Brevet FR3004298A1 — publié le 20141010

ENSEMBLE GENERATEUR DE HAUTE TENSION ELECTRIQUE L'invention se situe dans le domaine des générateurs de tension électrique. L'invention concerne un générateur de haute tension, notamment, supérieure à la centaine de kilovolts. Plus précisément, l'invention concerne un générateur de tension électrique permettant la commutation de la haute tension. Les générateurs de haute tension sont utilisés dans les laboratoires de recherche scientifique, les laboratoires d'essais pour tester les équipements haute tension avant leur utilisation notamment, de nombreuses autres applications utilisent la haute tension électrique tels que les rayons X ou les lasers. Il existe trois types de tensions conventionnelles : la tension alternative, la tension continue et la tension de choc. La haute tension continue est utilisée dans de nombreuses applications telles que : les réseaux de courant continu à haute tension ou HVDC acronyme de « High Voltage Direct Current », en langue anglaise, la recherche fondamentale, les rayons X, dans les applications pour lesquels les tests d'équipement à charge capacitive sont très nombreux et pour lesquels la tension alternative est trop onéreuse. L'invention proposée est particulièrement bien appropriée pour cette dernière application. Aujourd'hui, la tension continue pour ce type d'application est fournie par un générateur de haute tension et la commutation est réalisée à l'aide d'un éclateur, d'une tétrode, d'un ignitron, d'un thyratron ou d'une varistance. On entend par ignitron, un dispositif électrique utilisé pour redresser le courant alternatif. Lorsque le dispositif est polarisé dans le sens passant, la conduction est amorcée. Un courant de l'ordre d'une vingtaine d'ampères arrive sur l'anode. L'amorçage dure une cinquantaine de microsecondes en moyenne. Le courant provoque la vaporisation d'une infime quantité de mercure constituant la cathode de l'ignitron. La conduction se produit au travers de cette vapeur de mercure et n'est interrompue que par la coupure de tension ce qui arrive sur un réseau alternatif à l'alternance suivante. Pendant la conduction, la tension aux bornes du dispositif est de l'ordre d'une vingtaine de volts avec des courants de l'ordre de milliers d'ampères. On entend par éclateur un dispositif électrique constitué de deux ou trois électrodes disposées face à face dans un milieu qui peut être l'air ambiant ou un autre gaz. Au-delà d'une certaine valeur de tension électrique entre les bornes c'est-à-dire au-delà d'un certain champ électrique entre les électrodes, un amorçage se produit et un courant s'établit entre les deux ou trois électrodes en formant un arc électrique. On entend par varistance une résistance électrique très fortement non linéaire. Au-delà d'un certain seuil de tension électrique, l'impédance électrique de la varistance chute pour permettre l'évacuation du courant créant la surtension. La durée de vie de ces composants est limitée en fonction des sollicitations. Le temps d'amorçage de ce type de parafoudre est bien meilleur que celui des éclateurs. Ces dispositifs permettent la commutation de hautes tensions électriques. Toutefois le temps de commutation reste relativement élevé de l'ordre de la cinquantaine de millisecondes. Par ailleurs, la commutation de haute tension électrique supérieure à la centaine de kilovolts sollicite de manière importante les dispositifs de commutation et réduit leur durée de fonctionnement. De plus, les dispositifs de commutation décrits ci-dessus nécessitent un stockage de charges électriques avant une unique décharge libérant la totalité des charges électriques, il n'est pas possible de réaliser une libération des charges électriques de manière modulée. L'invention décrite propose un dispositif générateur de haute tension permettant notamment une commutation rapide, la production d'une tension modulée et une meilleure fiabilité. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un ensemble générateur de tension électrique qui comprend au moins un module élémentaire à état solide, un module de commutation et au moins une première boucle inductive disposée à proximité d'au moins un module de commutation d'au moins un module élémentaire de l'ensemble. Toutes les premières boucles inductives sont connectées à au moins une alimentation électrique de commande et toutes les alimentations électriques de commande délivrent une tension électrique de commande simultanément à toutes les premières boucles inductives. Avantageusement, le module de commutation comprend un interrupteur. Alternativement, le module de commutation comprend un tore nanocristallin permettant une commande modulée de la haute tension générée. Eventuellement, l'ensemble générateur de tension électrique comprend en outre un premier dispositif d'autorégulation comprenant un module de mesure de la tension élémentaire générée par le module élémentaire et un module de rétroaction pour modifier la tension électrique de commande de l'alimentation électrique de commande pour réguler la tension électrique de commande mesurée sur une tension électrique de commande souhaitée. Eventuellement, l'ensemble générateur de tension électrique comprend en outre au moins une deuxième boucle inductive. La ou les première(s) boucle(s) inductive(s) sont adaptées pour commander la génération de la tension électrique et la ou les deuxième(s) boucle(s) inductive(s) sont adaptées pour commander l'arrêt de la génération de la tension électrique. Eventuellement, l'ensemble générateur de tension électrique comprend en outre un deuxième dispositif d'autorégulation comprenant un module de mesure de la tension électrique de commande délivrée par la ou les première(s) boucle(s) inductive(s) et un module de rétroaction pour modifier la tension électrique de commande de l'alimentation électrique de commande pour réguler la tension électrique de commande délivrée sur une tension électrique de commande souhaitée. Eventuellement, la tension de commande est discontinue. Avantageusement, les boucles inductives comprennent un matériau magnétique parfait, telle que la ferrite pure. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 décrit un dispositif générateur de haute tension comprenant un unique module élémentaire à état solide, selon un aspect de l'invention, - la figure 2 décrit un dispositif générateur de haute tension comprenant plusieurs modules élémentaires, selon un aspect de l'invention, - la figure 3 représente une photo du dispositif, selon un aspect de l'invention. La figure 1 décrit un ensemble générateur de haute tension 1 comprenant un module élémentaire 2 comprenant un dispositif de commutation 3 disposé à proximité d'une première boucle inductive 4, la première boucle inductive 4a étant connectée à une alimentation électrique 5 délivrant une tension électrique de commande. Le module élémentaire 2 est un dispositif à état solide. Il s'agit d'un dispositif construit entièrement de matériaux à l'état solide et dans lequel les électrons ou d'autres porteurs de charges électriques sont confinés dans un milieu à l'état solide. Bien que les dispositifs à l'état solide puissent être composés de trois types de matériau: cristallins, polycristallins, amorphes, et faire référence à des conducteurs électriques, des isolateurs et des semi- conducteurs, le matériau de fabrication le plus courant est un semiconducteur cristallin. Avantageusement, le dispositif à état solide peut être une cathode à effet de champ, un transistor à effet de champs à grille isolée, (MOSFET) Transistor bipolaire à grille isolée,(IGBT), thyristor à commande par grille isolée (MCT, 10 IGCT) Avantageusement, le dispositif élémentaire 2 peut délivrer une tension électrique élémentaire UEIem comprise entre 100 et 2000V On comprendra aisément que le module élémentaire 2 est adapté pour délivrer la tension 15 électrique élémentaire UEIem nécessaire à l'application pour lequel il est destiné. Le module élémentaire 2 comprend un module de commutation 3. Le module de commutation 3 peut comprendre un interrupteur 3a permettant une libération totale des charges électriques générant une haute tension. 20 Alternativement, le module de commutation 3 peut comprendre un tore nanocristallin permettant une génération modulée de la haute tension. Une première boucle inductive 4a est disposée à proximité du module de commutation 3. En d'autre terme, la première boucle inductive 4a est placée le plus près du module de commutation 3 permettant de limiter les pertes 25 électriques tout en évitant les claquages électriques. Avantageusement, la première boucle inductive 4a comprend une gaine électriquement isolante ou un matériau électriquement isolant 6 disposé entre la première boucle inductive 4a et le module de commutation 3. La première boucle inductive 4a est connectée électriquement à une alimentation électrique 5 de tension de commande. La tension électrique de commande est comprise entre 1V et 50V, préférentiellement la tension électrique de commande est comprise entre 1V et 15V, la tension électrique de commande pouvant être continue ou discontinue. Avantageusement, la première boucle inductive 4a comprend un matériau magnétique parfait, typiquement de la ferrite pur. Eventuellement, l'ensemble générateur de haute tension 1 peut comprendre une deuxième boucle inductive 4b. La première boucle inductive 4a délivre une tension commandant la génération d'une haute tension, ou, en d'autre terme, permet la fermeture de l'interrupteur 3a du module de commutation 3. La deuxième boucle inductive 4b délivre une tension électrique commandant l'arrêt de la génération de la haute tension, ou, en d'autres termes, l'ouverture de l'interrupteur 3a du module de commutation 3. Le principe de fonctionnement de l'ensemble générateur de haute tension électrique 1 peut être décrit comme suit. L'alimentation électrique de commande 5 génère une tension électrique de commande Ucon, continue et généralement comprise entre 5 et 50 volts. La tension électrique de commande Ucom circule à l'intérieur de la première boucle inductive 4a, la tension électrique de commande Ucom est transmise par induction au module de commutation 3. La transmission par induction ne nécessite pas de contact entre la première boucle inductive 4a et le module de commutation 3, cependant, il est nécessaire que la première boucle inductive 4a soit disposée le plus près possible du module de commutation 3 de manière à éviter les pertes de tension électrique, sans toutefois générer de claquages électriques. La tension de commande Ucon, délivrée au module de commutation 3 permet la commutation de l'interrupteur 3a et la génération d'une tension électrique élémentaire UElem par le module élémentaire 2. Ainsi, il est possible de générer une haute tension électrique UHT d'un ou deux kilovolt à partir d'une tension électrique de commande Ucom de 10V et d'un module élémentaire 2 pouvant générer une tension électrique élémentaire Uaem de 100V. Si le module de commutation 3 comprend un tore nanocristallin, la haute tension électrique UHT est proportionnelle à la tension électrique de commande Ucom. Si l'on reprend l'exemple précédent et que l'on applique une tension électrique de commande de 8V, par exemple, au lieu de 10V, la haute tension UHT est de 800V. Ce mode de réalisation permet la génération de haute tension de manière très simple à partir de composants que l'on trouve aisément dans le 15 commerce. Par ailleurs, il est possible de faire commuter la haute tension de manière fiable. Un ensemble générateur de haute tension selon l'invention présente aussi une plus longue durée de vie, les risques de claquages électriques étant 20 diminués. Selon une variante de l'invention, la tension électrique de commande Ucom peut être alternative. La figure 2 représente un ensemble générateur de haute tension 1 comprenant deux modules élémentaires 2. 25 La figure 2 est très similaire à la figure 1. En l'espèce, l'ensemble générateur de haute tension 1 comprend deux modules élémentaires 2, pouvant délivrer une tension supérieure à la centaine de kilovolts. Chacun des modules élémentaires 2 comprend un module de commutation 3 pouvant comprendre un interrupteur 3a ou un tore nanocristallin. Eventuellement, l'ensemble générateur de haute tension 1 comprenant un tore nanocristallin peut comprendre un premier dispositif d'autorégulation 7 comprenant un module de mesure 7a de la tension électrique élémentaire UEle, générée par le module élémentaire 2 et un module de rétroaction 7b pour modifier la tension électrique de commande Ucom de l'alimentation électrique pour réguler la tension électrique élémentaire mesurée sur une tension électrique élémentaire souhaitée. En variante, les deux modules élémentaires 2 peuvent comprendre un unique module de commutation 3 pouvant comprendre un interrupteur 3a ou un tore nanocristallin, l'unique module de commutation 3 étant couplé avec les deux modules élémentaires 2. Evidemment, l'ensemble générateur de haute tension 1 peut comprendre 15 une pluralité de modules élémentaires 2, chacun comprenant un module de commutation 3, ou selon une autre variante, une pluralité de modules élémentaires 2 peut être couplée à un unique module de commutation 3. Une première boucle inductive 4a est disposée à proximité de tous les modules de commutation 3, la première boucle inductive 4a étant connectée 20 à une alimentation électrique de commande 5. Selon une autre variante, l'ensemble générateur de haute tension 1 peut comprendre une pluralité de premières boucles inductives 4a, chacune des premières boucles inductives 4a étant disposée à proximité d'un unique module de commutation 3 ou alternativement à proximité de plusieurs 25 modules de commutation 3. Toutes les premières boucles inductives 4a sont connectées électriquement à une unique alimentation électrique de commande 5. Alternativement, les premières boucles inductives 4a sont connectées à une pluralité d'alimentations électriques de commande 5, toutes les alimentations électriques de commande génèrent une tension électrique de commande Ucom simultanément de manière à ce que tous les modules de commutation 3 commutent au même instant. Comme dans le mode de réalisation présentée sur la figure 1, l'ensemble générateur de haute tension 1 peut comprendre au moins une deuxième boucle inductive 4b. Chaque première boucle inductive 4a peut être couplée à une deuxième boucle inductive 4b. Alternativement, toutes les premières boucles inductives 4a peuvent être couplées à une unique deuxième boucle inductive 4b. Eventuellement, l'ensemble générateur de tension électrique 1 peut comprendre en outre un deuxième dispositif d'autorégulation 8 comprenant un module de mesure 8a de la tension électrique de commande Ucom délivrée par la première boucle inductive 4a et un module de rétroaction 8b pour modifier la tension électrique de commande Ucon, de l'alimentation électrique de commande 5 pour réguler la tension électrique de commande mesurée sur une tension électrique de commande souhaitée. La figure 3 représente une photo de l'ensemble générateur de haute tension 1 selon l'invention. En l'espèce, le dispositif comprend dix modules élémentaires 2 comprenant chacun un module de commutation 3. Les modules élémentaires 2 sont connectés électriquement à une alimentation électrique, différente de l'alimentation électrique de commande 5, et permettant la génération d'une tension électrique élémentaire de 500V, l'alimentation électrique des modules élémentaires n'étant pas représentés sur la figure 3. Une première boucle inductive 4a isolée électriquement par une gaine électrique est disposée au plus près des modules de commutation 3, la première boucle inductive 4a commande la génération de la haute tension. Une deuxième boucle inductive 4b est disposée à côté de la première 4a, la deuxième boucle inductive 4b commande l'arrêt de génération de la haute tension. La première 4a et deuxième 4b boucles inductives sont connectées électriquement à une alimentation électrique de commande 5, délivrant une tension électrique de commande de 100V, l'alimentation électrique de commande 5 n'étant pas représentée sur la figure 3. Le dispositif présenté peut donc délivrer une haute tension UHT continue ou discontinue de 5000V. Le dispositif décrit sur la figure 3 est très compact et nécessite peu de connexions électriques : seules la connexion de la première boucle inductive 4a et éventuellement de la deuxième boucle inductive 4b à l'alimentation électrique de commande 5, et la connexion des modules élémentaires 2 à une alimentation électrique des modules élémentaires sont nécessaires.15 REVENDICATIONS1. Ensemble générateur de tension électrique comprenant au moins un module élémentaire (2) à état solide comprenant un module de commutation (3), au moins une première boucle inductive (4a) disposée à proximité d'au moins un module de commutation (3) d'au moins un module élémentaire (2) de l'ensemble, toutes les premières boucles inductives (4a) étant connectées à au moins une alimentation électrique de commande (5), toutes les alimentations électriques de commande (5) délivrant une tension électrique 10 de commande (Ucom) simultanément à toutes les premières boucles inductives (4a). 2. Ensemble générateur de tension électrique selon la revendication 1 dans lequel le module de commutation (3) comprend un interrupteur (3a). 3. Ensemble générateur de tension électrique selon la revendication 1 dans 15 lequel le module de commutation (3) comprend un tore nanocristallin permettant une commande modulée de la tension générée. 4. Ensemble générateur de tension électrique selon la revendication 3 comprenant en outre un premier dispositif d'autorégulation (7) comprenant un module de mesure (7a) de la tension élémentaire (Uaem) générée par le 20 module élémentaire (2) et un module de rétroaction (7b) pour modifier la tension électrique de commande (Ucom) de l'alimentation électrique de commande (5) pour réguler la tension électrique de commande mesurée sur une tension électrique de commande souhaitée. 5. Ensemble générateur de tension électrique selon la selon l'une des 25 revendications précédentes comprenant en outre au moins une deuxième boucle inductive (4b), la ou les première(s) boucle(s) inductive(s) (4a) étant adaptées pour commander la génération de la haute tension électrique (UHT)et la ou les deuxième(s) boucle(s) inductive(s) (4b) étant adaptées pour commander l'arrêt de la génération de la haute tension électrique (UH-r). 6. Ensemble générateur de tension électrique selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre un deuxième dispositif d'autorégulation (8) comprenant un module de mesure(8a) de la tension électrique de commande délivrée par la ou les première(s) boucle(s) inductive(s) (4a) et un module de rétroaction (8b) pour modifier la tension électrique de commande (Ucon,) de l'alimentation électrique de commande (5) pour réguler la tension électrique de commande mesurée sur une tension électrique de commande souhaitée. 7. Ensemble générateur de tension électrique selon l'une des revendications précédentes dans lequel la tension électrique de commande (thon') est discontinue. 8. Ensemble générateur de tension électrique selon l'une des revendications précédentes dans lequel les boucles inductives (4a ; 4b) comprennent un matériau magnétique parfait. 9. Ensemble générateur de tension électrique selon la revendication 8 dans lequel le matériau magnétique parfait est de la ferrite pure.