FR3019700A1

FR3019700A1 - Systeme et procede de generation de hautes puissances pulsees a alimentation unique

Info

Publication number: FR3019700A1
Application number: FR1453100A
Authority: FR
Inventors: Baptiste Cadilhon; Bruno Cassany
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2015-10-09
Anticipated expiration: 2034-04-08
Also published as: US10097085B2; US20170033686A1; WO2015155148A1; FR3019700B1; EP3130077A1

Abstract

L'invention porte sur un système de génération de puissances pulsées (1), comprenant une entrée (E1) 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 (ld) 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 générer un signal de déclenchement (ld) 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 pulsées 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 pulsées trouvent application dans différents domaines. Un premier domaine d'application est celui des alimentations pulsées 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 pulsés, 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 VO n condensateurs associés en parallèle, 2 3019700 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 5 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 10 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 15 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 20 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 25 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 oeuvre en ce qu'il peut être piloté par un seul et unique câble. Elle propose pour ce faire un système de génération de puissances pulsées tel que décrit ci-après.

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 pulsées 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 oeuvre 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 pulsées 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 pulsées 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 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 0. 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. R1, et, d'autre part, à la seconde entrée du générateur ED par l'intermédiaire d'un commutateur 01 et d'une deuxième résistance R2. Le commutateur 01 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 Rl. Le commutateur 01 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 Q2 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 01 du circuit déclencheur 4. 6 3019700 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 Ni relié à la masse et dont la grille est reliée à la sortie de la seconde branche du circuit dérivateur. 5 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 10 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 15 deuxième transistor Q2 est passant tandis que le troisième transistor Q3 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 20 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 D1 est reliée au point milieu entre la diode D2 et la cinquième résistance R5. L'enroulement 25 primaire L3 d'un transformateur est relié, d'une part, à l'anode de la diode D1 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 7 3019700 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. 5 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 L1 est relié au premier transistor Q1, 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 10 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. 15 En référence à la figure 2 représentant deux thyristors T1, 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 20 T1, 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 25 comprenant une pluralité de condensateurs Cc 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 8 3019700 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 5 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 ka 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. 10 L'invention n'est pas limitée au système tel que précédemment décrit mais s'étend également à un procédé de génération de hautes puissances pulsées au moyen d'un tel système, et notamment à un procédé de génération de hautes puissances pulsées 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 15 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. 20 L'invention offre les avantages suivants. Le système de génération de puissances pulsées peut être piloté par un seul et unique câble coaxial 500. Il en découle une simplicité de mise en oeuvre, 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. 25 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 30 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 oeuvre 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

REVENDICATIONS1. Système de génération de puissances pulsées (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 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) configurée 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 (C1) 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 (Q1) ouvert en phase de charge du générateur, la fermeture dudit commutateur étant commandée suite à la détection, par le circuit dérivateur f3), 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 (01) est réalisée au travers d'un transformateur d'impulsions à ferrite (5) agencé entre le circuit dérivateur (3) et le circuit déclencheur (4).30
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, un 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 1à 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 pulsées au moyen d'un générateur d'impulsions de haute tension comprenant une première entrée pour laréception 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.