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Modulateur de nouvelle
génération
5 mars 2009
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JP BRASILE
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Our Achievements in Pulsed Power
Electron : 100 MeV
Microwave: 1 GW
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Laser :200 TW
Proton: 15 MeV
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Electrical discharge: 100 GW
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Un élément clef: la commutation
Air :750 kA (1)
AsGa tr= 300ps jitter nul (3)
Air sous pression : 400 kA - 50 kV (2)
Vide : 400 kA (6)
Pseudodécharge
30 kV - 3 kA (4)
(1)
Développement ISL/LGE
(2)
Développement LGE/THALES
(3)
Développement LGE/THALES
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Thyristor de puissance
10kV –50 kA (5)
(4)
Développement CERN/LGE/THALES
(5)
Développement ISL/ABB
(6)
Développement THALES
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Un modulateur idéal doit …
– être de coût réduit et n’utiliser que des composants standard pour en faciliter la maintenance,
– ne pas engendrer de problème de sécurité pour les personnes amenées à l’utiliser.
– être modulable en tension, jusqu’à des niveaux de tension très importants.
– être basse impédance pour s’adapter à tout type de charge
– pouvoir fonctionner sur de longues durées et/ou des durées ajustables tout en restant compact et léger,
– permettre des grandes cadences de répétition,
– avoir un excellent rendement,
– ne pas fonctionner sous huile (poids, aspect environnementaux, facilité de maintenance),
– être protégé contre les courts-circuits ou plus généralement contre une évolution anormale de la forme
d’onde de sortie,
– éviter les suroscillations liées à une désadaptation telle que celles apportées par un câble de liaison,
– stocker un minimum d’énergie pour limiter les risques en cas de défaut,
– continuer à fonctionner aux conditions nominales dans le cas où une partie du système est défaillant, tout
en localisant et inhibant cet élément,
– ne pas générer de nuisances sonores,
– être rechargeable facilement (en basse tension, à partir du réseau redressé par exemple) et avec un bon rendement
– être extrêmement fiable,
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Spécifications typique pour TH2100 (37 MW)
Max repetition rate
Impulse length at 99.5 %
Impulse length at 50 %:
Time to ramp between 10% and 90%:
Time to ramp between 90% and 10 %:
Pulse voltage setting range
Maximal pulse intensity
Flatness of the pulse plateau at nominal rating
Repeatability of the pulses amplitude
5 Hz  100 Hz (1)
3.5 μSec (2)
4.5 μSec (3 )
0.7 μSec (4)
0.7 μSec (4)
150 to 270 kV
275 A @ 270 kV (5)
1 % peak to peak (6)
0.5% peak to peak
Soit 275A * 270 kV * 4.5 µs  334 J par impulsion (74 MW)
(1) : limité parle rendement ?
(4) : trop lent
(2) : figé avec 20% inutile
(5) : optimisé pour une seule tension
(3) : plus long impossible
(6) : <0.5 % serait souhaitable
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Schéma traditionnel
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Défrmation d’une impulsion due au transformateur
Supprimons le transformateur !
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Principe du générateur de Marx
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Mais des problèmes à résoudre
• Temps de charge dépend de R* nC
– La tension de charge diminue qd nb d’étages augmente
– Charger vite :
R faible
– Tenir le plat de tension :
R élevé
• Suppression des résistances de charge
– Remplacement par des diodes et des selfs
• Plat d’impulsion
– PFN
compliqué
– Décharge capacitive + commutation à ouverture
E=1/2CV²  dE/E = 2*dV/V
50 * dE pour dV/V = 1%
soit 50* 334 J > 16 kJ
Besoin de protection contre les courts-circuits (fiable !)
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Réalisé
 Tension réglable
 Nombre d’étages :
50 (@1200 V)
 Tension maximale :
30 kV (refroidissement à air)
 Courant impulsionnel :
70 à 90 A
 Courant max en cas CC:
200 A
 Cadence de répétition
jusqu’au kHz
 Protection contre les CC
oui
 Durée d’imulsion réglable
250ns  5µs (par pas 100ns)
 Commande de chaque étage par fibre optique
 Alimentation du marx
1 kV
 Bypass des étages en panne
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Les briques de base
IGBT
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1700 V -75 A – 200 Â
Cadence de répétition
Temps Fermeture
Temps Ouverture
>100 kW moyen
> 300 kW crête
20 kHz
120 ns
140 ns
MOSFET
6 grammes !
10 €
•
•
•
•
1200 V -20 A – 80 Â
Cadence de répétition
Temps Fermeture
Temps Ouverture
200 kHz (en cours)
45 ns
20 ns
Emetteur/récepteur optique
•
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10 MBd
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Perspectives
• Innovations EFFITECH pour mise en // et série d’un
nombre quelconque d’étages (MOS ou IGBT)
• Activation d’étages au cours de l’impulsion
dV/V =1%  dE/E= 2 au lieu de 50 !
• Thèse EFFITECH/LGE/LAL possible (candidat identifié)
• Intégration sur PHIL ?
• Financement du développement spécifique ?
• Retombé positive pour THALES pour ses offres LINAC
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