THOMX Specifications Techniques Cartes Switchs_VF_DA
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Référence : ThomX-K-P-CartesHT I SPECIFICATIONS TECHNIQUES POUR LA FOURNITURE D’ENSEMBLES DE COMMUTATION HT POUR LES PULSERS DE KICKERS DE THOMX. Date de diffusion Rédacteur Vérificateur Novembre 2016 P. Alexandre D. Muller Approbateur Visa de l’approbateur Modifications Indice Création 0 SYNCHROTRON SOLEIL – Société Civile au capital de 12.000 € 439 684 903 R.C.S. EVRY – NAF 7219Z – SIRET 439 684 903 00016 Division xxx – L’Orme des Merisiers – Saint-Aubin – BP 48 – 91192 GIF S/YVETTE Cedex Tél. : 01 69 35 90 xx – Fax : 01 69 35 94 xx - Web http://www.synchrotron-soleil.fr/ I Synchrotron SOLEIL TABLE DES MATIERES 1. Introduction ....................................................................................... 3 2. Spécifications ..................................................................................... 5 3. 2.1. Cartes IGBT haute tension (carte switch) .............................................. 5 2.2. Modules de déclenchement (drivers) ................................................... 5 2.3. Cartes diodes HT. ........................................................................... 6 2.4. Fonctionnement et autres attentes. .................................................... 6 quantités et livraison ............................................................................ 7 ThomX-K-P-CartesHT Page 2/7 I Synchrotron SOLEIL 1. INTRODUCTION L’objectif de ce projet est de concevoir deux systèmes d’aimants kickers. Chacun des systèmes comporte un pulser haute tension délivrant des impulsions de courant qui sont transmises, via une liaison coaxiale, à un aimant dipolaire kicker. Ces deux systèmes servent à injecter et extraire les paquets d’électrons de l’accélérateur circulaire de la source compacte de rayons X dénommée ThomX. Le courant requis pour assurer les déviations des électrons est une impulsion quasi semi-sinusoïdale, de valeur crête 800 A, un temps de montée de moins de 60 ns et un temps de descente de moins de 60 ns également. Cela correspond donc à une impulsion dont la largeur, mesurée aux zéros de courant est inférieure à 120 ns. L’aimant kicker est modélisé par une inductance de 252 nH et une résistance série, modélisant les pertes par effet Joule. Etant donné la courte durée de l’impulsion de courant, il est nécessaire de considérer un maximum d’élément parasites (inductances et résistances de connexions, pertes dans la transmission, etc.) afin d’arriver aux performances requises. Le schéma ci-dessous représente le modèle du système complet, à savoir l’alimentation pulsée (à gauche de la transmission coaxiale), la transmission et l’aimant. La génération des impulsions repose sur le phénomène de résonance. Un banc de condensateur haute tension (HT) est chargé par une alimentation HT. Lorsque l’interrupteur à semi-conducteur est fermé, la résonance apparait entre les condensateurs chargés et l’inductance de l’aimant. Un courant sinusoïdal amorti est généré et transmis à l’aimant par la liaison coaxiale. Il est nécessaire que l’interrupteur à semi-conducteur soit ouvert après qu’une impulsion de courant sinusoïdale complète (lobe positif + lobe négatif) soit passée dans l’interrupteur. La première courbe ci-dessous (rouge) montre l’allure de courant dans l’interrupteur, telle que nous désirons l’obtenir (simulation). ThomX-K-P-CartesHT Page 3/7 I Synchrotron SOLEIL Allure de courant dans l’interrupteur à semi-conducteur. La résonance de l’aimant soumis à cette excitation, ajouté au phénomène de réflexion (aimant non adapté) permet de gagner en courant crête et en forme d’onde. On obtient alors l’allure suivante (simulation) : Allure de courant dans l’inductance de l’aimant. ThomX-K-P-CartesHT Page 4/7 I Synchrotron SOLEIL L’objet de ces spécifications techniques est de détailler les paramètres importants du système de commutation HT sur le pulser. Ce système comprend un étage de commutation HT (module IGBT), un module de déclenchement (driver) et une carte diodes HT. 2. SPECIFICATIONS 2.1. CARTES IGBT HAUTE TENSION (CARTE SWITCH) Les cartes switchs IGBT devront avoir les caractéristiques suivantes : - Elles devront pouvoir être utilisées en service jusqu’à 15 kV (d’après des essais sur prototypes). Une tension maximale de service supérieure (16 kV) serait souhaitable. - Les cartes devront faire de la commutation ON et OFF (OFF à courant quasi-nul), la durée totale du cycle de commutation étant de l’ordre de 350 ns (au maximum 450 ns, correspondant à la durée aller-retour de l’onde de courant dans la ligne de transmission), la fermeture du switch étant typiquement de l’ordre de 40 ns. - La capacité en courant crête doit être de l’ordre de 3 kA, afin d’avoir une impédance « pulsée » du switch suffisamment faible pour permettre l’oscillation sur le pulseur. - Dimensions de la carte : o o o o - 2.2. Longueur : 30,5 cm. Largeur : 18,5 cm. Plans de cuivre de connexion, dorés sur les 2 faces avec 12 vias métallisés diamètre 3,2mm intérieur tous les 15mm (le premier à 10mm d’un des 2 bords de la carte). Sérigraphie HV in et HV out, à minima. La liaison entre le switch IGBT et le driver sera de l’ordre de 50 à 60 cm maximum (par fibre optique ou liaison câble haute tension). MODULES DE DECLENCHEMENT (DRIVERS) Les aspects importants sont les suivants : - Capacité de gérer la commutation ON-OFF de la carte switch dans les critères précédemment définis. - La liaison entre le switch IGBT et le driver sera de l’ordre de 50 à 60 cm maximum. ThomX-K-P-CartesHT Page 5/7 I Synchrotron SOLEIL - Le driver sera déclenché par une impulsion TTL et/ou LVTTL de largeur 300 ns minimum. L’impulsion de déclenchement arrivera par câble 50 ohms avec connecteur BNC. - Le driver possèdera une entrée d’inhibition sur contact sec permettant d’inhiber le déclenchement du switch HT. Une entrée en court-circuit autorise le déclenchement, une entrée en haute impédance n’autorise pas le déclenchement. Le basculement (et donc l’inhibition) doit pouvoir s’effectuer en moins de 20 ms. - D’autres contacts sont requis pour le driver : o o o 2 contacts secs NC (220V AC 2A) pour signal « défaut driver ». 2 contacts secs NO (220V AC 2A) pour signal « driver sous tension ». 1 entrée « raz défaut » sur contact sec à impulsion (220V 2A). - Le driver sera alimenté par la tension secteur monophasé (230 V 50 Hz). Les alimentations AC/DC nécessaires doivent être dimensionnées (en puissance et en dissipation thermique) pour les tolérances usuelles de tension secteur (230V +/- 10 %). - Le driver possèdera une très bonne équipotentielle des masses (plans de masse, boitier métallique massif (pas de boitier plastique métallisé), etc…). - L’encombrement maximal sera de 20 cm (long.) x 20 cm (larg.) x 10 cm (haut.). - Le boitier devra avoir une ventilation suffisante (cf. point 3.4) et devra pouvoir se monter à l’aide de pattes métalliques (pour des raisons de CEM). 2.3. CARTES DIODES HT. La carte diode est une carte doit avoir une tenue en tension inverse de 14kV et un courant crête admissible de 2kA. Les cartes devront avoir comme dimensions : o o o o 2.4. Longueur : 9 cm. Largeur : 18,5 cm. Plans de cuivre de connexion, dorés sur les 2 faces avec 12 vias métallisés diamètre 3,2mm intérieur tous les 15mm (le premier à 10mm d’un des 2 bords de la carte). Sérigraphie HV in et HV out, à minima. FONCTIONNEMENT ET AUTRES ATTENTES. La carte switch, le driver et la carte diode, pour chaque système, doivent pouvoir fonctionner à une fréquence maximale de répétition des impulsions de 70 Hz, la fréquence nominale de travail étant 50 Hz. ThomX-K-P-CartesHT Page 6/7 I Synchrotron SOLEIL La dissipation thermique ne peut être assurée que par de l’air brassé ou soufflé dans le tiroir où seront installés la carte switch IGBT, le driver et la carte diodes (pour chaque pulseur). On attend un jitter maximal sur le déclenchement de la carte switch IGBT de 1 ns. Le fournisseur précisera le délai entre la réception de l’ordre de déclenchement (front TTL ou LVTTL) et le déclenchement effectif de la carte switch IGBT. Ce délai sera typiquement de l’ordre de la µs ou moins. On demande une notice complète d’installation, de fonctionnement et de dépannage des trois types d’éléments. On demande également les schémas électroniques et les nomenclatures permettant un dépannage facilité en cas de panne. 3. QUANTITES ET LIVRAISON Le chiffrage demandé est pour équiper deux systèmes kickers complets, à savoir : - 2 cartes switch IGBT. 2 drivers. 2 cartes diodes. Le chiffrage comportera aussi le chiffrage individuel, en option, d’une carte switch HT complète, d’une carte diodes, d’un driver. Les ensembles seront préalablement testés par le fournisseur avant d’être expédiés au synchrotron SOLEIL. La recette à SOLEIL se fera en utilisant un montage prototype permettant le test des performances de chaque ensemble complet. ThomX-K-P-CartesHT Page 7/7
