Brevet FR2638304A1 — publié le 19900427

Générateur d'impulsions de haute tension et de fronts rapides La présente invention concerne un générateur d'impulsions de haute tension, et de fronts rapides. Ce générateur peut être utilisé, par exemple, dans le domaine des lasers et celui des caméras électroniques à très grande rapidité d'ouverture. I1 est connu de réaliser des générateurs d'impulsions de haute tension par exemple au moyen d'une chaine de condensateurs se chargeant chacun à une tension donnée. Les condensateurs sont connectés en série par l'interné- diaire d'interrupteurs. Ils sont chargés en parallèle, à la tension donnée, les interrupteurs étant ouverts.La fermeture simultanée de tous les interrupteurs de la chaine permet de recueillir entre le dernier condensateur et la masse de référence, une impulsion de haute tension dont l'amplitude est égale à la somme des amplitudes des tensions dè charge de chaque condensateur de la chaine. Ces interrupteurs, pour obtenir une grande rapidité de réponse, peuvent être d'un type électronique, par exemple constitués par des transistors fonctionnant en régime d'avalanche, de manière à supporter des tensions élevées. Pendant la charge des condensateurs, le transistor est bloqué et correspond à un interrupteur ouvert. Dès qu'il reçoit une impulsion de commande, le transistor est débloqué et permet la décharge très rapide du condensateur qui lui correspond, ce qui donne une impulsion à front de montée très rapide.Un dispositif connu consiste donc en une chaine de condensateurs connectés en série et séparés par des transistors fonctionnant en régime d'avalanche et jouant le rôle d'interrupteurs. Le déblocage des transistors est effectué au moyen d'une impulsion de commande parvenant au primaire d'un transformateur d'impulsions à enroulements secondaires multiples. Chaque enroulement secondaire est connecté au transistor qui lui correspond dans la chaine et l'impulsions de commande qui parvient à cet enroulement débloque le transistor correspondant. Sur le dernier transistor de la channe, une impulsion de haute tension est alors recueillie. L'inconvénient d'une telle disposition réside dans le fait qu'il est impossible de choisir de façon optimale les éléments du circuit afin d'obtenir une impulsion de front bref à la sortie du dispositif. Le choix du transformateur d'impulsions est particulièrement délicat et généralement son temps de réponse est élevé. De plus, l'ordre dans lequel déclenchent les transistors de la channe recevant une impulsion de commande, n'est pas contrôlé et des limitations technologiques apparaissent dans le choix du nombre de ces transistors, les derniers éléments de la channe étant portés par rapport à la masse de référence, à une tension dépendant de ce nombre. Des problèmes se posent pour la tenue en tension des éléments et les risques d'amorçage d'arc électrique entre les éléments du dispositif et la masse existent. Dans une demande de brevet français nO 7119072 un générateur d'impulsions de haute tension, et de front rapide comporte, une chaine de transistors connectés en série de manière à fonctionner en régime d'avalanche, l'émetteur de chaque transistor de ladite chaine étant porté à un premier potentiel fixe de référence, le collecteur de ce transistor étant porté à un deuxième potentiel fixe, d'amplitude supérieure à celle dudit premier potentiel, le collecteur d'un transistor de ladite channe étant connecté à l'émetteur du transistor qui le suit, par l'intermédiaire d'un condensateur, un transformateur d'attaque dont le primaire reçoit une impulsion d'attaque et dont le secondaire possède des enroulements multiples, chaque enroulement du secondaire étant connecté entre la base et l'émetteur du transistor correspondant de ladite chaine, l'impulsion de haute tension étant recueillie à l'extrémité de chaque chaine, à travers ledit condensateur connecté au collecteur du dernier transistor de cette chaine, le primaire dudit transformateur étant une ligne de transmission. Un tel générateur permet d'obtenir un front avant rapide. Par contre, le plateau de l'impulsion est mal défini et le front arrière est lent. L'invention a pour objet de pallier oes inconvénients. Elle propose, à cet effet, un générateur d'impulsions de haute tension et de fronts rapides, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cellule qui est constituée d'une première résistance, d'une ligne, et d'une seconde résistance en série entre une tension d'alimentation V et la masse, le point commun entre la deuxième résistance et la ligne formant l'entrée de chaque cellule, le point commun entre la première résistance et la ligne étant relié à une extrémité d'un élément interrupteur dont l'autre extrémité forme la sortie de la cellule, la deuxième résistance de la première cellule étant nulle, la sortie de la dernière cellule étant reliée à une charge utile. Un tel générateur permet de délivrer des impulsions calibrées en amplitude et en largeur, d'impédance adaptée à l'impédance d'utilisation. Avantageusement la deuxième extrémité de chaque ligne est fermée sur une impédance égale à l'impédance caractéristique de cette ligne à travers un deuxième élément interrupteur, l'instant de fermeture du premier interrupteur tl, et l'instant de fermeture du deuxième interrupteur t2 vérifiant pour chaque cellule la relation -?At2 - t2 - t1 ( 3 étant le temps de transit dans la ligne. Plus précisément dans une réalisation de l'invention les éléments interrupteurs sont des transistors à avalanche, les lignes sont de type "microstripline" et sont disposées les unes au dessus des autres pour former un composant multicouches, la couche isolante séparant deux lignes ayant une épaisseur grande devant celle séparant le conducteur microstripline de sa masse de référence. Un tel générateur offre une grande souplesse des commandes. Il est en effet possible d'utiliser un niveau logique TTL pour commander les transistors. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles - la figure 1 représente une vue schématique du générateur de l'invention, - la figure 2 représente une variante de réalisation d'une cellule du générateur représenté à la figure 1, - le figure 3 représente une variante de réalisation du générateur de l'invention. Le générateur de l'invention, représenté à la figure 1, comprend un ensemble d'au moins une cellule, par exemple n cellules 10A, 1OB...1ON, disposées en série. Chaque cellule comprend en série entre une tension d'alimentation V et la masse une première résistance 11, un ligne 14, et une deuxième résistance 12. Le point commun entre la deuxième résistance 12 et la ligne 14 forme l'entrée de la cellule. Le point commun entre la première résistance 11 et la ligne 14 est relié à l'extrémité d'un élément interrupteur 13 dont l'autre extrémité forme la sortie de la cellule. La seconde résistance 12A de la première cellule est nulle. L'entrée de chacune des autres cellules est reliée à la sortie de la cellule précédente. La sortie de la dernière cellule (1ON) est reliée à une charge utile 15. étant étant le temps de transit dans une ligne 14, toutes les lignes étant par exemple identiques, on obtient aux bornes de cette V charge utile des signaux d'amplitude n V et de largeur 2 2 . 2 Dans chaque cellule de base les résistances de charge 11 et 12 permettent de limiter le courant de charge. Ces résistances ont des valeurs suffisamment grandes pour que toute l'énergie soit acheminée vers la cellule suivante pour ainsi obtenir une impédance d'utilisation adaptée pour un maximum d'énergie. Il y a deux étapes successives de fonctionnement : - une étape de charge parallèle des n lignes à la tension +V (interrupteurs ouverts) ; - puis une étape de décharge série des lignes sur la charge d'utilisation 15 (interrupteurs fermés). Avec des lignes 14 identiques de temps de transita et l'impédance caractéristique Zo, avec une charge d'utilisation 15 adaptée, on obtient aux bornes de cette charge V Vu = n V2 (amplitude du signal) L = 2 2 (largeur du signal) Zu = nZo (impédance d'utilisation) Les lignes 14 peuvent être des lignes de type "microstripline". les éléments interrupteurs 13 peuvent être des transistors fonctionnant en avalanche dont les circuits de commande connus de l'homme de l'art n'ont pas été représenté. On peut jouer sur différents paramètres à savoir - la tension d'alimentation V - le nombre n de cellules 10A...lON ; - l'impédance caractéristique Zo, dans le cas d'une ligne "microstripline". Ce qui permet de faire varier l'amplitude Vu du signal aux bornes de la charge utile 15, ainsi que son impédance d'utilisation Zu. Pour faire varier la largeur de ce signal on ferme à un instant t2 la deuxième extrémité de chaque ligne, comme représenté à la figure 2, sur une impédance 22 égale à son impédance caractéristique Zo grâce à un second interrupteur 23. Si ? est le temps de transit dans la ligne 14, t1 l'instant de fermeture du premier interrupteur, t2 l'instant de fermeture du second interrupteur, on a au point M. - avec une limite intérieure 2 t t = 0 ? 2 Si t2 démarre à un instant décalé du temps de transit avec t1, la ligne est "raccourcie entièrement", il n'y a plus d'impulsion. - avec une limite supérieure : La ligne est entière. Donc : - ? ligne = iOns t2 - t1 = 6ns Au bout de 6ns - il reste 4ns à la propagation issue de premier interrupteur 13 pour arriver en bout de ligne. - La propagation issue du deuxième interrupteur 23 démarre en direction de 13. Au bout de 6 + 2ns - il y a rencontre des deux propagations. - La propagation issue du premier interrupteur 13 rebrousse chemin. - La propagation issue deuxième interruption 23 rebrousse chemin. A cet endroit, tout se passe comme si la ligne était ouverte. 6 + 2 8ns On a donc une largeur d'impulsion : 2 &commat; ' : 16ns. La figure 3 est une représentation du générateur de l'invention, dans lesquelles les cellules sont du type représenté à la figure2. Les premier et second interrupteurs sont des transistors à avalanche 16 et 17. Les lignes 14 sont du type "microstripline" disposées en "sandwich" les unes au-dessus des autres pour former un composant multicouche 18. Des enroulements 19A, 19B...19N, et 20A, 20B...20N, disposés entre les bases et les émetteurs respectivement des premiers (16) et seconds (17) transistors et couplés respectivement à deux lignes sur lesquelles sont envoyées des impulsions aux temps t1 et t2, permettent de faire basculer respectivement ces premiers transistors 16 au temps t1 et ces seconds transistors 17 au temps t2. Les deux faces extérieures du "microstripline" multicouche 18 sont à la masse pour éviter tout rayonnement parasite. On peut grouper deux ensembles, tels que représentés à la figure 3, en parallèle pour doubler le courant au borne de la charge utile 15. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. Ainsi on peut aussi utiliser d'autres types de lignes (coaxiales par exemple) et d'autres types de commutateurs de puissance (thyristors rapides, MOSFETS, etc...). REVENDICATIONS t/ Générateur d'impulsions de haute tension et de fronts rapides, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cellule (10) qui est constituée d'une première résistance (11), d'une ligne (14), et d'une seconde résistance (12) en série entre une tension d'alimentation V et la masse, le point commun entre la deuxième résistance (12) et la ligne (14) formant l'entrée de chaque cellule (10), le point commun entre la première résistance (11) et la ligne (14) étant relié à une extrémité d'un élément interrupteur dont l'autre extrémité forme la sortie de la cellule, la deuxième résistance de la première cellule (10A) étant nulle, la sortie de la dernière cellule (10N) étant reliée à une charge utile (15). 2/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième extrémité de chaque ligne (14) est fermée sur une impédance (22) égale à l'impédance caractéristique (Zo) de cette ligne à travers un deuxième élément interrupteur (23). 3/ Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'instant de fermeture du premier interrupteur (13, 16) t1, et l'instant de fermeture du deuxième interrupteur (23, 17) t2 vérifient pour chaque cellule la relation ~ &commat; ? étant le temps de transit dans la ligne. 4/ Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments interrupteurs (13, 23) sont des transistors à avalanche (16, 17). 5/ Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les lignes sont de type "microstripline". 6/ Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les lignes de type "microstripline" sont disposées les unes au dessus des autres pour former un composant multicouches (18). 7/ Générateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux faces extérieures de ce composant multicouche sont reliées à la masse. 8/ Générateur selon l'une quelconque des revendications 4 à,6, caractérisé en ce que des enroulements (19, 20) sont disposés entre la base et l'émetteur de chaque transistor, ces enroulements étant couplés respectivementà deux lignes sur lesquelles sont envoyées des impulsions aux temps t1 et t2.