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Thyristor bi-directionnel".-
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La présente invention se rapporte aux disposi- tifs à semi-conducteurs, et plus particulièrement aux thy- ristors bi-directionnels au silicium et peut être utilisée pour les convertisseurs statiques d'énergie électrique,et plus précisément pour les dispositifs redresseurs contra- lés sans contact,pour la variation des commandes électri- ques,dans les convertisseurs réversibles de courant con- tinu en courant alternatif.
On connaît des thyristors bi-directionnels de structure planaire épitaxiale avec jonctions émettrices shuntées des couches inférieure et supérieure.Dans ces dispositif s,les jonctions des collecteurs ont une surface unie,
L'inconvénient de tels thyristors réside en ce que leur utilisation dans les montages électriques exige l'utilisation d'une protection spéciale contre les sur- tensions,car le dépassement de la tension de commutation du dispositif sans signal, de commande le fait passer à l'état conducteur.
On connaît également des thyristors à caracté- ristique inverse à avalanche,à quatre régions,dont les jonctions collectrices sont exécutées sous tonne de sur- face unie,tandis que le perçage est éliminé grâce à un traitement spécial et à une protection de l'endroit où la jonction p-n sort à la surface,Cependant,pour le cou- rant en sens direct ils exigent également une protection contre les surtensions.
La présente invention a pour but de créer un thyristor bi-directionnel possédant une auto-protection
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contre les surtensions.
Pour atteindre ce but, on se propose,grâce à la modification de la forme de3 jonctions collectrice? et de leur emplacement de créer un thyristor bi-direc- tionnel n'exigeant aucune protection spéciale contre les surtensions et qui soit commuta en état conducteur en en- voyant seulement une impulsion de faible puissance dans le circuit de commande,
Le problème est résolu du fait que le thyris- tor bi-directionnel selon l'invention possède des jonc- tions collectrices exécutées en palier,les paliers des jonctions collectrices opposées étant disposés de dif- férents côtés du plan médian transversal de la structure planaire épitaxiale,à distance égale de celui-ci,
Il est rationnel d'exécuter les paliers des jonctions collectrices avec des surfaces égales et de les disposer symétriquement par rapport au centre de la section transversale de la structure en direction diago- nale.
L'invention est expliquée ci-après par un exem- ple de réalisation,par une description et des dessins don- nés en annexe dans lesquels la fig.l représente l'élément soupape d'un thy- ristor bi-directionnel selon l'invention,en coupe; la fig.2,la caractéristique courant-tension d'un thyristor symétrique,où Iy représente le courant de con- trôle;
La structure de l'élément soupape du thyristor symétrique(fig.1)selon l'invention comporte les couches 1,2 à conductibilité par électrons(n),les couches 3,4 à conductibilité par trous(p)et la couche de base 5 de
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silicium initial à conductibilité par électrons(n ).
Les couches 1 et 2 à conductibilité(n)sont situées de différents ctés par rapport à l'axe transversal de la structure, dans ses parties inférieure et supé- rieure.Le shuntage des couches 1 et 3 et le shuntage des couches 2 et 4 est réalisé à l'aide des contacts ohmiques 7 et 7t.
Les jonctions collectrices p-n 8 et 9 sont exécutées avec des paliers 10 et 11,qui se trouvent des côtés opposés par rapport à l'axe 6 de la struc- ture planaire épitaxiale à distance égale de celui-ci et possèdent des surfaces égales.L'électrode de comman- de 12 est raccordée à la région 3 à conductibilité par trous.
La prise de courant est réalisée par des élec- trodes de puissanoe 13 et 14,qui sont raccordées aux con- tacts ohmiques 7 et 7'.
Lorsqu'un potentiel négatif est appliqué à l'électrode 14, et un potentiel positif à l'électrode 13,la partie gauche de la structure à quatre régions fonctionne : régions 1,3,5,1,shuntées par la triode formée par les régions 3,5,4.Lorsque la polarité chan- ge,la partie droite de la structure à quatre régions fonctionne : régions 2,4,5,3 shuntées par la triode formée par les régions 3,5,3.Ainsi, dans chaque sens la structure donnée à cinq régions peut être représentée sous la forme d'une structure à quatre régions shuntée par une triode, le shuntage étant réalisé par la contact métallique 7 et 7'.
Cette analogie est permise du fait que les jonctions p-n externes 15 et 16 en cas de polarisation inverse sont à basée tension et en pratique pour chacun des sens ce
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sont les paliers lO,11(fig.l),co1lecteurs de la triode, qui ont la caractéristique courant-tension de la fig.2.
Vu que la rigidité diélectrique du collecteur, 11 de la triode(on décrit ci-après le fonctionnement d'un thyristor,quand un potentiel négatif est appliqué à l'élec- trode 14) est inférieure à celle du collecteur du thyris- tor, et que tous deux se trouvent au même potentiel, le courant en avalanche dans une telle structure survient d'abord dans le collecteur 11 de la triode et passe tant que l'intensité du courant passant à travers l'ensemble à quatre régions n'atteigne la valeur du courant d'en- clenchement (Iencl.).
Le courant d'enclenchement de l'en- semble à quatre régions peut être réglé dans une large gamme par.modification de la géométrie de la structure, des propriétés électrophysiques des régions, ainsi.qu'en @ utilisant un shuntage des jonctions émettrices p-n 15,16.
Pour que le courant de perçage en avalanche de la triode ne devienne pas courant de/ ommande de l'ensemble à quatre régions, il est éloigné de la partie fonctionnante de la structure. L'éloignement des paliers 10,11 de la ligne axiale 6 est varié en tenant compte de la résistance de fuite optimale du domaine de base 5 et de la résistance dynamique du collecteur d'avalanche polarisé inversement 8 ou 9 dans sa partie à palier 10 et 11.
On peut faire passer l'élément soupape(fig.1) de l'état faible conductibilité à l'état à conductibilité élevée en envoyant seulement une impulsion de courant de faible puissance à travers l'électrode de commande 12.
Les surtensions des deux polarités provoquent dans le sens correspondant le passage d'impulsions de courant de courte durée, ce qui provoque le dégagement dans le volume de la
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structure d'une énergie thermique. Le thyristor exécuté selon l'invention permet de dissiper en cas de surten- sion une impulsion d'énergie dont la valeur maximale dépend de la puissance, de la durée, du rapport période- durée d'impulsion, de la température de la structure ain- si que des éléments constructifs du boîtier de l'appareil,,
Le courant d'enclenchement (Iencl.)
de l'élément soupape doit être choisi quelque peu inférieur à la valeur
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maximale admissible du courant dimpulsion(Imax adm afin que la commutation de la structure en état conducteur se produise d'une façon garantie avant le perçage destruc- tif de l' élément.
Approximativement,la relation suivante doit être réalisée :
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T end M 0 *' Q lmx adm.
Pour obtenir une caractéristique courant -ten- sion d'avalanche symétrique par rapport à l'origine des coordonnées avec de grandes surfaces efficaces,optimalisées pour de fortes intensités de courant, l'on peut utiliser un shuntage réparti connu des jonctions émettrices p-n.
Ce qui vient d'être exposé met en évidence que l'élément soupape d'un thyristor à avalanche à conducti- bilité unidirectionnelle élevée peut être conventionnelle- ment représenté comme une structure à quatre régions shun- tée par une triode, en tenant compte du mécanisme de fonc- tionnement de la structure à cinq régions dans l'une des directions.
L'utilisation de la présente invention permet de créer un thyristor bi-directionnel à avalanche possé- dant les caractéristiques suivantes .
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Courant de travail nominal en sens direct et inversé : 200 A; courant de travail nominal en régime de "contacteur": 300 A ; tension maximale de formation d'avalanche jusque 200 V, chute de tension en sens direct avec le courant de travail nominal : en moyenne jusqu'à 0,7 V,température de travail maximale admissible de l'élément soupape : 140 C; courant de fuite direct et inversé à la tension d'avalanche pour une température de la structure égale à 140 C :jusqu'à 5 mA;énergie de l'impulsion dissipée en sens direct et in- verse à l'état fermé pour une durée de l'impulsion égale à 70 s:
30 kW, paramètres du circuit de commande en courant continu pour la branche directe et inversa : courant de commande 0,4 A au maximum, tension de commande 6 V ; temps d'enclencheùent 25 s au maximum;refroidissement, par courant d'air à vitesse de 10 ms.
REVENDICATIONS 1.- Thyristor bi-directionnel à élément soupape à base d'une structure planaire épitaxiale, plus particulièrement du type n-p-n -p-n,à électrode de commande et à régions exter- nes shuntées, caractérisé en ce que les jonctions collectri- ces(8,9)de la structure épitaxiale sont réalisées à paliers;, les paliers (10,11)des jonctions collectrices opposas étant situés de différents cotés du plan médian transversal de la structure épitaxiale,à distance égale de celui-ci.
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