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Introduction
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Contribution à l’étude et à la réalisation de commutateurs
et de générateurs haute tension transitoires
Ce travail s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre la société THALES
Communications de Colombes et le Laboratoire de Génie Electrique (L.G.E.) de Pau par le
biais d’une bourse CIFRE accordée par l’Association Nationale de la Recherche Technique.
Le LGE est un laboratoire de recherche universitaire qui travaille dans le domaine des
hautes tensions transitoires. Les principaux thèmes de recherche qui y sont abordés
concernent :
- l’étude des décharges électriques et des diélectriques, principalement gazeux ;
- les fortes puissances électriques pulsées regroupant l’étude des générateurs, des
commutateurs et de leurs applications ;
- la compatibilité électromagnétique (CEM).
Les études sur les décharges électriques et les diélectriques, à l’origine des activités du
LGE, ont amené ce laboratoire à acquérir une expérience certaine au niveau des éclateurs à
gaz. Les premiers travaux sur les puissances électriques pulsées développés au LGE ont donc
découlé de cette expérience, puis se sont étendus à un certain nombre de problèmes englobés
sous le thème générique de « puissances pulsées ». Ces dernières étaient, initialement,
essentiellement destinées aux applications militaires ou scientifiques de très fortes énergies.
La baisse du prix de revient des éléments de stockage de l’énergie, plus particulièrement des
condensateurs, et l’amélioration des performances des commutateurs de puissance à
semiconducteurs, font, qu’actuellement, cette technique devient concurrentielle dans un
certain nombre d’applications civiles.
Il n’empêche qu’il faut bien distinguer la puissance de l’énergie car, s’il est relativement
aisé de produire de fortes puissances instantanées, les difficultés techniques et le coût des
installations augmentent très sensiblement avec le niveau énergétique mis en jeu. Ainsi, par
exemple, le LGE peut, actuellement, aborder des problèmes de puissances pulsées allant
jusqu’à un niveau énergétique d’environ une centaine de kilojoule mais guère plus.

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Jérôme BAC
C’est donc dans ce contexte que la société THALES a proposé de concevoir et de réaliser
des commutateurs et des générateurs haute tension impulsionnels à faible jitter, ou gigue en
français, pouvant servir au déclenchement de générateurs multiples nécessitant une bonne
synchronisation. Le travail proposé s’inscrivait dans le cadre de la réalisation d’un simulateur
de foudre destiné à l’avionique mais, en fait, toute étude de « brique élémentaire » susceptible
de présenter un intérêt dans le domaine des puissances pulsées semblait la bienvenue.
Les puissances pulsées revêtent un grand nombre d’aspects et donnent lieu à des
applications multiples dont il est difficile de faire un inventaire exhaustif. Lorsque l’on
développe un système à puissances pulsées, on cherche, généralement, à favoriser l’influence
d’un « paramètre » physique (température, pression, courant d’induction, champ électrique ou
magnétique…), chimique (oxydation, ionisation…), biologique (électro-poration…), etc... Les
secteurs industriels susceptibles d’être concernés par les puissances pulsées sont donc aussi
variés que l’agro-alimentaire, le médical, le pharmaceutique, la métallurgie, l’avionique,
l’électronique, la chimie, etc…
Certaines technologies permettent de générer des « ondes » (lasers, faisceaux d’électrons,
rayons X, micro-ondes…) dont on exploite les effets : traitements thermiques par micro-ondes
(frittage, traitements de surface, soudage…), traitements non polluants par faisceaux
d’électrons (traitements d’eaux usées, de fumées, polymérisation…), traitements par ondes de
choc (concassage, séparation de matériaux, traitements d’eaux ou de boues…), traitements par
faisceaux lumineux intenses (médical, matière…), radiographie X, etc... D’autres consistent à
injecter très violemment l’énergie électrique dans la matière de façon à créer des « réactions »
physiques, chimiques ou biologiques hors équilibre susceptibles de présenter des
caractéristiques intéressantes.
Le LGE s’intéresse donc à une partie de ces applications que nous avons essayé de
classer en quatre domaines, comme indiqué figure I.1 :
- Le premier domaine qui vient à l’esprit est celui des alimentations pulsées utilisées pour les
lasers, les diodes X, les magnétrons, les faisceaux d’électrons, les flashes UV, etc… Les
performances de ces alimentations sont très diverses sachant que leurs principales
caractéristiques sont l’énergie disponible, les niveaux de tension et de courant requis, la
répétitivité des impulsions, leur durée à mi-hauteur et leur temps de front.
- Le deuxième domaine d’applications concerne la génération d’ondes électromagnétiques
avec, comme principales applications, les radars ou, de façon générale, les armes
électroniques (brouilleurs…). Dans ces systèmes, les points importants sont, en général, la

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Contribution à l’étude et à la réalisation de commutateurs
et de générateurs haute tension transitoires
valeur requise pour la fréquence haute, qui conditionne celle du front de l’onde, et l’amplitude
du champ électromagnétique rayonné à une distance donnée. Ce n’est donc pas une simple
question de génération de forts signaux électriques mais un problème de performances d’un
système complet constitué d’un (ou de plusieurs) générateur haute tension transitoire associé à
un (ou plusieurs) système rayonnant auquel il doit être adapté.
Puissances
pulsées
Dépollution Génération
d’ondes EM
Simulateurs
Alimentations
pulsées
liquides
gazsolides
radars
brouilleurs
foudre
CEM lanceurs
EM
lasers
diodes X
magnétrons
faisceaux
d’électrons
traitements de
surface
Flashes
UV
Figure I.1 : Les différents domaines d’application des puissances électriques pulsées
- Le troisième domaine porte sur les moyens d’essais spécifiques tels que les simulateurs
d’onde foudre, de CEM ou des lanceurs électromagnétiques. Dans ce type d’application, les
formes d’ondes sont souvent normalisées. Dans pratiquement tous les cas, les énergies mises
en jeu présentent des valeurs très élevées et des problèmes de synchronisation entre
générateurs, ou éléments du même générateur, peuvent se poser.
- Le quatrième domaine concerne les applications civiles. Comme nous l’avons déjà dit,
elles sont multiples et le LGE s’intéresse plus particulièrement aux applications liées à
l’environnement et à la dépollution de gaz et de liquides ou au recyclage de matériaux solides.
Ces applications sont, elles aussi, extrêmement diverses et il est difficile d’en faire un
inventaire complet. Les méthodes utilisées les plus classiques sont celles qualifiées de
traitement par champs électriques pulsés, par effet couronne, par faisceaux d’électrons, par
ondes de choc sans oublier les traitements de surfaces par plasmas froids :