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DISPOSITIF DE PROTECTION D'UN EQUIPEMENT ELECTRIQUE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des circuits de protection
d'équipements
électriques, et notamment de systèmes d'alimentation et/ou de distribution
d'énergie
électrique de type à courant continu ou alternatif.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Dans les applications électriques (à courant continu ou alternatif), une
surcharge de
courant peut provoquer une surtension, endommageant les équipements
électriques.
Les surcharges de courant, et plus généralement les surintensités peuvent
avoir
plusieurs origines :
- une surintensité peut être causée par un court-circuit, une surtension ou
une
foudre,
- une surintensité peut également se produire pendant la phase de démarrage
ou
lors de la connexion d'équipements électriques au réseau.
On connaît différents types de dispositifs de protection pour réduire les
effets de ces
surcharges de courant, et notamment les risques de détérioration des
équipements
électriques.
De tels dispositifs de protection peuvent être utilisés par exemple en amont
d'un
condensateur de stockage monté en parallèle d'un équipement électrique à
protéger.
1. Résistance de limitation
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Une première solution pour réduire les risques de détérioration des
équipements
électriques consiste à connecter électriquement une résistance de limitation
en série de
l'équipement à protéger.
Cette résistance de limitation est utile pour limiter le fort appel de courant
au démarrage
de l'équipement à protéger, et plus précisément lors de la pré-charge du
condensateur
de stockage.
Toutefois, un inconvénient de cette solution est qu'une fois la phase de
démarrage
terminée, cette résistance de limitation (qui n'a plus d'utilité) chauffe et a
tendance à
dissiper beaucoup d'énergie.
2. Résistance de limitation à commutateur
Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà proposé le montage illustré à la
figure 1,
dans lequel la résistance de limitation 17 est positionnée sur une branche de
limitation
11 électriquement connectée en parallèle d'une branche de conduction 12 ¨
telle qu'un
fil électrique. Un montage similaire est notamment décrit dans le document EP
2 653 950.
Dans ce cas, le basculement entre la branche de limitation 11 et la branche de
conduction
12 est contrôlé par un commutateur électrique 13.
Le principe de fonctionnement d'un tel montage est le suivant.
Au démarrage, le commutateur électrique 13 est relié à la branche de
limitation 11 de
sorte que le courant électrique issu de la source d'alimentation 14 circule à
travers la
branche de limitation 11. Le passage du courant à travers la résistance 17
permet limiter
le fort appel de courant au démarrage de l'équipement à protéger 15. Le
condensateur
de stockage 16 se charge.
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Après un temps donné (pouvant varier entre quelques millisecondes et quelques
secondes en fonction de l'application), le commutateur électrique 13 bascule
la circulation
du courant de la branche de limitation 11 vers la branche de conduction 12.
Ceci permet
de limiter les pertes énergétiques liées à l'utilisation de la résistance de
limitation 17.
Toutefois, un inconvénient du montage illustré à la figure 1 est qu'il ne
permet pas de
maintenir l'équipement électronique 15 sous tension lors du basculement du
commutateur électrique 13.
Outre les problèmes décrits ci-dessus, un autre inconvénient des dispositifs
de protection
précités utilisant une résistance de limitation 17 est qu'ils ne permettent
pas de charger
le condensateur de stockage 16 à courant constant, la résistance de limitation
17
combinée au condensateur de stockage 16 constituant un circuit RC. Ceci induit
un
vieillissement accéléré du condensateur de stockage. En outre, ceci ne permet
pas de
prédire la valeur d'un courant de défaut en cas de fonctionnement anormal,
celui-ci
pouvant varier en fonction de la résistance équivalente du circuit (tenant
compte des
résistances éventuelles des composants en amont et en aval du dispositif de
protection),
cette incertitude sur le courant de défaut pouvant induire une des risques sur
la protection
des équipements électroniques en aval du dispositif de protection.
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de protection
d'un
équipement électrique permettant de pallier au moins l'un des inconvénients
précités.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention propose un dispositif de protection d'un équipement
électrique
incluant :
- une borne d'entrée destinée à être raccordée électriquement à une source
d'alimentation en énergie électrique,
- une borne de sortie destinée à être raccordée électriquement à l'équipement
électrique,
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remarquable en ce que le dispositif de protection comprend :
- une première branche de limitation de courant incluant une source de
courant
pour produire (i.e. maintenir) un courant électrique constant pour une plage
de
tension donnée,
- une deuxième branche de conduction montée en parallèle de la branche de
limitation,
- une unité de pilotage pour faire basculer le mode de fonctionnement du
dispositif
entre :
o un premier mode de fonctionnement dans lequel le courant électrique issu
de la source d'alimentation en énergie électrique circule à travers la
branche de limitation sans circuler dans la branche de conduction, et
o un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le courant électrique
issu de la source d'alimentation en énergie électrique circule à travers les
branches de limitation et de conduction l'impédance de la branche de
conduction étant inférieure ou égale à 10% de l'impédance de la branche
de limitation dans le deuxième mode de fonctionnement.
Des aspects préférés mais non limitatifs du système selon l'invention sont les
suivants :
- l'unité de pilotage peut être connectée électriquement à la branche de
conduction pour contrôler l'activation et la désactivation de ladite branche
de
conduction de sorte à faire basculer le dispositif entre les premier et
deuxième
mode de fonctionnement, la branche de limitation n'étant pas contrôlée par
l'unité de pilotage ;
- la source de courant peut comprendre un transistor, tel qu'un transistor
JFET ou
un transistor MOSFET :
o le drain du transistor étant connecté à la borne d'entrée, et
o la grille et la source du transistor étant connectées à la borne de
sortie ;
- la source de courant peut comprendre un élément semi-conducteur de
limitation
de courant à deux bornes tel qu'une diode de limitation de courant, par
exemple
en silicium, ou en carbure de silicium, ou en tout autre matériaux semi-
conducteur ;
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- la branche de limitation de courant peut comprendre en outre une
résistance
électrique montée en série avec la source de courant ;
- la branche de conduction peut comprendre un interrupteur commandé comme
un transistor, tel qu'un transistor JFET, un transistor MOSFET (ou un
transistor
5 bipolaire) :
o le drain (ou le collecteur) du transistor étant connecté à la borne
d'entrée,
o la source (ou l'émetteur) du transistor étant connectée à la borne de
sortie,
o la grille (ou la base) du transistor étant connectée à l'unité de
pilotage ;
- l'unité de pilotage peut comprendre :
o un circuit de détection d'une variation de tension en sortie du
dispositif de
protection d'équipement électrique, et/ou
o un circuit de détection d'une variation de courant en sortie du
dispositif de
protection d'équipement électrique ;
- l'unité de pilotage peut comprendre un circuit d'autopolarisation pour
temporiser
l'activation de la branche de conduction ;
- l'unité de pilotage comprend un circuit de commande pour générer un
signal de
blocage de la branche de conduction lorsque la tension et/ou l'intensité en
sortie
du dispositif de protection est supérieure à une valeur seuil ;
- les branches de limitation et de conduction peuvent être intégrées dans un
composant monolithique tel qu'un transistor JFET ou un transistor MOSFET.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres avantages et caractéristiques du système selon l'invention
ressortiront mieux de
la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à
titre d'exemples
non limitatifs, à partir des dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de l'art
antérieur
pour la protection d'une charge,
- La figure 2 est un schéma de principe d'un dispositif de protection de
charge
selon la présente invention,
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- La figure 3 est un schéma de principe d'une première variante de
réalisation du
dispositif de protection de charge la présente invention,
- La figure 4 est un schéma de principe d'une deuxième variante de
réalisation du
dispositif de protection de charge la présente invention,
- La figure 5 est un schéma de principe d'une troisième variante de
réalisation du
dispositif de protection de charge la présente invention
- La figure 6 est un graphique illustrant des courbes de courant en
fonction de la
tension aux bornes d'une branche de limitation de courant incluant :
o une résistance d'une part (courbe 80), et
o une source de courant d'autre part (courbe 81),
- La figure 7 est un graphique illustrant des courbes de courant en
fonction de la
tension aux bornes du dispositif de protection dans
o un premier mode de fonctionnement où le courant circule à travers une
branche de limitation (courbe 82),
o un deuxième mode de fonctionnement où le courant circule
simultanément au travers d'une branche de limitation et d'une branche de
conduction (courbe 83).
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
On va maintenant décrire différents exemples de dispositif de protection de
charge selon
la présente invention en référence aux figures 2 à 5. Dans ces différentes
figures, les
éléments équivalents sont désignés par la même référence numérique.
1. Généralités concernant le dispositif de protection
En référence à la figure 2, le dispositif de protection d'une charge
électrique comprend
une borne d'entrée 31 destinée à être raccordée électriquement en série à une
source
d'alimentation en énergie électrique, et une borne de sortie 32 destinée à
être raccordée
électriquement à une charge électrique à protéger 23.
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Entre les bornes d'entrée 31 et de sortie 32, le dispositif comprend deux
branches ayant
chacune une fonction respective :
- Une première branche 21 ¨ dite branche de limitation de courant ¨
permettant de limiter le courant circulant au travers de la charge 23
lorsqu'une
anomalie de fonctionnement ¨ telle qu'un défaut électrique (par exemple un
court-circuit) ¨ est détectée,
- Une deuxième branche 22 ¨ dite branche de conduction ¨ ayant une
faible
impédance pour limiter la chute de tension aux bornes de la charge 23 lorsque
le courant électrique issu de la source d'alimentation en énergie électrique
25
traverse ladite branche de conduction 22.
Le dispositif comprend également une unité de pilotage 24 pour permettre le
passage du
courant :
- soit au travers de la branche de limitation 21 uniquement selon un
premier mode
de fonctionnement
- soit au travers des branches de limitation et de conduction 21, 22
simultanément
selon un deuxième mode de fonctionnement.
Ainsi, et quel que soit le mode de fonctionnement du dispositif, la branche de
limitation
21 est toujours conductrice électriquement, de sorte que la charge 23 à
protéger est
toujours alimentée, même lors de la transition entre les premier et deuxième
modes de
fonctionnement. La branche de conduction 22 n'est quant à elle conductrice
électriquement que dans le deuxième mode de fonctionnement.
Le premier mode de fonctionnement est avantageusement activé lorsqu'une
anomalie ¨
telle qu'une surcharge de courant ou de tension électrique ¨ est détectée.
Dans la variante de réalisation illustrée à la figure 2, l'unité de pilotage
24 contrôle
uniquement l'activation et la désactivation de la branche de conduction 22, la
branche de
limitation 21 n'étant pas contrôlée par l'unité de pilotage 24. Ceci permet de
simplifier le
montage du dispositif de protection de charge.
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Le dispositif illustré à la figure 2 permet de protéger efficacement la charge
23 d'un circuit
électrique en limitant le courant le traversant lorsqu'une anomalie de
fonctionnement est
détectée.
En effet lorsqu'une anomalie (surintensité et/ou surtension) est détectée,
l'unité de
pilotage 24 contrôle la désactivation de la branche de conduction 22 pour
induire le
passage du courant électrique (généré en amont de la borne d'entrée) à travers
la
branche de limitation 21.
En limitant le courant circulant dans la charge 23 lorsqu'une anomalie est
détectée, le
dispositif de protection illustré à la figure 2 permet de réduire les risques
de dégradation
des composants électriques situés en aval de la borne de sortie.
2. Branche de limitation de courant
La branche de limitation de courant 21 permet de limiter le courant circulant
dans la
charge 23 à une valeur d'intensité cible lorsque le deuxième mode de
fonctionnement du
dispositif est activé. Cette valeur cible est prévue suffisante pour assurer
le bon
fonctionnement de la charge 23.
Avantageusement, la branche de limitation 21 comprend une (ou plusieurs)
source(s) de
courant ¨ en particulier unidirectionnelle(s) ¨ pour permettre le passage du
courant
depuis la borne d'entrée 31 vers la borne de sortie 32. On entend, dans le
cadre de la
présente invention, par source de courant , un (ou plusieurs) composant(s)
électrique(s) agencé(s) de sorte à produire un courant électrique constant
pour une plage
de tension donnée.
Plus précisément et comme illustré à la figure 6 ar la courbe 81, lorsque la
tension V aux
bornes de la branche de limitation 21 est comprise dans une plage de tension
donnée
(en particulier lorsque la tension V est supérieure à +Vum , ou lorsque la
tension V est
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inférieure à -Vum ), la source de courant maintient l'intensité I du
courant à une valeur
constante (en particulier une valeur constante égale à +Lm lorsque V-
FVLIrvi, ou
égale à -Ium lorsque V-Viirvi) en faisant varier son impédance de manière
dynamique.
La variation dynamique de l'impédance de la source de courant correspond ¨
dans le cas
d'une source de courant consistant en un transistor de type JFET normalement
passant
(dit Normally-on ) ¨ au passage d'un mode de conduction linéaire à un mode
de
conduction en régime de saturation. Ceci se produit lorsque la tension aux
bornes du
transistor formant source de courant devient supérieure à une tension de
saturation Vsat
dudit transistor. En régime de saturation l'impédance varie de façon dynamique
avec la
tension de sorte que le courant est maintenu constant. Le fonctionnement est
alors
analogue à celui d'une source de courant qui produit et maintient un courant
constant
quelle que soit la tension à ses bornes.
Le fait que la branche de limitation 21 comprenne une source de courant permet
de
charger un condensateur de stockage 26 (monté en parallèle de la charge 23 à
protéger)
avec un courant constant. Ceci n'est pas possible dans le cas d'une branche de
limitation
incluant une résistance, comme illustré à la figure 6 par la courbe 80. En
effet si la
branche de limitation comprend une résistance, alors le courant I aux bornes
de la
branche de limitation varie linéairement en fonction de la tension V appliquée
à ses
bornes, de sorte qu'un condensateur de stockage disposé en sortie de la
branche de
limitation n'est pas chargé à courant constant.
Dans la variante de réalisation illustrée à la figure 3, la source de courant
comprend un
transistor, tel qu'un transistor JFET ou un transistor MOSFET. Le drain du
transistor est
relié électriquement à la borne d'entrée 31 du dispositif, tandis que la
grille et la source
du transistor sont reliées électriquement à la borne de sortie 32 du
dispositif. L'utilisation
d'un transistor JFET ou MOSFET présente l'avantage de faciliter la mise en
oeuvre du
dispositif.
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En variante, la source de courant peut consister en une diode de limitation de
courant en
carbure de silicium. L'utilisation d'une diode de limitation de courant permet
de
s'affranchir de la présence d'une électronique de commande. En outre, le fait
que la diode
soit en Carbure de Silicium permet de disposer d'un composant apte à supporter
des
5 niveaux d'énergie élevés, de l'ordre de 0.1J à 50J.
Avantageusement, la branche de limitation 21 peut comprendre un (ou plusieurs)
élément(s) résistif(s) de dissipation thermique monté(s) en série avec la
(les) source(s)
de courant. Ceci permet de dissiper une puissance électrique plus importante
par effet
10 Joule en cas de surcharge de courant entre la source en alimentation
électrique 25 et la
charge 23.
3. Branche de conduction
La branche de conduction 22 permet d'assurer la circulation du courant
électrique en
régime permanent. Elle présente de préférence une faible impédance pour
limiter les
chutes de tension aux bornes de la charge 23. Par exemple, l'impédance de la
branche
de conduction 22 peut être inférieure à 1 ohm, préférentiellement inférieure à
0.1 ohm, et
encore plus préférentiellement inférieure à 0.01 ohms.
La branche de conduction 22 peut comprendre un interrupteur commandable par
l'unité
de pilotage 24. Cet interrupteur peut être de tout type connu de l'homme du
métier.
Notamment, l'interrupteur est par exemple un interrupteur mécanique ou un
interrupteur
hybride.
Toutefois l'interrupteur de la branche de conduction 22 doit pouvoir passer
d'un état
fermé à un état ouvert très rapidement après la détection d'une anomalie
(surintensité
et/ou surtension).
C'est pourquoi l'interrupteur de la branche de conduction 22 est de préférence
un
interrupteur statique. Celui-ci présente l'avantage de commuter très
rapidement entre un
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état fermé et un état ouvert (temps de commutation inférieur ou égal à la
centaine de
microsecondes). Un autre avantage de l'utilisation d'un interrupteur statique
est qu'il peut
supporter de fortes tensions et de forts courants.
Dans la variante de réalisation illustrée à la figure 3, l'interrupteur de la
branche de
conduction consiste en un transistor, tel qu'un transistor JFET ou un
transistor MOSFET
(ou un transistor bipolaire):
- le drain (ou le collecteur) du transistor étant connecté à la borne
d'entrée,
- la source (ou l'émetteur) du transistor étant connectée à la borne de
sortie,
- la grille (ou la base) du transistor étant connectée à l'unité de
pilotage.
4. Unité de pilotage
L'unité de pilotage 24 permet de commander l'activation et la désactivation de
la branche
de conduction 22.
Plus précisément, l'unité de pilotage 24 permet d'ouvrir ou de fermer la
branche de
conduction 22 de sorte que le courant circulant dans le dispositif de
protection traverse :
- soit la branche de limitation uniquement selon un premier mode de
fonctionnement représenté par la courbe 82 de la figure 7,
- soit les branches de limitation et de conduction conjointement selon un
deuxième
mode de fonctionnement représenté par la courbe 83 de la figure 7.
De préférence, l'impédance de la branche de conduction 22 est choisie
inférieure ou
égale à 10% de l'impédance de la branche de limitation 21 dans le deuxième
mode de
fonctionnement. Le passage du courant à travers la branche de conduction 22
est ainsi
favorisé dans le deuxième mode de fonctionnement. Ceci permet de limiter les
pertes par
effet Joule lorsque le deuxième mode de fonctionnement du dispositif de
protection est
activé.
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Dans la variante de réalisation illustrée à la figure 3, l'unité de pilotage
24 comprend un
circuit de détection 242 d'une variation de tension en sortie du dispositif de
protection de
charge. En variante ou en combinaison, l'unité de pilotage peut comprendre un
circuit de
détection d'une variation de courant en sortie du dispositif de protection. Ce
(ou ces)
circuit(s) de détection permet(tent) d'identifier une anomalie (surtension
et/ou
surintensité) susceptible d'endommager la charge 23.
Lorsqu'une variation de tension détectée par le circuit de détection 242
dépasse une
tension seuil définie par un composant avalanche D4 tel qu'une diode Zener, un
circuit
de commande 243 de l'unité de pilotage 24 transmet un signal de blocage sur la
grille de
l'interrupteur commandable de la branche de conduction 22.
Ce signal de blocage induit l'ouverture de l'interrupteur commandable de sorte
à
désactiver la branche de conduction 22. Le courant circule alors exclusivement
à travers
la branche de limitation de courant 21.
Lorsque la variation de tension détectée par le circuit de détection 242
devient inférieure
à la tension seuil, le circuit de commande 243 n'émet plus de signal de
blocage.
L'interrupteur commandable revient dans un état passant de sorte à activer la
branche
de conduction 22. Le courant circule alors à la fois à travers la branche de
limitation 21
et la branche de conduction 22.
Avantageusement, l'unité de pilotage 24 peut comprendre un circuit
d'autopolarisation
241 entre le circuit de détection 242 et la grille de l'interrupteur
commandable. Le circuit
d'autopolarisation 241 permet de temporiser la réactivation de l'interrupteur
commandable. Plus précisément, le circuit d'autopolarisation 241 permet de
retarder la
fermeture de l'interrupteur commandable d'un délai non nul correspondant au
temps de
décharge d'un condensateur Cl du circuit d'autopolarisation 241. Ceci permet
de limiter
les risques de dégradation de la charge, notamment dans le cas de surcharges
de
courant de type impulsionnelles.
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On va maintenant décrire le principe de fonctionnement de l'unité de pilotage
24 illustré
à la figure 3 dans le cas d'un montage électrique incluant un condensateur de
stockage
26 tel qu'illustré à la figure 2. Dans ce cas, une surcharge de courant peut
être provoquée
lors de la pré-charge du condensateur de stockage.
Au démarrage de l'équipement électrique 23 à protéger, le condensateur de
stockage 26
provoque un fort appel de courant. Ceci induit l'apparition d'une surcharge de
courant
dans le circuit électrique. Le circuit de détection 242 détecte une variation
de tension aux
bornes de sortie du dispositif de protection de charge. Lorsque cette
variation de tension
devient supérieure à la tension seuil définie par la diode Zener D4, le
circuit de commande
243 transmet un signal de blocage à la grille de l'interrupteur commandable de
la branche
de conduction 22.
Le signal de blocage traverse le circuit d'autopolarisation 241. Le
condensateur Cl du
circuit d'autopolarisation 241 se charge. Simultanément à la charge du
condensateur Cl,
l'application du signal de blocage à la grille induit l'ouverture de
l'interrupteur
commandable : la branche de conduction 22 est désactivée.
Le dispositif de protection de charge fonctionne alors selon son premier mode
de
fonctionnement : la totalité du courant issu de la source d'alimentation en
énergie
électrique 25 est transmis à la charge 23 par l'intermédiaire de la branche de
limitation
21 de sorte que le courant reçu par la charge 23 est limité à la valeur
d'intensité cible
pour protéger la charge 23.
Lorsque le condensateur de stockage 26 est chargé, un régime permanent du
circuit
électrique s'établit. La variation de tension en sortie du dispositif de
protection diminue,
le circuit de détection 242 détectant cette baisse. Lorsque la différence de
tension en
sortie devient inférieure à la tension seuil définie par le composant
avalanche D4, le signal
de blocage s'interrompt.
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Le condensateur Cl du circuit d'autopolarisation 241 se décharge vers la
grille de
l'interrupteur commandable de sorte à maintenir celui-ci dans un état bloqué
quelques
instants. Ceci permet de temporiser la fermeture de l'interrupteur
commandable. Lorsque
le condensateur Cl est déchargé, la grille de l'interrupteur commandable n'est
plus
alimentée. L'interrupteur commandable passe alors d'un état bloqué (i.e.
ouvert) à un état
passant (i.e. fermé).
La branche de conduction 22 est réactivée. Le dispositif de protection de
charge
fonctionne alors selon son deuxième mode de fonctionnement : le courant issu
de la
source d'alimentation en énergie électrique 25 est transmis à la charge 23 par
l'intermédiaire de la branche de limitation 21 d'une part et de la branche de
conduction
22 d'autre part.
En cas de surcharge de courant en régime permanent (par exemple si un choc de
foudre
frappe le circuit électrique), le circuit de détection 242 détecte une
variation de tension
en sortie supérieure à la tension seuil définie par la diode Zener D4. Le
circuit de
commande 243 transmet à la grille de l'interrupteur commandable un signal de
blocage
à travers le circuit d'autopolarisation 241. Ce signal de blocage ouvre
l'interrupteur
commandable pour désactiver la branche de conduction 22.
Le premier mode de fonctionnement est mis en oeuvre. Lorsque la tension en
sortie du
dispositif de protection redevient inférieure à la tension seuil, l'unité de
pilotage 24
commande la réactivation de la branche de conduction 22 comme décrit ci-
dessus.
5. Composant monolithique
Dans une variante de réalisation, les branches de limitation 21 et de
conduction 22
peuvent être intégrées dans un composant unitaire monolithique en silicium ou
en
carbure de silicium (ou un autre matériau semi-conducteur, de préférence à
large bande
.. interdite) tel qu'un transistor JFET ou un transistor MOSFET ou un
transistor bipolaire.
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Ceci permet de limiter l'espace occupé par la deuxième branche, et donc
l'encombrement
du dispositif de protection.
En référence aux figures 4 et 5, on a illustré deux exemples de réalisation
d'un composant
5 monolithique intégrant les branches de limitation 21 et de conduction 22
sur un même
substrat.
En référence à la figure 4, le composant monolithique présente une structure
de type
JFET. Il comprend un substrat 61 commun aux branches de limitation 21 et de
conduction
10 22. La face arrière du substrat 61 dopé de type N comprend une couche
inférieure 62
plus fortement dopée N recouverte d'une couche métallique 63 formant le drain.
La face
avant du substrat 61 comprend des régions enterrées 64 dopées P sur lesquelles
est
disposée une couche supérieure 70 de type N formant un canal latéral des
branches de
limitation 21 et de conduction 22. Sur cette couche supérieure 70 sont
agencées des
15 régions supérieures 68 de type P. Ces régions recouvrent partiellement
la couche
supérieure 70
Au-dessus des régions supérieures 68 et de la couche supérieure 70, des
premières et
deuxièmes électrodes métalliques 65a, 65b sont disposées. Ces premières et
deuxièmes
électrodes 65a, 65b forment une grille de commande de la branche 22 et
définissent les
caractéristiques de la branche 21 de limitation.
Le composant monolithique comprend une première tranchée de séparation pour
définir
les branches de limitation 21 et de conduction 22. Cette première tranchée
s'étend au
travers de la couche supérieure 70 du composant jusqu'aux régions enterrées 64
pour
permettre leur raccordement.
Plus précisément, la première tranchée de séparation s'étend sur une
profondeur au
moins égale à celle de la couche supérieure 70.
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Une couche de matériau isolant électriquement 66 recouvre la première
électrode
métallique 65a formant grille de la branche 21, tandis qu'aucune couche de
matériau
isolant électriquement ne recouvre la deuxième électrode 65b formant grille.
Une couche métallique 67 formant source recouvre l'ensemble de la surface du
composant monolithique. Ainsi :
- la première électrode 65a formant grille est isolée électriquement de la
couche
métallique 67 formant source : ce premier empilement de couches du composant
monolithique constitue la branche de conduction 22 dont la grille (première
électrode) est destinée à être raccordée électriquement à l'unité de pilotage
24,
tandis que le drain 63 et la source 67 sont destinés à être connectés
respectivement à la borne d'entrée 31 et la borne de sortie 32 du dispositif
de
protection de charge ;
-
la deuxième électrode 65b formant grille est en contact électrique avec la
couche
métallique 67 formant source : ce deuxième empilement de couches du
composant monolithique constitue la branche de limitation de courant 21 dont
la
grille 65b et la source 67 sont destinées à être connectées à la borne de
sortie
32 du dispositif de protection de charge, tandis que le drain 63 est destiné à
être
connecté à la borne d'entrée 31 du dispositif.
La particularité du composant monolithique de structure JFET illustré à la
figure 4 est que
la branche de conduction 22 est activée sauf si une tension électrique est
appliquée sur
l'électrode de grille (connu sous l'expression anglo-saxonne NORMALLY ON ),
la
branche de limitation étant activée en permanence.
Le composant monolithique illustré à la figure 5 diffère du composant illustré
à la figure 4
en ce que sa structure est de type MOSFET. La particularité du composant
monolithique
de structure MOSFET illustré à la figure 5 est que la branche de conduction 22
est
désactivée sauf si une tension électrique est appliquée sur l'électrode de
grille, la branche
de limitation étant activée en permanence.
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Il comprend un substrat 73 commun aux branches de limitation 21 et de
conduction 22.
La face arrière du substrat 73 dopé de type N comprend une couche inférieure
72 plus
fortement dopée N recouverte d'une couche métallique 71 formant drain. Le
substrat 73
comprend des premières régions enterrées 74 dopées P au niveau de sa face
supérieure.
La face avant du substrat 73 est recouverte par une couche supérieure 82 de
type N.
La couche supérieure 82 de la branche de conduction 22 comprend :
- des deuxièmes régions enterrées en profondeur 75 plus faiblement dopée P,
et
- des troisièmes régions enterrées superficiellement 76 de type N fortement
dopées.
Le composant monolithique comprend une première tranchée du MOSFET s'étendant
à
travers la couche supérieure 82 jusqu'au substrat 73. Il comprend également
une
quatrième région enterrée 83 de type P dans le fond de la tranchée, la
quatrième région
enterrée 83 et les premières régions enterrées 74 définissant des canaux de
type N dans
le substrat 73.
Le composant monolithique comprend une seconde tranchée de séparation pour
définir
les branches de limitation 21 et de conduction 22. Cette seconde tranchée
s'étend au
travers d'une deuxième zone 76 centrale du composant jusqu'aux premières
régions
enterrées 74 pour permettre leur raccordement.
Plus précisément, la seconde tranchée de séparation s'étend sur une profondeur
au
moins égale à celle de la couche supérieure 82.
Des première et deuxième couches d'oxyde fin 78a et 78b définissant l'oxyde de
grille
des MOSFETs recouvrent partiellement la face supérieure des premières régions
enterrées 74, des deuxièmes zones 76, des quatrièmes régions enterrées 83 et
de la
couche supérieure 82.
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Le composant comprend une première électrode métallique 79 formant la grille
de
commande de la branche 22 sur la première couche 78a.
Une couche de matériau isolant électriquement 80 recouvre la première
électrode
métallique 79 formant grille de la branche 21. Tandis qu'aucune couche de
matériau
isolant électriquement ne recouvre la deuxième couche 78b formant grille du
MOSFET
de la branche de limitation.
Des couches métalliques 77 contactent les premières régions enterrées 74 et
les
deuxièmes zones 76 des branches de limitation et de conduction 21, 22.
Une couche métallique 81 formant source recouvre l'ensemble de la surface du
composant monolithique. Ainsi :
- la première électrode 79 formant grille est isolée électriquement de la
couche
métallique 81 formant source : ce premier empilement de couches du composant
monolithique constitue la branche de conduction 22 dont la grille (première
électrode) est destinée à être raccordée électriquement à l'unité de pilotage
24,
tandis que le drain 71 et la source 81 sont destinés à être connectés
respectivement à la borne d'entrée 31 et la borne de sortie 32 du dispositif
de
protection de charge ;
- la couche 81 recouvre la zone 78b formant grille est en contact électrique
avec
la couche métallique 77 formant source : ce deuxième empilement de couches
du composant monolithique constitue la branche de limitation de courant 21
dont
la source 81 sont destinées à être connectées à la borne de sortie 32 du
dispositif
de protection de charge, tandis que le drain 71 est destiné à être connecté à
la
borne d'entrée 31 du dispositif.
6. Conclusions
Le circuit décrit précédemment est adapté pour une utilisation dans un réseau
électrique
à courant continu ou alternatif. Il permet de protéger des équipements
électriques des
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surcharges de courant susceptibles d'apparaître dans le réseau électrique en
cas de
phase de démarrage de l'équipement à protéger, pré-chargement d'un
condensateur de
stockage ou de choc de foudre.
II peut être utilisé comme une fonction de régulateur de courant, délivrant un
courant
constant à n'importe quelle charge AC ou DC, ou pour détecter et limiter tout
courant
d'appel sur le réseau AC ou DC en cas ou surtension.
Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées
à
l'invention décrite précédemment sans sortir matériellement des nouveaux
enseignements et des avantages décrits ici.
Par conséquent, toutes les modifications de ce type sont destinées à être
incorporées à
l'intérieur de la portée des revendications jointes.
