EP3130077A1 - Système et procédé de génération de hautes puissances pulsées à alimentation unique - Google Patents

Système et procédé de génération de hautes puissances pulsées à alimentation unique

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EP3130077A1
EP3130077A1 EP15741924.3A EP15741924A EP3130077A1 EP 3130077 A1 EP3130077 A1 EP 3130077A1 EP 15741924 A EP15741924 A EP 15741924A EP 3130077 A1 EP3130077 A1 EP 3130077A1
Authority
EP
European Patent Office
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input
generator
pulse
signal
circuit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15741924.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Baptiste CADILHON
Bruno Cassany
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3130077A1 publication Critical patent/EP3130077A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • 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
    • H03K17/689—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 with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit
    • H03K17/691—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 with galvanic isolation between the control circuit and the output circuit using transformer coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/57—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a semiconductor device

Definitions

  • the field of the invention is that of the generation of high power pulsed according to the principle of slow storage of a certain amount of energy and its rapid return.
  • the pulsed high powers find application in different fields.
  • a first field of application is that of pulsed power supplies for lasers, X diodes, magnetrons, electron beams or UV flashes.
  • a second area of application is the generation of electromagnetic waves that are useful in radar or electronic jammers.
  • simulators such as lightning wave simulators, electromagnetic compatibility or electromagnetic launchers.
  • a fourth area concerns the clearance of gases, solids or liquids by pulsed electric field methods, by crown effects or by shock waves, as well as surface treatments.
  • a high voltage pulse generator includes a storage capacitor charged through a resistor by a power source. Once the energy is stored, it is quickly returned to the use via a switch triggered for this purpose.
  • voltage amplifying devices such as for example a Marx generator
  • the principle of a Marx generator consists in charging at an initial voltage V0 n associated capacitors in parallel, and then discharge them after associating them in series by means of switches, so as to apply the voltage n * V0 on the use.
  • Two voltage signals are required for the operation of such a high-voltage pulse generator: one relating to the power supply of the generator for charging the capacitor or capacitors, the other corresponding to a signal of control for triggering the one or more switches for discharging and generating the pulse.
  • PT-55 generator As an example of a commercial generator, mention may be made of the PT-55 generator from Pacific Atlantic Electronics. This generator is associated with an auxiliary module PT-70 which provides a continuous high voltage signal (7kV) via an HV cable and a control signal (250V) through a coaxial cable. It also includes a Nickel 63 radioactive source (encapsulated in a vacuum bulb) for switching electrical energy.
  • auxiliary module PT-70 which provides a continuous high voltage signal (7kV) via an HV cable and a control signal (250V) through a coaxial cable. It also includes a Nickel 63 radioactive source (encapsulated in a vacuum bulb) for switching electrical energy.
  • L3 Communications which uses a thyratron (mercury vapor tube) to produce a high voltage pulse of 50kV.
  • This generator requires a supply of pressurized air to ensure its stability of operation, a mains power cable and a coaxial cable for the control of thyratron triggering.
  • This generator has the disadvantage of a high sensitivity EMC which greatly alters its operation in a disturbed environment.
  • L3 Communications also offers the TG-75 generator that operates at 50kV from the 220V / 50Hz network for its power supply and a control signal provided by an optical fiber.
  • the object of the invention is a high voltage pulse generator which does not have the drawbacks raised, in particular a generator which is simpler to implement in that it can be controlled by a single one. cable. It proposes for this purpose a pulsed power generation system comprising an input for receiving an input pulse and a high pulse generator.
  • a voltage comprising a first input for receiving a signal from the input pulse in a generator charging phase and a second input for receiving a trigger signal of a generator discharge phase, characterized in that it comprises a control circuit connected, on the one hand, to the reception input of the input pulse and, on the other hand, to the second input of the generator, the control circuit being configured to detect the end of the input pulse and to generate a trigger signal upon detection of the end of the input pulse.
  • control circuit comprises a shunt circuit configured to detect a positive or negative portion of the derivative of the input pulse, and a trigger circuit configured to provide said trigger signal upon detection, by the shunt circuit, of a positive or negative part of the derivative of the input pulse;
  • the trigger circuit comprises a capacitor connected on the one hand to the first input of the generator and on the other hand to the second input of the generator via an open switch in the generator charging phase, the closing said switch being controlled following the detection, by the differentiator circuit, of a positive or negative portion of the derivative of the input pulse;
  • said switch is performed through a ferrite pulse transformer arranged between the differentiator circuit and the trigger circuit; it further comprises a voltage booster circuit arranged between the input pulse receiving input and the first input of the generator and configured to provide a continuous high voltage signal at the first input of the generator;
  • the generator comprises at least one switch capable of being triggered upon reception, by the second input of the generator, of the trigger signal of a discharge phase of the generator;
  • the generator comprises a plurality of synchronously triggered switches on receiving, by the second input of the generator, the trigger signal of a discharge phase of the generator;
  • the generator comprises a ferrite pulse transformer comprising a ferrite core traversed by a wire into which the triggering signal of a discharge phase of the generator passes, a plurality of windings being positioned on the toroid, each of the windings being connected to one of the switches;
  • the generator is a Marx generator comprising a plurality of capacitors connected to each other so as to be able to be charged in parallel, and to be discharged in series via switches, it further comprises a low voltage signal source connected to the receiving input of the input signal via a coaxial cable.
  • the invention also relates to a method for generating high power pulsed by means of a high voltage pulse generator comprising a first input for receiving a signal from an input pulse in a charging phase. of the generator and a second input for receiving a trigger signal of a discharge phase of the generator, characterized in that it comprises the steps of detecting the end of the input pulse, and, following detecting the end of the input pulse, generating and supplying to the second input of the generator a trigger signal of the discharge phase.
  • FIG. 1 represents a system for generating pulsed powers according to a possible embodiment of the invention
  • FIG. 2 illustrates a possible embodiment of synchronized triggering of switches that can be implemented in the invention
  • FIGS. 3a and 3b illustrate the dual polarity operation of a Marx generator that can be used in the invention
  • FIGS. 4a and 4b illustrate a high voltage pulse obtained by a generation system according to the invention, according to two different time scales.
  • the invention relates to a system for generating pulsed powers 1, comprising an input E1 for receiving an input pulse Ve and a pulse generator 2.
  • high-voltage signal Vs comprising a first input EA for receiving a signal Vch directly or not from the input pulse Ve in a generator charging phase and a second input ED for receiving a trigger signal Id of a discharge phase of the generator.
  • the input pulse Ve is a low voltage signal typically taking the form of a rectangular pulse.
  • a high voltage pulse Vs at the output of the generator 2 has a voltage of amplitude greater than 1 kV, typically an amplitude of the order of a few tens of kilovolt. This amplitude is adjustable: it depends on the duration and / or the amplitude of the input low voltage pulse, the number of stages that can compose the generator 2 and the charge voltage of each stage.
  • the system 1 can comprise a voltage booster circuit 6 arranged between the reception input E1 of the input pulse, for example in series with an inductance Ls present at the reception input El , and the first input EA of the generator 2.
  • the voltage booster circuit 6 can be configured to supply a high-voltage DC signal to the first input EA of the generator 2. It is for example a DC / DC converter 12V to 1500V.
  • the pulsed power generation system 1 according to the invention furthermore comprises a control circuit 3, 4, 5 connected, on the one hand, to the input input reception input E1, and on the other hand on the second input ED of the generator, the control circuit being configured to detect the end of the input pulse Ve and to generate a trigger signal Id on detection of the end of the input pulse Ve.
  • the control circuit may in particular comprise a differentiator circuit 3 configured to detect a positive or negative part of the derivative of the input pulse, and a trigger circuit 4 configured to provide said trigger signal Id following the detection, by the differentiator circuit 3, a positive or negative part of the derivative of the input pulse.
  • a differentiator circuit 3 configured to detect a positive or negative part of the derivative of the input pulse, and a trigger circuit 4 configured to provide said trigger signal Id following the detection, by the differentiator circuit 3, a positive or negative part of the derivative of the input pulse.
  • the differentiator circuit 3 makes it possible to detect a negative or positive part, respectively, of the derivative of the pulse synonymous with the end of the pulse, that is to say the falling edge, respectively the rising edge, of the rectangular pulse.
  • the triggering circuit 4 may comprise a capacitor C1 connected to the first input EA of the generator, for example via a first resistor RI, and secondly at the second input of the generator ED via a switch Q1 and a second resistor R2.
  • the switch Q.1 is controlled in such a manner as to be open during the charging phase of the generator 2, thus enabling charging of the capacitor C1 via the first resistor R1.
  • the switch Q.1 is moreover controlled to close following the detection, by the differentiator circuit 3, of the end of the input pulse, thus allowing the discharge of the capacitor C1 and the generation a current pulse Id serving as a trigger signal for a discharge phase of the generator 2 delivered to the second input ED of the generator 2.
  • the differentiator circuit 3 may comprise a first generation branch of a control signal of the triggering circuit 3 and a second branch of processing of the input pulse.
  • the second branch derives the input pulse and provides a control signal to the first branch when the derivative is negative.
  • the first branch comprises a series RC circuit consisting of a third resistor R3 and a second capacitor C2, the input of which is connected to the input El of the system 1 to allow the storage of energy in the second capacitor in the presence of a pulse Ve on the input El.
  • the output of the series RC circuit is connected to the ground by means of two MOSFET transistors (second transistor Q.2 and third transistor Q3) connected in series and with polarities opposite, the second transistor Q2 being of type P and the third transistor Q3 being of type N (mounting type push-pull).
  • the midpoint between the transistors Q2, Q3 constitutes the output of the differentiator circuit 3, on which is found, on detection of the end of the input pulse Ve, a signal controlling the closing of the switch Ql of the triggering circuit 4.
  • the gates of the transistors Q2, Q3 are moreover interconnected and at a mid-point between a fourth resistor R4 connected to the output of the circuit RC and a fourth transistor Q4 of type N connected to ground and whose gate is connected to the output of the second branch of the differentiator circuit.
  • the second branch detects that the derivative of the input pulse is positive or zero, no signal is applied to the gate of the fourth transistor Q4 which is therefore blocked.
  • the gates of the second and third transistors Q2, Q3 are then connected to the input E1 via the RC circuit, so that the second transistor Q2 is off while the third transistor Q3 is on.
  • the midpoint between the second transistor Q2 and the third transistor Q3 is then connected to ground.
  • the second branch detects that the derivative of the input pulse is negative, a signal is applied to the gate of the fourth transistor Q4 which is passing.
  • the gates of the second and third transistors Q2, Q3 are connected to ground, with isolation provided by the fourth resistor R4, so that the second transistor Q.2 is on while the third transistor Q.3 is off.
  • the midpoint between the second transistor Q2 and the third transistor Q3 is then connected to the output of the circuit RC and then delivers a pulse corresponding to the discharge of the second capacitor C2.
  • the second processing branch of the input pulse comprises in series between the ground and the input El of the system 1, a capacitor C3 and a parallel connection of a sixth resistor R6 with a fifth resistor R5 in series with a diode D2 whose cathode is directed towards the mass.
  • the signal derived from the signal at the input E1 of the system is found.
  • the cathode of a diode D1 is connected to the midpoint between the diode D2 and the fifth resistor R5.
  • the primary winding L3 of a transformer is connected, on the one hand, to the anode of the diode D1 and, on the other hand, to the ground by means of a seventh resistor.
  • the secondary winding L4 of the transformer is connected, on the one hand, to ground via an eighth resistor R8 and, on the other hand, to the gate of the fourth transistor Q4.
  • This arrangement ensures that the gate of the fourth transistor Q4 is powered only on detecting a negative part of the derivative of the signal at the input El of the system, that is to say during a falling edge of a pulse of entry Ve.
  • the control circuit also comprises a ferrite pulse transformer 5 arranged between the differentiator circuit 3 and the trigger circuit 4.
  • the primary winding L2 of the transformer 5 is connected to the output of the differentiator circuit 3 (midpoint between the second transistor Q2 and the third transistor Q3) and the secondary winding L1 is connected to the first transistor Q1, for example its trigger and its cathode when it takes the form of a thyristor.
  • This solution of using a ferrite core as a pulse transformer to trigger a semiconductor switch can also be used to trigger the switch or switches of the generator 2, in particular, when the generator comprises several switches, to achieve a synchronized triggering of the switches on reception, by the second ED input of the generator 2, of the trigger signal Id of a discharge phase of the generator.
  • a ferrite core 6 is used as a pulse transformer.
  • the primary winding is summed up by a single wire 7 on which passes the current pulse Id serving for the synchronous triggering of the thyristors.
  • Two secondary windings 8, 9 are positioned on the torus, each connected to the gate and to the cathode of one of the thyristors T1, T2.
  • the trigger currents all have the same shape and their amplitude is directly proportional to that of the trigger current pulse Id.
  • the high voltage pulse generator is a Marx generator comprising a plurality of capacitors Ce connected to each other so as to be able to be loaded in parallel, and be discharged in series via switches S1-S4.
  • Such a generator has the advantage that a simple inversion thereof makes it possible to change the polarity of the high output voltage pulse without having to modify that of the input pulse.
  • FIG. 4a and 4b illustrate a high voltage pulse obtained by a system according to the invention, according to two different time scales.
  • FIG. 4a thus illustrates an output pulse Vs of amplitude 30 kV on a resistive load of 2 k ⁇ .
  • FIG. 4b illustrates the rising edge of the pulse of FIG. 4a: it is here 35 ns, with a tripping delay (also designated by the term "jitter”) of the generator 1 less than 5 ns.
  • jitter also designated by the term "jitter”
  • the invention is not limited to the system as previously described but also extends to a method of generating high power pulsed by means of such a system, and in particular to a high power generation method pulsed by means of a high voltage pulse generator comprising a first input for receiving a signal from an input pulse in a generator charging phase and a second input for receiving a signal triggering a discharge phase of the generator, characterized in that it comprises the steps of detecting the end of the input pulse, and, following the detection of the end of the input pulse, generating and supplying to the second input of the generator a trip signal of the discharge phase.
  • the invention offers the following advantages.
  • the pulsed power generation system can be driven by a single 50 ⁇ coaxial cable. This results in a simplicity of implementation, not requiring to bring high voltage on the control-command frame, or to use an auxiliary power supply or connection to the 220V / 50Hz network.
  • stage generator such as a Marx generator
  • the use of a stage generator, such as a Marx generator limits the operating voltage of each stage to a level compatible with the use of low power components at low costs.
  • the output voltage depends on the number of stages, it is theoretically infinite.
  • the triggering of semiconductor switches by ferrite transformers provides both a galvanic isolation of the control circuit and the power circuit (which results in robustness and simplicity of implementation at low cost) and the synchronized triggering of all generator switches.
  • the output voltage is adjustable, for example from 20% to 100%.
  • the system does not use any radioactive source, pressurized gas, or cooling system. It presents no constraints in terms of EMC.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

L'invention porte sur un système de génération de puissances pulsées (1), comprenant une entrée (EI) pour la réception d'une impulsion (Ve) d'entrée et un générateur (2) d'impulsions de haute tension (Vs) comprenant une première entrée (EA) pour la réception d'un signal (Vch) issu de l'impulsion d'entrée dans une phase de charge du générateur et une seconde entrée (ED) pour la réception d'un signal de déclenchement (Id) d'une phase de décharge du générateur, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande (3, 4, 5) relié, d'une part, à l'entrée (EI) de réception de l'impulsion d'entrée et, d'autre part, à la seconde entrée (ED) du générateur, le circuit de commande étant configuré pour générer un signal de déclenchement (Id) sur détection de la fin de l'impulsion d'entrée (Ve).

Description

SYSTÈME ET PROCÉDÉ DE GÉNÉRATION DE HAUTES PUISSANCES PULSÉES À
ALIMENTATION UNIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui de la génération de hautes puissances puisées selon le principe de stockage lent d'une certaine quantité d'énergie et de sa restitution rapide.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les hautes puissances puisées trouvent application dans différents domaines. Un premier domaine d'application est celui des alimentations puisées pour les lasers, les diodes X, les magnétrons, les faisceaux d'électrons ou les flashes UV. Un deuxième domaine d'application porte sur la génération d'ondes électromagnétiques qui trouvent leur utilité dans les radars ou les brouilleurs électroniques. Un autre domaine d'application est celui simulateurs, tels que les simulateurs d'onde foudre, de compatibilité électromagnétique ou les lanceurs électromagnétiques. Et un quatrième domaine concerne la dépollution des gaz, des solides ou des liquides par des méthodes de champs électriques puisés, par effets couronnes ou par ondes de choc, ainsi que les traitements de surface.
D'une manière générale, un générateur d'impulsions de haute tension comprend un condensateur de stockage chargé au travers d'une résistance par une source d'alimentation. Une fois l'énergie stockée, elle est rapidement restituée vers l'utilisation par l'intermédiaire d'un commutateur déclenché à cet effet.
Lorsque les amplitudes des tensions requises en sortie sont plus élevées que celles délivrées par l'alimentation, des dispositifs amplificateurs de tension, comme par exemple un générateur de Marx, peuvent être utilisées. Le principe d'un générateur de Marx consiste à charger à une tension initiale V0 n condensateurs associés en parallèle, puis à les décharger après les avoir associer en série au moyen de commutateurs, de façon à appliquer la tension n*V0 sur l'utilisation.
Deux signaux de tension sont nécessaires au fonctionnement d'un tel générateur d'impulsions de haute tension : l'un relatif à l'alimentation en énergie électrique du générateur pour réaliser la charge du ou des condensateurs, l'autre correspondant à un signal de commande permettant de déclencher le ou les commutateurs pour réaliser la décharge et générer l'impulsion.
A titre d'exemple de générateur du commerce, on peut citer le générateur PT-55 de la société Pacific Atlantic Electronics. Ce générateur est associé à un module annexe PT-70 qui fournit un signal continu haute tension (7kV) par le biais d'un câble HT et un signal de commande (250V) par le biais d'un câble coaxial. Il comporte par ailleurs une source radioactive de Nickel 63 (encapsulée dans une ampoule sous vide) pour réaliser la commutation de l'énergie électrique.
On peut également citer le générateur 40168 de la société L3 Communications qui utilise un thyratron (tube à vapeur de mercure) pour réaliser une impulsion haute tension de 50kV. Ce générateur nécessite un approvisionnement en air sous pression pour assurer sa stabilité de fonctionnement, un câble d'alimentation secteur et un câble coaxial pour la commande du déclenchement du thyratron. Ce générateur présente l'inconvénient d'une grande sensibilité CEM qui altère fortement son fonctionnement en environnement perturbé. La société L3 Communications propose également le générateur TG-75 qui fonctionne à 50kV à partir du réseau 220V/50Hz pour son alimentation et d'un signal de commande fourni par une fibre optique.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif un générateur d'impulsions de haute tension qui ne présente pas les inconvénients suscités, en particulier un générateur plus simple à mettre en œuvre en ce qu'il peut être piloté par un seul et unique câble. Elle propose pour ce faire un système de génération de puissances puisées, comprenant une entrée pour la réception d'une impulsion d'entrée et un générateur d'impulsions de haute tension comprenant une première entrée pour la réception d'un signal issu de l'impulsion d'entrée dans une phase de charge du générateur et une seconde entrée pour la réception d'un signal de déclenchement d'une phase de décharge du générateur, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande relié, d'une part, à l'entrée de réception de l'impulsion d'entrée et, d'autre part, à la seconde entrée du générateur, le circuit de commande étant configuré pour détecter la fin de l'impulsion d'entrée et pour générer un signal de déclenchement sur détection de la fin de l'impulsion d'entrée.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce système sont les suivants :
le circuit de commande comprend un circuit dérivateur configuré pour détecter une partie positive ou négative de la dérivée de l'impulsion d'entrée, et un circuit déclencheur configuré pour fournir ledit signal de déclenchement suite à la détection, par le circuit dérivateur, d'une partie positive ou négative de la dérivée de l'impulsion d'entrée ;
le circuit déclencheur comprend un condensateur relié, d'une part à la première entrée du générateur, et, d'autre part, à la seconde entrée du générateur par l'intermédiaire d'un commutateur ouvert en phase de charge du générateur, la fermeture dudit commutateur étant commandée suite à la détection, par le circuit dérivateur, d'une partie positive ou négative de la dérivée de l'impulsion d'entrée ;
la fermeture dudit commutateur est réalisée au travers d'un transformateur d'impulsions à ferrite agencé entre le circuit dérivateur et le circuit déclencheur ; il comprend en outre un circuit élévateur de tension agencé entre l'entrée de réception de l'impulsion d'entrée et la première entrée du générateur et configuré pour fournir un signal haute tension continu à la première entrée du générateur ; le générateur comprend au moins un commutateur apte à être déclenché sur réception, par la seconde entrée du générateur, du signal de déclenchement d'une phase de décharge du générateur ; le générateur comprend une pluralité de commutateurs à déclenchement synchronisé sur réception, par la seconde entrée du générateur, du signal de déclenchement d'une phase de décharge du générateur ;
le générateur comporte un transformateur d'impulsions à ferrite comprenant un tore de ferrite traversé par un fil dans lequel transite le signal de déclenchement d'une phase de décharge du générateur, une pluralité d'enroulements étant positionnée sur le tore, chacun des enroulements étant relié à l'un des commutateurs ;
le générateur est un générateur de Marx comprenant une pluralité de condensateurs connectés entre eux de manière à pouvoir être chargés en parallèle, et être déchargés en série par l'intermédiaire de commutateurs, il comprend en outre une source de signal basse tension reliée à l'entrée de réception du signal d'entrée par l'intermédiaire d'un câble coaxial.
L'invention porte également sur un procédé de génération de hautes puissances puisées au moyen d'un générateur d'impulsions de haute tension comprenant une première entrée pour la réception d'un signal issu d'une impulsion d'entrée dans une phase de charge du générateur et une seconde entrée pour la réception d'un signal de déclenchement d'une phase de décharge du générateur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à détecter la fin de l'impulsion d'entrée, et, suite à la détection de la fin de l'impulsion d'entrée, à générer et fournir à la seconde entrée du générateur un signal de déclenchement de la phase de décharge.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un système de génération de puissances puisées selon un mode de réalisation possible de l'invention ; - la figure 2 illustre un mode de réalisation possible d'un déclenchement synchronisé de commutateurs pouvant être mis en œuvre dans l'invention ;
- les figures 3a et 3b illustrent le fonctionnement en double polarité d'un générateur de Marx pouvant être utilisé dans l'invention ;
- les figures 4a et 4b illustrent une impulsion haute tension obtenue par un système de génération selon l'invention, selon deux échelles temporelles différentes.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence à la figure 1, l'invention porte sur un système de génération de puissances puisées 1, comprenant une entrée El pour la réception d'une impulsion d'entrée Ve et un générateur 2 d'impulsions de haute tension Vs comprenant une première entrée EA pour la réception d'un signal Vch issu directement ou non de l'impulsion d'entrée Ve dans une phase de charge du générateur et une seconde entrée ED pour la réception d'un signal de déclenchement Id d'une phase de décharge du générateur.
L'impulsion d'entrée Ve est un signal basse tension prenant typiquement la forme d'une impulsion rectangulaire.
Une impulsion haute tension Vs en sortie du générateur 2 présente une tension d'amplitude supérieure à 1 kV, typiquement une amplitude de l'ordre de quelques dizaines de kilovolt. Cette amplitude est réglable : elle dépend de la durée et/ou de l'amplitude de l'impulsion basse tension d'entrée, du nombre d'étages pouvant composer le générateur 2 et de la tension de charge de chaque étage.
En référence à la figure 1, le système 1 peut comporter un circuit élévateur de tension 6 agencé entre l'entrée de réception El de l'impulsion d'entrée, par exemple en série avec une inductance Ls présente à l'entrée de réception El, et la première entrée EA du générateur 2. Le circuit élévateur de tension 6 peut être configuré pour fournir un signal haute tension continu à la première entrée EA du générateur 2. Il s'agit par exemple d'un convertisseur DC/DC 12V vers 1500V. Le système de génération de puissances puisées 1 selon l'invention comprend par ailleurs un circuit de commande 3, 4, 5 relié, d'une part, à l'entrée El de réception de l'impulsion d'entrée et, d'autre part, à la seconde entrée ED du générateur, le circuit de commande étant configuré pour détecter la fin de l'impulsion d'entrée Ve et pour générer un signal de déclenchement Id sur détection de la fin de l'impulsion d'entrée Ve.
Ainsi, les deux signaux de tension nécessaires au fonctionnement du générateur 2, c'est à dire à la charge du ou des condensateurs et au déclenchement du ou des commutateurs, sont issus d'un même signal d'entrée, l'impulsion d'entrée Ve, et peuvent ainsi être véhiculés jusqu'au système selon l'invention, par exemple depuis une source de signal basse tension, par l'intermédiaire d'un seul câble, notamment par un unique câble coaxial basse tension, par exemple un câble coaxial 50 Ω.
Le circuit de commande peut en particulier comprendre un circuit dérivateur 3 configuré pour détecter une partie positive ou négative de la dérivée de l'impulsion d'entrée, et un circuit déclencheur 4 configuré pour fournir ledit signal de déclenchement Id suite à la détection, par le circuit dérivateur 3, d'une partie positive ou négative de la dérivée de l'impulsion d'entrée. Prenant l'exemple d'une impulsion rectangulaire positive, respectivement négative, le circuit dérivateur 3 permet de détecter une partie négative, respectivement positive, de la dérivée de l'impulsion synonyme de fin de l'impulsion, c'est-à-dire le front descendant, respectivement le front montant, de l'impulsion rectangulaire.
Comme représenté sur la figure 1, le circuit déclencheur 4 peut comprendre un condensateur Cl relié, d'une part à la première entrée EA du générateur, par exemple par l'intermédiaire d'une première résistance RI, et, d'autre part, à la seconde entrée du générateur ED par l'intermédiaire d'un commutateur Ql et d'une deuxième résistance R2. Le commutateur Q.1 est commandé de telle manière à être ouvert lors de la phase de charge du générateur 2, permettant ainsi la charge du condensateur Cl via la première résistance RI. Le commutateur Q.1 est par ailleurs commandé pour se fermer suite à la détection, par le circuit dérivateur 3, de la fin de l'impulsion d'entrée, permettant alors la décharge du condensateur Cl et la génération d'une impulsion de courant Id servant de signal de déclenchement d'une phase de décharge du générateur 2 délivré à la deuxième entrée ED du générateur 2.
Comme également représenté sur la figure 1, le circuit dérivateur 3 peut comprendre une première branche de génération d'un signal de commande du circuit déclencheur 3 et une seconde branche de traitement de l'impulsion d'entrée. La seconde branche permet de dériver l'impulsion d'entrée et de fournir un signal de commande à la première branche lorsque la dérivée est négative.
Plus précisément, la première branche comprend un circuit RC série constitué d'une troisième résistance R3 et d'un deuxième condensateur C2, dont l'entrée est reliée à l'entrée El du système 1 pour permettre le stockage d'énergie dans le deuxième condensateur en présence d'une impulsion Ve sur l'entrée El. La sortie du circuit RC série est reliée à la masse par l'intermédiaire de deux transistors MOSFET (deuxième transistor Q.2 et troisième transistor Q3) montés en série et de polarités opposées, le deuxième transistor Q2 étant de type P et le troisième transistor Q3 étant de type N (montage de type « push-pull »).
Le point milieu entre les transistors Q2, Q3 constitue la sortie du circuit dérivateur 3, sur laquelle on retrouve, sur détection de la fin de l'impulsion d'entrée Ve, un signal commandant la fermeture du commutateur Ql du circuit déclencheur 4.
Les grilles des transistors Q2, Q3 sont par ailleurs reliées entre elles et à un point milieu entre une quatrième résistance R4 reliée à la sortie du circuit RC et un quatrième transistor Q4 de type N relié à la masse et dont la grille est reliée à la sortie de la seconde branche du circuit dérivateur.
Lorsque la seconde branche détecte que la dérivée de l'impulsion d'entrée est positive ou nulle, aucun signal n'est appliqué sur la grille du quatrième transistor Q4 qui est donc bloqué. Les grilles des deuxième et troisième transistors Q2, Q3 sont alors reliées à l'entrée El via le circuit RC, de sorte que le deuxième transistor Q2 est bloqué tandis que le troisième transistor Q3 est passant. Le point milieu entre le deuxième transistor Q2 et le troisième transistor Q3 est alors relié à la masse.
Lorsque la seconde branche détecte que la dérivée de l'impulsion d'entrée est négative, un signal est appliqué sur la grille du quatrième transistor Q4 qui est donc passant. Les grilles des deuxième et troisième transistors Q2, Q3 sont reliées à la masse, avec une isolation assurée par la quatrième résistance R4, de sorte que le deuxième transistor Q.2 est passant tandis que le troisième transistor Q.3 est bloqué. Le point milieu entre le deuxième transistor Q2 et le troisième transistor Q3 est alors relié à la sortie du circuit RC et délivre alors une impulsion correspondant à la décharge du deuxième condensateur C2.
La seconde branche de traitement de l'impulsion d'entrée comprend en série entre la masse et l'entrée El du système 1, un condensateur C3 et un montage parallèle d'une sixième résistance R6 avec une cinquième résistance R5 en série avec une diode D2 dont la cathode est dirigée vers la masse. On retrouve aux bornes du montage parallèle le signal dérivé du signal à l'entrée El du système. La cathode d'une diode Dl est reliée au point milieu entre la diode D2 et la cinquième résistance R5. L'enroulement primaire L3 d'un transformateur est relié, d'une part, à l'anode de la diode Dl et, d'autre part, à la masse par l'intermédiaire d'une septième résistance. L'enroulement secondaire L4 du transformateur est relié, d'une part, à la masse par l'intermédiaire d'une huitième résistance R8 et, d'autre part, à la grille du quatrième transistor Q4. Ce montage assure que la grille du quatrième transistor Q4 est alimentée uniquement sur détection d'une partie négative de la dérivée du signal à l'entrée El du système, c'est-à-dire lors d'un front descendant d'une impulsion d'entrée Ve.
Le circuit de commande comporte par ailleurs un transformateur d'impulsions à ferrite 5 agencé entre le circuit dérivateur 3 et le circuit déclencheur 4. L'enroulement primaire L2 du transformateur 5 est relié à la sortie du circuit dérivateur 3 (point milieu entre le deuxième transistor Q2 et le troisième transistor Q3) et l'enroulement secondaire Ll est relié au premier transistor Ql, par exemple à sa gâchette et à sa cathode lorsque celui-ci prend la forme d'un thyristor.
Cette solution consistant à utiliser un tore de ferrite comme transformateur d'impulsions pour déclencher un commutateur à semi-conducteurs peut également être utilisée pour le déclenchement du ou des commutateurs du générateur 2, notamment, lorsque le générateur comprend plusieurs commutateurs, pour réaliser un déclenchement synchronisé des commutateurs sur réception, par la seconde entrée ED du générateur 2, du signal de déclenchement Id d'une phase de décharge du générateur.
En référence à la figure 2 représentant deux thyristors Tl, T2, un tore de ferrite 6 est utilisé comme transformateur d'impulsions. L'enroulement primaire se résume à un fil unique 7 sur lequel transite l'impulsion de courant Id servant au déclenchement synchrone des thyristors. Deux enroulements secondaires 8, 9 sont positionnés sur le tore, chacun connecté à la gâchette et à la cathode de l'un des thyristors Tl, T2. Dans cette configuration, les courants de gâchette ont tous la même forme et leur amplitude est directement proportionnelle à celle de l'impulsion de courant Id de déclenchement.
Dans un mode de réalisation possible de l'invention, et en référence aux figures 3a et 3b, le générateur d'impulsions haute tension est un générateur de Marx comprenant une pluralité de condensateurs Ce connectés entre eux de manière à pouvoir être chargés en parallèle, et être déchargés en série par l'intermédiaire de commutateurs S1-S4.
Un tel générateur présente l'avantage qu'une simple inversion de celui- ci permet de changer la polarité de l'impulsion haute tension de sortie sans avoir à modifier celle de l'impulsion d'entrée. Lorsque l'alimentation Vch d'un générateur de Marx est réalisée entre les bornes C et D comme représenté sur la figure 3a, le signal de sortie est négatif. Lorsque l'alimentation Vch est réalisée entre les points A et B comme représenté sur la figure 3b, le signal de sortie est positif.
Les figures 4a et 4b illustrent une impulsion haute tension obtenue par un système selon l'invention, selon deux échelles temporelles différentes. La figure 4a illustre ainsi une impulsion de sortie Vs d'amplitude 30 kV sur une charge résistive de 2 kQ. La figure 4b illustre le front de montée de l'impulsion de la figure 4a : il est ici de 35 ns, avec un délai de déclenchement (également désigné par le terme de « jitter ») du générateur 1 inférieur à 5 ns.
L'invention n'est pas limitée au système tel que précédemment décrit mais s'étend également à un procédé de génération de hautes puissances puisées au moyen d'un tel système, et notamment à un procédé de génération de hautes puissances puisées au moyen d'un générateur d'impulsions de haute tension comprenant une première entrée pour la réception d'un signal issu d'une impulsion d'entrée dans une phase de charge du générateur et une seconde entrée pour la réception d'un signal de déclenchement d'une phase de décharge du générateur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à détecter la fin de l'impulsion d'entrée, et, suite à la détection de la fin de l'impulsion d'entrée, à générer et fournir à la seconde entrée du générateur un signal de déclenchement de la phase de décharge.
L'invention offre les avantages suivants.
Le système de génération de puissances puisées peut être piloté par un seul et unique câble coaxial 50Ω. Il en découle une simplicité de mise en œuvre, ne nécessitant pas de ramener de haute tension sur le bâti de contrôle-commande, ni d'avoir recours à une alimentation annexe ou d'une connexion au réseau 220V/50Hz.
L'utilisation d'un générateur à étages, comme par exemple un générateur de Marx, permet de limiter la tension de fonctionnement de chaque étage à un niveau compatible avec l'utilisation de composants faibles puissances à faibles coûts. La tension de sortie dépendant du nombre d'étages, elle est en théorie infinie.
Le déclenchement des commutateurs à semi-conducteurs par transformateurs à ferrite assure à la fois une isolation galvanique du circuit de commande et du circuit de puissance (ce qui se traduit par de la robustesse et une simplicité de mise en œuvre à faible coût) et le déclenchement synchronisé de tous les commutateurs du générateur.
La tension de sortie est réglable, par exemple de 20% à 100%.
Le système n'utilise ni source radioactive, ni gaz sous pression, ni système de refroidissement. Il ne présente aucune contrainte en termes de CEM.
Son encombrement est en outre réduit, par exemple deux cartes de
250*200*50 mm.
Il est en outre auto-suffisant, en ce qu'il ne nécessite aucune alimentation BT ou HT, hormis le signal d'entrée basse tension.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de génération de puissances puisées (1), comprenant une entrée (El) pour la réception d'une impulsion (Ve) d'entrée et un générateur (2) d'impulsions de haute tension (Vs) comprenant une première entrée (EA) pour la réception d'un signal (Vch) issu de l'impulsion d'entrée dans une phase de charge du générateur et une seconde entrée (ED) pour la réception d'un signal de déclenchement (Id) d'une phase de décharge du générateur, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de commande (3, 4, 5) relié, d'une part, à l'entrée (El) de réception de l'impulsion d'entrée et, d'autre part, à la seconde entrée (ED) du générateur, le circuit de commande étant configuré pour détecter la fin de l'impulsion d'entrée (Ve) et pour générer un signal de déclenchement (Id) sur détection de la fin de l'impulsion d'entrée (Ve).
2. Système selon la revendication 1, dans lequel le circuit de commande comprend un circuit dérivateur (3) configuré pour détecter une partie positive ou négative de la dérivée de l'impulsion d'entrée, et un circuit déclencheur (4) configuré pour fournir ledit signal de déclenchement suite à la détection, par le circuit dérivateur, d'une partie positive ou négative de la dérivée de l'impulsion d'entrée (Ve).
3. Système selon la revendication 2, dans lequel le circuit déclencheur (4) comprend un condensateur (Cl) relié, d'une part à la première entrée (EA) du générateur, et, d'autre part, à la seconde entrée du générateur (ED) par l'intermédiaire d'un commutateur (Q.1) ouvert en phase de charge du générateur, la fermeture dudit commutateur étant commandée suite à la détection, par le circuit dérivateur (3), d'une partie positive ou négative de la dérivée de l'impulsion d'entrée (Ve).
4. Système selon la revendication 3, dans lequel la fermeture dudit commutateur (Q.1) est réalisée au travers d'un transformateur d'impulsions à ferrite (5) agencé entre le circuit dérivateur (3) et le circuit déclencheur (4).
5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant en outre un circuit élévateur de tension (6) agencé entre l'entrée de réception (El) de l'impulsion d'entrée et la première entrée (EA) du générateur et configuré pour fournir un signal haute tension continu à la première entrée du générateur.
6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le générateur comprend au moins un commutateur apte à être déclenché sur réception, par la seconde entrée du générateur, du signal de déclenchement d'une phase de décharge du générateur.
7. Système selon la revendication 6, dans lequel le générateur comprend une pluralité de commutateurs à déclenchement synchronisé sur réception, par la seconde entrée du générateur, du signal de déclenchement d'une phase de décharge du générateur.
8. Système selon la revendication 7, dans lequel le générateur comporte un transformateur d'impulsions à ferrite comprenant un tore de ferrite traversé par un fil dans lequel transite le signal de déclenchement d'une phase de décharge du générateur, une pluralité d'enroulements étant positionnée sur le tore, chacun des enroulements étant relié à l'un des commutateurs.
9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le générateur est un générateur de Marx comprenant une pluralité de condensateurs connectés entre eux de manière à pouvoir être chargés en parallèle, et être déchargés en série par l'intermédiaire de commutateurs.
10. Système selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant en outre une source de signal basse tension reliée à l'entrée de réception du signal d'entrée par l'intermédiaire d'un câble coaxial.
11. Procédé de génération de hautes puissances puisées au moyen d'un générateur d'impulsions de haute tension comprenant une première entrée pour la réception d'un signal issu d'une impulsion d'entrée dans une phase de charge du générateur et une seconde entrée pour la réception d'un signal de déclenchement d'une phase de décharge du générateur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à détecter la fin de l'impulsion d'entrée, et, suite à la détection de la fin de l'impulsion d'entrée, à générer et fournir à la seconde entrée du générateur un signal de déclenchement de la phase de décharge.
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