Brevet FR2553601A1 — publié le 19850419

Générateur d'impulsions de haute tension pour un générateur de plasma basse température La présente invention concerne un générateur d'impulsions de haute tension qui, destiné à un générateur de plasma basse température dont la(les) paire(s) d'électrodes montée(s) dans une chambre de réaction est (sont) alimentée(s) avec des impulsions de haute tension, est équipé d'une source de tension, d'un dispositif d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie comportant un côté primaire et un côté secondaire, et d'un interrupteur commandé fonctionnant à haute vitesse. Des générateurs d'impulsions de haute tension de ce genre sont utilisés dans différents buts, par exemple pour alimenter les électrodes d'un générateur de plasma basse température ou d'un séparateur électrostatique. L'invention a trait particulièrement à un générateur d'impulsions de haute tension pour un générateur de plasma basse temperature. Comme on le sait, de tels générateurs de plasma contiennent une chambre de réaction enfermée par des parois et dans laquelle plusieurs électrodes ou tubes sont disposés d'une manière déterminée. Aux électrodes sont appliquées des impulsions de haute tension de sorte que le gaz ou le mélange gazeux guidé entre les électrodes est au moins partiellement transformé en plasma. I1 s'agit à présent de rendre le rendement d'un tel générateur de plasma maximal, c'est-à-dire que l'on cherche par exemple à produire une quantité déterminée de plasma en dépensant le moins possible d'énergie. De plus, le montage nécessaire pour produire les impulsions de haute tension ne doit pas être trop coûteux. I1 est connu que le rendement d'un générateur de plasma peut être amélioré en rendant les impulsions de haute tension extremement courtes. Différents générateurs d'impulsions de haute tension sont déjà connus. Dans la demande de brevet allemand publiée nO 3 232 841 sont décrits différents montages pour générateurs d'impulsions de haute tension. Un générateur d'impulsions connu comprend une source de haute tension à courant continu, laquelle alimente par l'intermédiaire d'une résistance de limitation de courant un circuit de formation d'impulsions réalisé sous forme de condensateur. Dans ce cas le condensateur est monté en parallèle avec la source de tension. A la borne de jonction entre le circuit de formation d'impulsions et la résistance de limitation de courant est connecté un éclateur avec la charge reliée à celui-ci. Lorsque la tension appliquée au condensateur atteint une valeur correspondant à la tension de claquage de l'éclateur, il se produit un processus de décharge. Lors de ce processus de décharge, il passe cependant du courant à travers la résistance de limitation de courant,de sorte que ce générateur d'impulsions de haute tension connu ne peut fonctionner qu'avec un rendement très faible. Pour améliorer le rendement d'un générateur d'impulsions de haute tension, il est proposé dans ladite demande de brevet allemand publiée n" 3 232 841 de prévoir en tant que source de tension une source de tension alternative à laquelle est relié un transformateur. En parallèle avec l'enroulement secondaire du transformateur est monté le circuit de formation d'impulsions réalisé sous forme de condensateur. Entre l'une des électrodes du condensateur et l'une des bornes de l'enroulement secondaire se trouve une diode.Entre ladite électrode du condensateur et la diode est connecté un interrupteur fonctionnant à haute vitesse, réalisé par exemple en tant que thyristor et qui, lorsque la tension de charge appliquée au condensateur atteint une valeur déterminée, est amené à l'état ouvert par une commande extérieure, de sorte que la tension de charge peut s'écouler vers la charge. La diode redresseuse permet d'éviter que le courant ne circule en retour par l'enroulement secondaire du transformateur et ne réduise ainsi le rendement du montage. Etant donné qu'en particulier dans le cas de générateurs de plasma il faut des impulsions d'une très grande amplitude de tension, l'interrupteur fonctionnant à haute vitesse est soumis à des charges extrêmement fortes dans le cas du générateur d'impulsions de haute tension connu, puisqu'il doit transmettre la haute tension tout entière à la charge connectée. Il est évident que des charges aussi fortes appliquées à l'interrupteur à haute vitesse ont pour effet de rendre le montage très sujet à des incidents. L'invention a pour but de créer un générateur d'impulsions de haute tension du genre précité mais qui assure un haut rendement en ce qui concerne le fonctionnement du générateur de plasma et se distingue en outre par le fait d'être peu sujet à des incidents. Il s'agit en outre pour le générateur d'impulsions de pouvoir etre fabriqué à bas prix sur le plan du montage. Ce but est atteint selon l'invention par le fait que la source de tension est une source de courant continu à basse tension à la sortie de laquelle est connecté par l'intermédiaire de l'interrupteur fonctionnant à haute vitesse le côté primaire du dispositif d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie, et que le coté secondaire du dispositif d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie est connecté à la (aux) paire(s) d'électrodes. L'invention permet d'obtenir qu'à la paire ou aux paires d'électrodes dans la chambre de réaction du générateur de plasma soient amenées des impulsions de haute tension extrêmement courtes et d'une amplitude extremement importante. L'avantage du générateur d'impulsions de haute tension selon l'invention réside cependant, en comparaison de l'état actuel de la technique décrit plus haut, en ce que l'interrupteur fonctionnant à haute vitesse n'est plus appelé à commuter la haute tension mais seulement à laisser passer la tension faible de la source de courant à basse tension. Alors que dans la technique antérieure il fallait utiliser un interrupteur de puissance coûteux et sujet à des incidents, dans le cas du montage selon l'invention il suffit de prévoir un composant relativement bon marché et néanmoins fiable.Alors que dans la technique antérieure l'ouverture de l'interrupteur fonctionnant à haute vitesse se réalise lorsque la demi-onde alimentant le condensateur servant de circuit de formation d'impulsions a atteint une valeur d'amplitude déterminée, dans le montage selon l'invention l'ouverture peut presque sans restriction avoir lieu à l'instant le plus favorable, puisque la source d'énergie utilisée est une source de courant à basse tension. Ceci offre la possibilité de commander l'ouverture de l'interrupteur à fonctionnement très rapide durant des laps de temps et à des intervalles de temps tels que pratiquement des impulsions de haute tension de toute amplitude voulue se succédant dans le temps d'une manière voulue quelconque puissent être produites. L'amplitude des impulsions de haute tension peut être aisément modifiée en faisant varier la valeur de la tension continue basse. Des développements avantageux de l'invention sont définis plus loin. A cet égard, le dispositif d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie peut être par exemple un transformateur, c'est-à-dire un composant relativement bon marché. Du fait que l'interrupteur à haute vitesse est commandé spécialement avec une source de signaux de fréquence variable, on peut obtenir que la succession d'impulsions de haute tension soit adaptée au besoin en plasma. En tant qu'interrupteur à haute vitesse peuvent être utilisés des composants connus en soi et à cet égard il convient d'employer de préférence un transistor à effet de champ ou un thyristor. Dans le premier cas, les impulsions de commande délivrées par la source de signaux de fréquence sont appliquées à la porte du transistor à effet de champ, de sorte que le trajet drain-source de ce dernier transmet l'énergie de la source de courant continu au dispositif d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie. Dans le second cas les signaux de commande sont appliqués à l'électrode d'amorçage du thyristor, de sorte que le thyristor devient conducteur durant des laps de temps correspondants.Etant donné que le désamorçage, c'est-à-dire le blocage, du thyristor n'est possible que lorsque la tension appliquée à celui-ci devient pratiquement nulle, la source de courant à basse tension est dans ce cas réalisée avec un condensateur qui se décharge lors de chaque processus d'amorçage du thyristor. Lorsque la tension du condensateur descend au-dessous d'une valeur déterminée r le thyristor est désamorcé. C'est une pratique courante que de prévoir dans une chambre de réaction plusieurs paires d'électrodes afin de produire du plasma en plusieurs endroits. Si les impulsions de haute tension sont amenées simultanément à toutes les paires d'électrodes, il risque de se produire des oscillations mécaniques dans le générateur de plasma en raison de phénomènes de résonance. Selon une forme de réalisation particuliere de l'invention, il est prévu que dans le cas d'un tel agencement les paires d'électrodes soient alimentées séparément en impulsions de haute tension, ces impulsions étant alors appliquées à des instants différents. Des oscillations mécaniques peuvent ainsi être évitées ou du moins amorties. Des exemples de réalisation de l'invention sont expliqués plus en détail ci-dessous à l'aide des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente une forme de réalisation d'un générateur d'impulsions de haute tension pour un générateur de plasma à basse température ; et la figure 2 représente une autre forme de réalisation d'un générateur d'impulsions de haute tension. Le générateur d'impulsions de haute tension représenté sur la figure 1 possède une source de courant continu à basse tension qui peut etre constituée de manière connue en soi par un montage redresseur à courant triphasé auquel est relié un condensateur. Sur l'une des- électrodes du condensateur est prélevée une tension continue par exemple de 15 V qui est appliquée à un interrupteur fonctionnant à haute vitesse. Dans le présent exemple de réalisation,. l'interrupteur 2 fonctionnant à haute vitesse est réalisé sous la forme d'un transistor à effet de champ à canal N du type à enrichissement et comporte de manière connue une connexion de drain, une connexion de source et une connexion de porte. Ces connexions sont désignées sur la figure 1 respectivement par D, S et G. L'homme de l'art se rend compte que la connexion de drain D est reliée par exemple à la sortie de la source 1 de courant continu à basse tension et que la connexion de source S délivre le signal de sortie de l'interrupteur à haute vitesse, c'est-à-dire que ce signal est transmis par le trajet drain-source. Le transistor 2 s'ouvre de manière connue lorsqu'un signal de commande d'un potentiel déterminé est applique à sa connexion de porte G. Dans le présent exemple de réalisation, ce signal de commande est produit par un générateur de signaux de fréquence 3. Le générateur de signaux de fréquence 3 est un montage connu en soi et produit des impulsions d'une largeur et d'une durée de période prédéterminées. Ces impulsions sont appliquées à la connexion de porte du transistor à effet de champ 2. Le signal basse tension que le transistor à effet de champ 2 laisse ainsi passer parvient à la borne de la bobine primaire d'un dispositif 4 d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie réalisé en l'occurrence en tant qu'équipement à bobines d'induction . Cet équipement à bobines d'induction comporte une bobine primaire et une bobine secondaire. L'utilisation d'un tel dispositif d'emmagasinage et de transfert d'énergie est particulière- ment avantageuse dans le cas d'un générateur d'impulsions de haute tension du genre en question. A la bobine secondaire de l'équipement à bobines d'induction est reliée une paire d'électrodes d'un générateur de plasma basse température 8. Des générateurs de plasma de ce genre sont connus en soi et n'ont pas besoin d'être décrits en détail dans le cadre de l'invention. Le montage selon la figure I fonctionne comme suit. Selon le réglage du générateur 3 d'impulsions de commande réalisé en l'occurrence en tant que générateur de signaux de fréquence variable des impulsions de commande sont délivrées à des intervalles de temps déterminés à la connexion de porte du transistor à effet de champ 2 de sorte que celui-ci transmet de l'énergie de la source de courant continu 1 à la bobine primaire de 1 1équipement à bobines d'induction 5. Du fait de l'excitation de la bobine primaire, il s'établit un champ magnétique qui s'effondre après le blocage du transistor à effet de champ 2. Il en résulte aux bornes de la bobine primaire une tension d'environ 600 V, de sorte que du côté secondaire une impulsion de tension d'une amplitude d'environ 60 kV est induite. Cette impulsion de haute tension arrive au générateur de plasma basse température. Il est à noter que la quantité d'énergie emmagasinée entretemps dans le champ magnétique peut être variée en modifiant la largeur des impulsions de commande et/ou l'amplitude de la tension continue d'alimentation. La figure 2 montre une forme de réalisation modifiée de l'invention. Les éléments constitutifs 1, 3 et 8 sont les mêmes que ceux de la figure 1 et n'ont donc pas besoin d'être décrits à nouveau. A la différence de la forme de réalisation de la figure lf l'interrupteur fonctionnant à haute vitesse est ici réalisé sous la forme d'un thyristor 2' présentant une anode A, une cathode K et une électrode d'amorçage G. Si à partir du générateur 3 de signaux de fréquence une impulsion de commande (impulsion d'amorçage) est délivrée à l'électrode d'amorçage G, alors le thyristor devient conducteur,de sorte que de l'énergie est amenée à partir de la source 1 de courant continu au dispositif 4' d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie, lequel dispositif comporte en l'occurrence une inductance 6 et une capacité 7.Alors que dans l'exemple de réalisation de la figure 1 l'énergie est emmagasinée dans un champ magnétique, selon la figure 2 elle est emmagasinée dans un champ électrique. Le'mode de fonctionnement de la forme de réalisation de la figure 2 est analogue à celui décrit ci-dessus à propos de la figure 1. Si le générateur de plasma basse température contient plusieurs paires d'électrodes, il est de préférence prévu pour chaque paire d'électrodes un générateur d'impulsions de haute tension séparé. Plusieurs paires d'électrodes peuvent également être réunies en groupes, chaque groupe étant alors alimenté à partir d'un générateur d'impulsions de haute tension séparé. A la différence des formes de réalisation décrites ci-dessus, le thyristor 2' de la figure 2 peut évidemment être subsitué au transistor à effet de champ 2 de la figure 1 et l'équipement à bobines d'induction de la figure 1 peut par exemple également être utilisé dans le cas de l'agencement de la figure 2. Le dispositif d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie peut également être réalisé sous forme de transformateur. REVENDICATIONS 1 - Générateur d'impulsions de haute tension destiné à un générateur de plasma basse température, dont la (les) paire(s) d'électrodes disposée(s) dans une chambre de réaction est (sont) alimentée(s) en impuls-ions de haute tension, et équipé d'une source de tension, d'un dispositif d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie comportant un côté primaire et un côté secondaire, et d'un interrupteur commandé fonctionnant à haute vitesse, caractérisé en ce que la source de tension est une source (1) de courant continu à basse tension à la sortie de laquelle est relié par l'intermédiaire de l'interrupteur (2, 2') fonctionnant à haute vitesse le coté primaire du dispositif (4, 5, 4', 6, 7) d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie, et en ce que le côté secondaire du dispositif d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie est relié à la (aux) paire(s) d'électrodes. 2 - Générateur d'impulsions de haute tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie est un équipement à bobines d'induction, notamment un transformateur (5). 3 - Générateur d'impulsions de haute tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (4') d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie est constitué par une inductance (6) et une capacité (7). 4 - Générateur d'impulsions de haute tension selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'interrupteur à haute vitesse (2, 2') est commandé par une source (3) de signaux de fréquence, en particulier une source de signaux de fréquence variable. 5 - Générateur d'impulsions de haute tension selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'interrupteur fonctionnant à haute vitesse est un transistor, notamment un transistor à effet de champ (2) ou un thyristor (2'), en particulier un thyristor GTO (à blocage par la gâchette). 6 - Générateur d'impulsions de haute tension selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le cas d'un générateur de plasma équipé de plusieurs paires d'électrodes disposées dans la chambre de réaction, il est prévu pour différentes paires d'électrodes ou du moins pour différents groupes de paires d'électrodes des dispositifs d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie séparés munis d'interrupteurs à haute vitesse respectifs. 7 - Générateur d'impulsions de haute tension selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité d'énergie alimentant le dispositif d'emmagasinage intermédiaire et de transfert d'énergie et, par suite, également l'amplitude des impulsions de haute tension, sont réglables.