Brevet FR2558315A1 — publié le 19850719

ESD Aff. 299 Dispositif électronique amplificateur d'impulsions isolé, en particulier pour sortie en haute tension. L'invention concerne un dispositif électronique amplifica- teur d'impulsions isolé, en particulier pour sortie en haute tension. Le problème s'est posé à la Demanderesse de concevoir un tel appareil qui soit d'une part de faible encombrement, tout en possédant une isolation suffisante pour tenir sous une diffé- rence de potentiel de plusieurs milliers de volts entre l'en- trée et la sortie, et d'autre part de hautes performances, en ce qui concerne son gain, la largeur de bande couverte par les impulsions en signaux rectangulaires admissibles à l'en- trée, et le temps de réponse. Ces impératifs sont technique- ment contradictoires entre eux. La présente invention vient cependant apporter des éléments de solution, qui permettent de réaliser un dispositif de faible encombrement et de hautes performances. Le dispositif proposé est du type comprenant un étage basse tension d'entrée relié par transformateurs à un étaqe haute tension de sortie. Selon un premier aspect de l'invention, il comporte un trans- formateur central à un primaire et deux secondaires bobinés en sens inverse, et deux transformateurs extrêmes possédant chacun un primaire et un secondaire; l'étage basse tension d'entrée comprend un amplificateur d'entrée dont la sortie attaque à travers un différentiateur le primaire du transformateur cen- tral, tout en actionnant, selon sa polarité, l'un ou l'autre de deux oscillateurs respectivement connectés aux primaires des deux transfnrmateurs extrêmes; l'étage de sortie comprend deux commutateurs, dans un montage série symétrique autour d'un point milieu; enfin, chacun des commutateurs est commandé à travers un circuit de mise en forme par l'un, respectif, des secondaires du transformateur central et par le secondaire de l'un, respectif, des transformateurs d'extrémité. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif est réa- lisé en circuit hybride sur substrat céramique, dans un bol- tier également en céramique, étanche, et placé sous atmosphère neutre, de préférence sous atmosphère d'azote sèche. Selon un troisième aspect de l'invention, lesdits transforma- teurs sont réalisés par sériqraphie de bobinages sur support céramique, avec interposition de couches isolantes entre primai- res et secondaires. Selon encore un autre aspect de l'invention, les commutateurs sont formés de puces de transistors de puissance, de préférence de technologie MOS FET, et ces puces sont montées sur des dis- ques de cuivre, à leur tour brasés sur le bottier de céramique. On peut ainsi obtenir un faible encombrement, avec une bonne dissipation thermique, une excellente isolation électrique, ainsi que de hautes performances, le boîtier étant entièrement en céramique, avec étanchéité au niveau de son couvercle et de ses broches d'entrée ainsi que de sortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa- raîtront à l'examen de la description détaillée qui va suivre, et des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est le schéma électrique de principe d'un dispositif selon la présente invention; - la figure 2 est le schéma géométrique interne d'un boîtier de céramique susceptible de comporter le circuit de la figure 1 en technologie de circuit hybride; - la figure 3 est une vue semblable à la figure 2, mais retournée; - les figures 4 à 8 sont des vues correspondant au boîtier de la figure 3; la figure 4 est une coupe longitudinale, la figure 5 une vue de droite, la figure 6 une vue de gauche, tandis que les figures 7 et 8 sont respectivement une vue latérale et une vue de dessous du couvercle; les figures 9A et 9B sont des schémas illustrant comment on peut sérigraphier un enroulement sur un substrat céra- mique; et - la figure 10 illustre schématiquement la structure générale de l'un des éléments de transformateur du circuit de la figure 1, réalisé en technologie hybride. Sur la figure 1, le circuit électrique reçoit deux connexions d'alimentation V+ et V-, dont les tensions sont par exemple de 10 volts. Il s'y ajoute une borne de masse par rapport à laquelle est définie l'alimentation symétrique, et deux bornes d'entrée de signal, qui sont complémentaires (logiquement), et sont notées l'une E et l'autre E L'alimentation ainsi réalisée s'applique au circuit d'entrée 1, qui est relié par un ensemble de transformateurs 3 au circuit de sortie 5. Celui-ci est destiné à fonctionner sous alimentation externe en haute tension. Il comporte trois bornes de liaison P, R et Q. la dernière borne Q étant susceptible d'être dédoublée en Q'. L'alimentation se fait entre P et Q'. Le point R commute entre P et Q', comme on le verra plus loin. Le circuit d'entrée 1 comporte un amplificateur 1Q dont la résistance d'entrée 11 est montée entre les entrées différen- tielles de cet amplificateur 10 pour recevoir les signaux d'entrée E et E. Les tensions V+ et V- alimentent cet ampli- ficateur 10, ainsi que deux montages oscillateurs 25 et 23 opérant par exemple à 650 kHz, sous le contrôle d'une entrée de commande respective qui est fournie par la sortie de l'amplificateur 10. Ainsi, la tension V+ est appliquée à l'armature positive d'un condensateur 26, en même temps qu'à une borne de l'oscilla- teur 25. La tension V- est appliquée à l'armature négative d'un condensateur 24, ainsi qu'à une borne de l'oscillateur 23. Les autres bornes des deux condensateurs 24 et 26 sont respectivement reliées à la masse. La sortie de l'amplificateur 10 est encore reliée à un monta- ge différentiateur, qui comprend une résistance 13 en paral- lèle vers la masse, précédée d'une capacité 12, et suivie de l'enroulement primaire 30, dont l'inductance contribue à la différentiation. Cet enroulement primaire 30 du transformateur central est couplé aux deux enroulements secondaires 31 et 32. De leur côté, les deux oscillateurs 23 et 25 excitent respectivement et en alternance les enroulements primaires 33 et 35 de deux autres transformateurs, placés aux extré- mités, et dont les secondaires sont notés 34 et 36. Lorsque, dans le signal rectangulaire d'entrée, la diffé- rence de potentiel entre les bornes d'entrée E et E change de sens, cette transition,amplifiée en 10, donne dans le différentiateur une impulsion qui est transmise avec conser- vation de son sens, aux bornes de l'enroulement primaire 30. Si l'impulsion est positive, c'est-à-dire que la tension en E es supérieure à la tension en E, on trouvera une impulsion positive aux bornes du secondaire 31, et une impulsion néga- tive aux bornes du secondaire 32. Ceci est illustré, de ma- nière conventionnelle, par des points accompagnant chaque enroulement pour indiquer son sens de bobinage. Si l'impul- sion d'entrée est négative, les rôles des secondaires 31 et 32 sont inverses. D'un autre côté, si la tension en E est supérieure à la tension en E, l'oscillateur 25 est mis en fonction. Dans le cas contraire, c'est l'oscillateur 23 qui est mis en fonction. L'oscillateur 25 produit donc un signal à 650 kHz qui se retrouve dans le même sens aux bornes dc l'enroulement secon- daire 36, la tension étant ainsi développée entre l'anode d'une diode 55 et un point de référence que ce secondaire 36 possède en commun avec le secondaire 31. De son côté, la tension développée aux bornes du secondaire 31 est également appliquée par l'anode d'une diode 51 à un cir- cuit de mise en forme 53, relié également à la cathode de la diode 55. Le circuit de mise en forme 53 commande un commuta- teur 61. Le circuit commandé de ce commutateur est branché en- tre le point Q' et un point 67. On remarque à ce niveau que le point Q' peut être relié au point Q soit directement, soit à travers un condensateur 68. Par ailleurs, le point de référence des bobinages 31 et 36 est relié au point 67. Celui-ri est ensuite relié par une résis- tance 66 à un point médian noté R. Une résistance 65 relie à son tour ce point médian à une borne du circuit commandé du second commutateur 62. L'autre borne 64 du circuit comandé du coemu- tateur 62 est reliée au point P. Ce montage est connu dans la technique sous le nanom de 'totem pole', la sortie étant en R. Enfin, le point P est relié par un condensateur de découplage noté 63, au point Q. Il est rappelé que la différence de potentiel entre le point Q et la masse du circuit d'entrée peut être de plusieurs milliers de volts. De son coté, l'am- plitude de la modulation présente en sortie entre les points P et Q' est de plusieurs centaines de volts. Comme précédemment, l'enroulement secondaire 32 possède un point chaud relié à l'anode d'une diode 52 dont la cathode est reliée à un circuit de mise en forme 54 actionnant le second commutateur 62. L'autre extrémité du secondaire 32 forme un point de référence relié au point P, ainsi qu'à une borne du secondaire 34. L'autre borne du secondaire 34 est reliée à l'anode d'une diode 56 dont la cathode est égale- ment reliée à l'entrée du circuit de mise en forme 54. On remarque par ailleurs que les enroulements 33 et 34 sont bobinés en sens inverse, alors que les enroulements 35 et 36 sont bobinés dans le même sens. Ceci tient compte d'une réalisation particulière des oscillateurs 23 et 25. Le fonctionnement du circuit est le suivant: - Au moment d'une transition qui fait passer la différence de potentiel entre les points E et E des valeurs négatives aux valeurs positives, une impulsion apparaît dans l'enroulement primaire 30. Les deux enroulements secondaires 31 et 32 sont alors sujets à des impulsions de sens opposés. L'impulsion du secondaire 31 va exciter le circuit de mise en forme 53 pour faire conduire le commutateur 61. Inverse- ment, l'impulsion du secondaire 32 va agir pour empêcher toute conduction du commutateur 62. On assure ainsi une transition très rapide de l'état antérieur, o le commu- tateur 62 était conducteur et le commutateur 61 bloqué à l'état ultérieur o le commutateur 61 devient conducteur tandis que le commutateur 62 est bloqué. En même temps que s'est produite l'impulsion qui vient d'être décrite, l'oscillateur 25 s'est mis en fonction. Son signal de sortie va traverser le transformateur formé du primaire 35 et du secondaire 36. Le signal de sortie est redressé par la diode 55, pour être appliqué au circuit de mise en forme 53. Ce signal complémentaire vient continuer la mise en conduction du commutateur 61. En effet, comme on le verra plus loin, ce commutateur 61 est avantageusement de technologie MOS FET, qui est très rapide. Sa capacité d'entrée tend à se décharger au bout d'un certain temps. Le signal tiré de l'oscillateur 25 va donc contribuer à entretenir la conduction du premier commu- tateur 61. On suppose maintenant qu'une impulsion négative se produit, c'est-à-dire que la différence de potentiel entre les-points E et E devient rapidement fortement négative. Comme précédem- ment, le transformateur central va maintenant intervenir, par son enroulement secondaire 32, pour mettre en conduction le commutateur 62, et par son secondaire 31 pour bloquer le com- mutateur 61. Après cette première mise en conduction du commu- tateur 62, l'état conducteur de ce dernier est entretenu par l'oscillateur 23 qui s'est entre-temps mis en fonctionnement, aussitôt après l'impulsion négative. Les problèmes critiques dans le circuit qui vient d'être dé- crit sont l'isolation au niveau des transformateurs, et l'éva- cuation de l'énergie dissipée dans les commutateurs 61 et 62. La Demanderesse a observé que la réalisation de ce circuit sous forme de technologie hybride, permet d'obtenir le faible encombrement, ainsi que les hautes performances précitées. La Demanderesse a réussi à intégrer le circuit de la figure 1 dans un bottier de céramique tel qu'illustré schématiquement sur la figure 2. On y retrouve les bornes d'entrée et de sortie qui ne seront pas décrites à nouveau. Elles traversent les pa- rois latérales 70 du bottier On notera simplement sur la fi- gure 2 les emplacements Pl. P3 et P5 pour les parties 1, 3 et du schéma électrique de la figure 1. Tout cela est situé à l'intérieur de la paroi latérale 70 du boîtier céramique,lequel est désigné dans son ensemble par la référence 7. Enfin, dans la partie P5, on note encore les creux discoldaux P61 et P62, qui servent à loger les dispositifs thermiquement reliés aux commutateurs 61 et 62 pour former des puits thermiques pour ceux-ci. La figure 3 reprend le même schéma que la figure 2, mais retourné bout pour bout, afin de mieux correspondre aux figures 4, 5 et 6. On y voit en outre un bloc supplémentaire d'alumine Al 3, collé au- dessus du vide central P3 dans lequel sont logés des pots de ferrite qui forment les transformateurs de la partie 3 du circuit électronique. De leur côté, les creux circulaires P61 et P62 reçoivent chacun un bloc de cuivre en forme de disque tel que PC61. A son tour, le bloc de cuivre vient recevoir, par brassage, le substrat de la puce du commutateur concerné, puce qui est notée ici PP61 pour le commutateur 61. Un dispositif pourvu de tels blocs de cuivre a donné satisfac- tion, pourvu que le contact entre le bloc de cuivre PC61 et l'alumine constituant le reste du boîtier 7 soit excellent sur toute sa surface de contact. On décrira ci-après l'obtention de contacts de bonne qualité. Il convient d'observer au préalable, que, du côté des bornes de haute tension P, Q, R, sont prévus des organes 79-1 et 79-1 permettant la fixation d'un connecteur. Par ailleurs, au-dessus du boîtier 7 va venir un couvercle en alumine 71, surmonté d'un capot métallique qui déborde latéralement en 73, pour venir en regard de la face métallisée correspondante 74 présente au dessus de la paroi latérale 70 du boîtier 7. - Il s'est avéré possible de réaliser le boîtier céramique de manière satisfaisante en réalisant un brasage total de la céramique, en son état nu. Ce brasage total intéresse à la fois tous les plots de cuivre, PC61 et PC62, toutes les broches d'entrée et de sortie P, Q, Q', R ainsi que V- , V+, E, E et M, ainsi que le cadre en,Dvar qui sert à la fermeture. Un outillage est réalisé pour maintenir sous une pression pré- déterminée l'anneau de Kovar, les broches d'entrée et de sortie, avec les préformes de brasure associées, ainsi que les plots de cuivre, avec la préforme de brasure associée. L'ensemble est placé dans un four à la température de brasure habituelle, et sous une atmosphère neutre contenant de l'hydro- gène. Les déformations qui peuvent être apparues après ce passage au four sont alors corrigées par réusinage mécanique du bottier céramique d'alumine. Une technique de base pour la brasure est décrite dans le brevet français publié sous le numéro 2 217 290. Après cette préparation, ou séparément, on procède à la fabri- cation des transformateurs, que l'on décrira maintenant briè- vement en référence aux figures 9A, 9B et 10. La figure 9A illustre comment on peut réaliser un bobinage sous forme d'une ligne sérigraphiée en couche épaisse sur un support d'alumine A13. Le bobinage est illustré en 81, et com- porte trois tours. Son extrémité centrale s'arrête en 83. A ce niveau (figure 9B), le bobinage est relié à un trou de tra- versée 83, pour rejoindre à un niveau supérieur sa liaison de sortie 82. On a ainsi réalisé un bobinage sérigraphie, très mince, entre les deux lignes 81 et 82. Une couche diélectrique est bien entendu déposée entre les niveaux 81 et 82. La Demanderesse a observé que l'on pouvait de cette manière faire non seulement le dépôt par sérigraphie des encres conduc- trices ou des organes isolants tels que la couche 85, qui est par exemple du verre, mais aussi le dépôt de plusieurs épais- seurs d'un verre propre à une isolation électrique poussée. Ainsi, sur la figure 10, on distingue en 78 une plaque métal- lique mince posée au fond de la cavité P3,fond- sur lequel elle est fixée. Sur cette plaque 78 est fixé un pot de ferrite FP, à travers lequel passe l'un des bras de la pièce d'alumine A13, qui est en forme générale de E. Le bras est ici supposé découpé comme illustré sur la figure 9A. Sur ce bras A13 est déposé un premier enroulement, comme illustré à propos de la figure 9A. Ensuite sont déposées par-dessus une pluralité de couches de verre, typiquement six à huit couches d'un verre sérigraphiables, visibles en 90 et formant l'épaisseur voulue pour l'isolation électrique. Enfin, encore au-dessus, on dépose comme précédemment un ensemble de couches 95 dans lesquelles sont sérigraphiées les épaisseurs d'isolant et les couches conductrices qui permettent la réalisation d'un en- roulement secondaire entre les bornes 91 et 92. De façon a priori inattendue, il s'est avéré que ce montage pouvait parfaitement tenir les tensions nécessaires pour per- mettre une différence de potentiel entre la masse de l'entrée et la masse de la sortie qui aille jusqu'à plusieurs milliers de volts. Trois pots de ferrite tels que celui illustré schématiquement sur la figure 10 sont donc placés dans le logement P3, respec- tivement autour des trois bras de la pièce de céramique AI3. Ces trois pots permettent la réalisation des trois transforma- teurs illustrés sur la figure 1. De leur côté, les puces des commutateurs 61 et 62 sont brasées sur les blocs de cuivre tels que PC61 et PC62 (non représenté). La réalisation du circuit d'entrée 1 en technologie hybride est considérée comme accessible à l'homme de l'art. Il en est de même pour le circuit de sortie 5, o seuls les commutateurs 61 et 62 posent un problème technologiquedifficile, dont la solution vient d'être donnée. Après implantation des éléments supplémentaires correspondant aux emplacements P1 et P5, on procède à la fermeture du bottier à l'aide de son couvercle-- 7-. Le boîti-er---est --en son intérieur mis sous une atmosphère d'azote sèche, c'est-à-dire contenant moins de 3000 ppm d'eau. l Le circuit ainsi obteniu a pu donner les caractéristiques voulues en termes d'isolation à haute tension, réjection de mode commun, gain, temps de réponse, largeur de bande, le tout avec un fonctionnement thermique satisfaisant. Par exemple, on a pu ainsi obtenir, pour un signal d'entrée de l'ordre du volt, un signal de sortie de 400 volts, rappor- té à une masse d'environ 4000 volts. Le dispositif fonction- ne en signaux rectangulaires de facteur de forme variable avec une. fréquence de récurrence allant jusqu'à l'ordre de grandeur de MHz, pour un temps de réponse de quelques dizaines de nanosecondes. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et s'étend à toute variante con- forme à son esprit. Revendications. 1. Dispositif amplificateur d'impulsions isolé, en particu- lier pour sortie en haute tension, comprenant un étage basse tension d'entrée (1) relié par transformateurs (3) à un étage haute tension de sortie (5), caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur central à un primaire (30) et deux secondaires (31,32) bobinés en sens inverse, et deux transfor- mateurs extrêmes possédant chacun un primaire (33,35) et un secondaire (34,36), en ce que l'étage basse tension d'entrée (1) comprend un amplificateur d'entrée (10) dont la sortie attaque à travers un différentiateur (12713) le primaire (30) du transformateur central, tout en actionnant, selon sa pola- rité, l'un ou l'autre de deux oscillateurs (23,25) respecti- vement connectés aux primaires (33,35) des deux transforma- teurs extrêmes, en ce que l'étage de sortie comprend deux commutateurs (61,62) dans un montage série symétrique autour d'un point milieu (R, 65, 66) et en ce que chacun (61;62) des commutateurs est commandé à travers un circuit de mise en forme (53;54) par l'un, respectif (31;32) des secondaires du transformateur central, et par le secondaire (36;34) de l'un, respectif, des transformateurs d'extrémité. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé en circuit hybride sur substrat céramique, dans un bolitier également en céramique, étanche, et placé sous atmosphère neutre. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits transformateurs (3) sont réalisés par sérigraphie de bobinages sur support céramique, avec interposition de cou- ches isolantes entre primaires et secondaires. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, carac- térisé en ce que les puces des transistors de puissan- ce (61,62) formant les commutateurs sont montés sur des disques de cuivre, à leur tour brasés sur le bottier de céramique. j. Dispositif selon leune des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le boitier contient une atmosphère d'azote sèche. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce que les commutateurs (61,62) sont faits de transistors de technologie MOS FET.