va, électriquement reliée à tous les plots d'alimentation des puces électroniques du circuit intégré. Cette tension d'alimentation peut être relative à une masse du dispositif 1 ou une autre tension de référence .
Pour permettre son alimentation par un circuit d'auto-alimentation externe, le circuit intégré de commutation 11 peut comprendre également une broche de point milieu M permettant de fournir à l'extérieur du boitier la tension du nœud milieu entre le transistor haute tension et le transistor basse tension. Cette broche de point milieu M permet de connecter un circuit d'auto alimentation 7 tel que décrit précédemment ou un circuit de contre mesure permettant de contrôler la tension se développant en ce nœud milieu.
Enfin, et comme on l'a déjà évoqué, le circuit intégré de commutation 11 comprend une broche de défaillance FAULT pour fournir à l'organe de commande un signal de défaillance. La broche de défaillance FAULT est électriquement reliée à un circuit de surveillance (dont on a donné un exemple de réalisation en référence à la figure 9) qui peut être intégré dans la deuxième puce 16 ou intégré dans une autre puce 17 disposée dans le boitier. La broche de défaillance est électriquement reliée à un plot de défaillance de la deuxième puce 16 ou de l'autre puce 17.
Ces éléments composant un système de commutation 100 conforme à l'invention peuvent être déclinés selon plusieurs modes de réalisation qui vont donc être décrits ci-dessous .
Premier mode de réalisation
La figure 7a représente ainsi un premier mode de réalisation du système de commutation 100. Dans ce premier mode de réalisation, le circuit d'attaque 20 du circuit de commande 4 n'est pas intégré au circuit intégré de commutation 11 mais forme un élément additionnel disposé sur le support de routage 10. Le signal de commutation COM élaborée par l'organe de commande MCU est fourni en entrée du circuit d'attaque 20, et celui-ci élabore un signal de commande IN qui est directement fournie à la grille du transistor basse tension 6 de la deuxième puce 16. À cet effet, le circuit intégré de commutation 11 et muni d'une broche de commande IN, électriquement reliée d'une part à la sortie du circuit d'attaque 20, et d'autre part à un plot de grille de la deuxième puce 16. On note que le circuit d'attaque 20 est relié à la source ou borne d'alimentation A et à la masse électrique du dispositif 1. Dans la représentation de la figure 7a, le circuit de surveillance est intégré à une troisième puce 17. On pourrait toutefois envisager que ce circuit soit intégré à la deuxième puce 16. Le système de commutation 100 de ce mode de réalisation comprend un circuit d'auto-alimentation 7 disposé sur le support de routage, et électriquement relié à la broche de point milieu M et à la broche d'alimentation Va du circuit intégré de commutation 11. Le signal de désactivation DIS du circuit d'auto-alimentation 7 est élaboré et fourni par l'organe de commande MCU. Cet organe est optionnellement relié à la tension d'alimentation Va si l'on souhaite pouvoir contrôler le signal de désactivation DIS pour que la tension Va n'excède pas une tension maximale d'alimentation Vamax. Alternativement, le circuit d'alimentation 7 ou le circuit intégré de commutation peut comprendre le circuit de régulation LDO décrit en relation avec la description des figures 4 et 5.
Dans une alternative à ce premier mode de réalisation, on aurait pu connecter la broche d'alimentation Va au circuit ou à la borne d'alimentation A et dans ce cas il n'aurait pas été utile de relier le signal de désactivation DIS et la tension d'alimentation Va à l'organe de commande. Deuxième mode de réalisation
La figure 7b représente un deuxième de réalisation d'un système de commutation 100 conforme à l'invention. Ce deuxième de réalisation est particulièrement avantageux en ce qu'il limite le nombre d'éléments disposés sur le support de routage 10, sans rendre excessivement complexe le circuit intégré de commutation 11. Il permet également de router entre le circuit intégré de commutation 11 et l'organe de commande MCU des signaux uniquement digitaux, ce qui contribue à simplifier la conception du système de commutation 100. Dans ce mode de réalisation, la deuxième puce électronique 16 intègre le circuit d'attaque 20 et le circuit de surveillance. Une troisième puce 17 n'est donc pas nécessaire. La deuxième puce 16 présente avantageusement une architecture latérale, et la première et deuxième puce 15, 16 peuvent donc être fixées, par leurs faces arrières, sur un support de boitier isolant et thermiquement conducteur.
Le circuit intégré de commutation 11 comprend une broche commutation COM électriquement reliée à l'organe de commande MCU et à un plot de commutation de la première puce 16, relié à l'entrée du circuit d'attaque 20 intégré dans la première puce 16 et connecté directement à la grille du transistor basse tension 6. Il n'est donc pas nécessaire que celle-ci dispose d'un plot de grille.
Dans cet exemple également, la deuxième puce 16 élabore le signal de désactivation DIS du circuit d'auto alimentation 7. Le circuit intégré 11 dispose donc d'une broche de désactivation DIS, relié à une borne de désactivation fournissant le signal de désactivation élaboré par un circuit de la deuxième puce.
On pourrait également envisager dans une variante de mise en œuvre de ce deuxième mode de réalisation, comme dans le premier mode de réalisation, d'élaborer le signal de désactivation DIS par l'organe de commande MCU.
Troisième mode de réalisation
La figure 7c représente un troisième mode de réalisation d'un système de commutation 100 conforme l'invention. Ce mode de réalisation correspond au deuxième mode de réalisation de la figure 7b dans lequel on a intégré la plupart des éléments composant le circuit d'auto-alimentation 7 dans la deuxième puce 16 du circuit intégré de commutation 11, et notamment la diode 7d et l'interrupteur 7c. On a laissé la capacité réservoir Cm à l'extérieur du circuit intégré de commutation 11, connectée entre la broche d'alimentation Va et la masse du système ou une autre tension de référence.
Autre mode de mise de réalisation La figure 8 représente un autre système de commutation 1 conforme à l'invention, présentant une architecture en demi-pont, dont le fonctionnement bien connu n'est pas rappelé ici. Sur un support de routage électrique 10 on retrouve l'organe de commande MCU relié à son circuit ou borne d'alimentation A. On retrouve également dans le système 100 de la figure 8 deux circuits intégrés de commutation 11, 11', formant respectivement le commutateur bas et le commutateur haut d'un demi-pont, et semblables à ceux exposés dans les modes de réalisation précédents. Le support de routage 10 est muni de trois bornes pour respectivement connecter, en demi-pont :
- un générateur G à une première broche de puissance lia' du deuxième circuit intégré de commutation 11' ;
- une charge résonnante P à une deuxième broche de puissance 11b' du deuxième circuit intégré de commutation 11' et à une première broche de puissance lia du premier circuit intégré de commutation 11;
- une masse du système reliée à la deuxième broche de puissance 11b du premier circuit intégré commutation 11. Le premier circuit intégré 11 est relié au circuit ou à la borne d'alimentation A (alimentant également l'organe de commande MCU) par l ' intermédiaire de sa broche d'alimentation Va. La broche de point milieux M de ce premier circuit intégré de commutation 11 n'est pas exploité. Le premier circuit intégré de commutation 11 est également relié à l'organe de commande MCU par sa broche de commutation COM_L et sa branche de défaillance FAULT_L, comme cela a été expliqué en référence aux figures précédentes .
Le deuxième circuit intégré de commutation 11' est quant à lui référencé à la tension présente sur sa deuxième broche de puissance 11b'. La tension d'alimentation Va doit donc être relative à cette tension de référence, et on ne peut relier directement la tension du circuit ou de la borne d'alimentation A à la broche d'alimentation Va' de ce circuit intégré. On a donc prévu un circuit d'auto alimentation 7 disposé entre la broche de point milieu M' et la tension de référence du deuxième circuit intégré 11'. La tension Va' fournie par le circuit d'auto-alimentation 7 est rapportée sur une broche d'alimentation Va' Les autres signaux, et notamment le signal de commutation COM_H et le signal de défaillance FAULT_H sont rapportés à 1 ' organe de commande MCU par l'intermédiaire d'un dispositif d'isolation I, par exemple optoélectronique.
On observe sur le système de commutation 100 de cette figure 8 tout l'intérêt de disposer d'un circuit intégré de commutation 11, 11' pouvant fonctionner indifféremment avec une tension d'alimentation provenant d'un circuit ou d'une borne d'alimentation, ou d'un circuit d'auto-alimentation. La disponibilité d'une pluralité de signaux de défaillance FAULT_L, FAULT_H en provenance de la pluralité de circuits intégrés de commutation 11 permet à l'organe de commande de bien superviser le fonctionnement du dispositif 1, et notamment de placer chacun des deux circuits intégrés de commutation 11, 11' en mode bloquant, dès que l'un de ces circuits 11, 11' signale une défaillance.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.
Ainsi, bien que l'on ait représenté le transistor basse tension 6 et le transistor basse tension 5 reliés en configuration cascode, un dispositif de commutation 1 conforme à l'invention peut être mis en œuvre dans une configuration « cascade ». Dans cette configuration, la grille du transistor haute tension 5 n'est pas reliée à la source du transistor basse tension 6, et le circuit de commande 4 élabore alors un deuxième signal de commande IN' pour commander la grille du transistor haute tension 5. On contrôlera les deux signaux IN, IN' ' pour permettre d'accumuler des charges dans le circuit d'auto-alimentation 7 pendant les phases où le dispositif 1 est bloquant comme cela a bien été illustré dans la présente description.

Claims

REVENDICATIONS
1. Circuit intégré (11) de commutation d'une charge comprenant :
- un boitier ;
- une première et une seconde broche de puissance (lia,
11b), une broche d'alimentation (Va), une broche de défaillance (FAULT) et, optionnellement, une broche de point milieu (M) ;
- une première puce électronique (15) disposée dans le boitier comprenant un transistor haute tension en mode déplétion (5), la première puce électronique (15) comprenant un plot de grille, un plot de drain électriquement relié à la première broche de puissance (Ha) et un plot de source définissant un point milieu
(M) ;
- une deuxième puce électronique (16) disposée dans le boitier comprenant un transistor basse tension en mode enrichissement (6), la deuxième puce électronique (16) comprenant au moins un plot de drain électriquement relié au plot de source de la première puce électronique (15) et un plot de source électriquement reliée à la seconde broche de puissance (11b) ;
- un circuit de surveillance (30) du bon fonctionnement du circuit intégré (11) disposé dans le boitier et relié à la broche d'alimentation (Va), le circuit de surveillance (30) établissant un signal de défaillance rapporté sur la broche de défaillance (FAULT) .
2. Circuit intégré (11) selon la revendication précédente comprenant une broche de commutation (COM) et un circuit d'attaque (20) relié électriquement à la broche de commutation (COM) et à la grille du transistor basse tension .
3. Circuit intégré (11) selon la revendication précédente dans lequel le circuit de surveillance (30) et le circuit d'attaque (20) sont intégrés dans la deuxième puce électronique (16) .
4. Circuit intégré (11) selon la revendication précédente dans lequel la deuxième puce électronique (16) comprend une pluralité de plots de connexion, tous disposés sur une même face de la deuxième puce électronique (16) .
5. Circuit intégré (11) selon la revendication précédente dans lequel le boitier comprend un support de boitier électriquement isolant, la première et la deuxième puce électronique (15, 16) étant fixés au support du boitier.
6. Circuit intégré (11) selon la revendication 1 dans lequel le circuit de surveillance (30) est intégré dans une troisième puce électronique (17) .
7. Circuit intégré (11) selon une des revendications 1 ou 6 dans lequel la deuxième puce électronique (16) comprend un plot de grille et le circuit intégré (11) comprend une broche de commande (IN) électriquement reliée au plot de grille de la deuxième puce électronique (16) .
8. Circuit intégré (11) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le circuit de surveillance (30) est électriquement relié à la broche d'alimentation (Va) pour établir un signal de défaillance (FAULT) lorsque la tension portée par la broche d'alimentation (Va) est sous une valeur seuil minimale prédéterminée (Vamin) .
9. Circuit intégré (11) selon l'une des revendications précédentes dans lequel circuit de surveillance (30) comprend un circuit de mesure d'un courant de commutation .
10. Circuit intégré (11) selon l'une des revendications précédentes comprenant un circuit d'auto-alimentation (7) .
11. Circuit intégré (11) selon la revendication précédente dans lequel le circuit d'auto-alimentation (7) comprend :
- une entrée (7a) reliée au point milieu (M) et une sortie (7a) pour fournir une tension d'alimentation (Va) ;
un interrupteur (7c), disposé entre l'entrée (7a) et une capacité réservoir (Cm) établissant la tension d'alimentation (Va) lorsque le circuit intégré (11) est relié à la charge, l'interrupteur (7c) étant normalement passant et apte à isoler électriquement la capacité réservoir (Cm) du point milieu (M) lorsqu'il est ouvert.
12. Circuit intégré (11) selon l'une des revendications 10 ou 11 comprenant une broche de désactivation (DIS) électriquement reliée à une borne de désactivation de 1 ' auto-alimentation .
13. Système de commutation (100) comprenant :
- un support de routage électrique (10) et au moins deux bornes de connexion (2a, 2b) ;
- un organe de commande (MCU) disposé sur le support de routage (10) et présentant une pluralité de broches ;
- au moins un circuit intégré de commutation (11) conforme à l'une des revendications précédentes disposé sur le support de routage (10), la première et la seconde broche de puissance du circuit intégré (lia, 11b) étant électriquement et respectivement reliées aux bornes de connexion (2a, 2b) ;
- la broche de défaillance (FAULT) du circuit intégré (11) étant électriquement reliée à une des broches de l'organe de commande (MCU) .
14. Système de commutation (100) selon la revendication précédente, dans lequel le circuit intégré de commutation (11) est conforme à l'une des revendications 1 à 9, le système de commutation (100) comprenant, disposé sur le support de routage (10), un circuit d'auto-alimentation (7).
15. Système de commutation (100) selon la revendication précédente dans lequel le circuit d'auto-alimentation (7) comprend :
- une entrée (7a) reliée au point milieu (M) et une sortie (7b) pour fournir une tension d'alimentation (Va) ;
- une capacité réservoir (Cm) établissant la tension d'alimentation (Va) lorsque le circuit de commutation (11) est relié à la charge ;
- un interrupteur (7c), disposé entre l'entrée (7a) et la capacité réservoir (Cm) , normalement passant et apte à isoler électriquement la capacité réservoir (Cm) du point milieu (M) lorsqu'il est ouvert.
PCT/FR2019/051217 2018-06-01 2019-05-27 Dispositif de commutation autoalimente et procede de fonctionnement d'un tel dispositif Ceased WO2019229341A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1854789 2018-06-01
FR1854789A FR3082076B1 (fr) 2018-06-01 2018-06-01 Dispositif de commutation autoalimente et procede de fonctionnement d'un tel dispositif

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019229341A1 true WO2019229341A1 (fr) 2019-12-05

Family

ID=63490606

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2019/051217 Ceased WO2019229341A1 (fr) 2018-06-01 2019-05-27 Dispositif de commutation autoalimente et procede de fonctionnement d'un tel dispositif

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3082076B1 (fr)
WO (1) WO2019229341A1 (fr)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009009380A2 (fr) * 2007-07-06 2009-01-15 Semisouth Laboratories, Inc. Commutateurs de puissance jfet intégrés normalement fermés dans des semi-conducteurs a large bande interdite et procédés de fabrication
WO2015073980A1 (fr) * 2013-11-15 2015-05-21 Texas Instruments Incorporated Procédé et circuits pour commander un transistor à mode d'appauvrissement
US20160065064A1 (en) * 2014-08-29 2016-03-03 Infineon Technologies Austria Ag System and Method for a Switch Having a Normally-on Transistor and a Normally-off Transistor
WO2017203186A1 (fr) 2016-05-26 2017-11-30 Exagan Circuit intégré comprenant une puce formée d'un transistor à haute tension et comprenant une puce formée d'un transistor à basse tension

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009009380A2 (fr) * 2007-07-06 2009-01-15 Semisouth Laboratories, Inc. Commutateurs de puissance jfet intégrés normalement fermés dans des semi-conducteurs a large bande interdite et procédés de fabrication
WO2015073980A1 (fr) * 2013-11-15 2015-05-21 Texas Instruments Incorporated Procédé et circuits pour commander un transistor à mode d'appauvrissement
US20160065064A1 (en) * 2014-08-29 2016-03-03 Infineon Technologies Austria Ag System and Method for a Switch Having a Normally-on Transistor and a Normally-off Transistor
WO2017203186A1 (fr) 2016-05-26 2017-11-30 Exagan Circuit intégré comprenant une puce formée d'un transistor à haute tension et comprenant une puce formée d'un transistor à basse tension

Also Published As

Publication number Publication date
FR3082076B1 (fr) 2020-05-08
FR3082076A1 (fr) 2019-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3724980A1 (fr) Dispositif de commutation autoalimenté et procédé de fonctionnement d'un tel dispositif
EP0579561B1 (fr) Circuit de protection d'un composant de puissance contre des surtensions directes
EP0110775B1 (fr) Régulateur à faible tension de déchet
EP1079525B1 (fr) Système de commande d'un interrupteur bidirectionnel à deux transistors
EP2302341A2 (fr) Circuit de détection avec circuit d'anti-éblouissement amélioré
FR2679082A1 (fr) Dispositif de commutation a semiconducteurs pouvant etre commande et comportant un systeme integre de limitation de courant et de coupure pour temperature excessive.
WO2017203186A1 (fr) Circuit intégré comprenant une puce formée d'un transistor à haute tension et comprenant une puce formée d'un transistor à basse tension
EP3545621B1 (fr) Dispositif de commutation d'un circuit de puissance
EP4189406A1 (fr) Système de gestion de batteries
EP1704634A1 (fr) Gestion du court-circuit dans une inductance d un convertiss eur elevateur de tension
FR2757712A1 (fr) Dispositif de controle de mise sous tension ou hors tension d'un circuit integre
EP3696645A1 (fr) Dispositif de fourniture d'une puissance d'alimentation
FR2908939A1 (fr) Dispositif de commande pour assurer la regulation en tension d'un bus d'alimentation.
WO2019229341A1 (fr) Dispositif de commutation autoalimente et procede de fonctionnement d'un tel dispositif
EP1977514A1 (fr) Commande d'un transistor mos
EP2093868B1 (fr) Dispositif et circuit de commande d'un composant électronique de puissance, procédé de pilotage et allumeur associés
EP3258569B1 (fr) Système d'alimentation comprenant une unité de gestion principale et une unité de gestion de réserve
FR2677771A1 (fr) Circuit de detection de niveau de polarisation inverse dans un dispositif de memoire a semiconducteurs.
EP3185389B1 (fr) Dispositif et appareil électrique de génération d'une tension électrique à destination d'une unité de traitement d'informations, système électronique de traitement d'informations associé
WO2015145006A1 (fr) Système pour stabiliser la tension d'alimentation lors du démarrage d'un moteur dans un véhicule
EP4513757A1 (fr) Dispositif de surveillance d'une ou plusieurs alimentations
WO2023280727A1 (fr) Module de détection de coupure de tension d'une batterie de véhicule automobile
WO2024132545A1 (fr) Installation solaire a panneau photovoltaique
EP0562959A1 (fr) Module d'entrée d'information par contact électrique pour installation de contrôle/commande
EP0164770A1 (fr) Relais statique pour courant continu basse tension

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19742834

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19742834

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1