Machines d Electronique Impulsionnelle de Puissance et Applications

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1 Machines d Electronique Impulsionnelle de Puissance et Applications François MICHERON & Michel ROCHE, P&I Dixièmes Entretiens Physique Industrie Paris, 19 Octobre 2006

2 Pourquoi l Electronique Impulsionnelle de Puissance (EIP)? L EIP permet -de prendre de vitesse un certain nombre de phénomènes physiques via des impulsions de durées inférieures aux constantes de temps caractéristiques, et donc: - d atteindre des régimes de fonctionnement nouveaux - de mettre en oeuvre de très grandes Puissances Crêtes ( TeraWatts à PetaWatts : MegaVolts X kiloamperes / nano secondes ) comparables aux impulsions optiques des lasers à impulsions courtes - de proposer des outils de recherches physiques et des concepts de procédés industriels originaux

3 Exemples de phénomènes physiques pris de vitesse et conséquences 1) Cas de la génération des plasmas froids 25 kv, pointe-plan D après P.Vervisch, CORIA Modèle des repartions spatiales électronique / ionique pour différentes durées d impulsions,

4 Plasmas Froids à pression atmosphérique > La durée d impulsions est réglée pour être inférieure au temps de parcours des streamers entre électrodes. Conséquence: L arc disruptif ( court circuit ) n a pas le temps de s établir, 80% de l énergie électrique est transférée au plasma, riche en espèces oxydantes natives, très réactives Applications: Stérilisation air, eau, surfaces, décapage Suppression des odeurs,polluants,fumées,gaz toxiques Entretien de combustions pauvres

5 Exemple de réalisations et de produits : Générateur 50kV 10ns 1kHz pour Plasma Froid

6 Générateur d impulsions industriel pour Plasma Froid à compression magnétique

7 2) Utilisations des Courants de Déplacements aux temps inférieurs aux temps de relaxation diélectrique Débactérisation des liquides agroalimentaires Bactérie, εmembrane # 2,5 E membrane = 80/2,5 E 0 > E claquage Electro permation irréversible -> mort Champ Electrique E 0 Impulsionnel, t< t d Eau, Eau saumâtre, jus, lait ε # 80, t d # S à µs Gangue à minerai /pierre précieuse, à faible ε Fractures de la gangue Extraction de pierres précieuses de leur gangue

8 Générateur 40 kv, 25 ns pour étude de la stérilisation de l eau

9 3) Augmentation des Champs de Claquage des diélectriques en surface, en couches minces et en volume Le claquage diélectrique est généralement dû à la formation d un micro plasma local, suivi d une pyrolyse, d où échauffement local et catastrophique. La constante de temps T t de ce phénomène thermique, qui dépend du diélectrique, de son épaisseur, et de son couplage thermique avec l extérieur peut être très faible, << à des µs ( voir inscription laser sur disque optique!) Conséquence: La rigidité diélectrique augmente lorsque la durée des impulsions décroît, en dessous de Tt: il est donc possible de réaliser des machines à hautes tensions impulsionnelles de dimensions inférieures à celles de machines de mêmes tensions en continu: le seuil significatif de durée d impulsions est typiquement < 50 ns

10 Exemple d un accélérateur électronique impulsionnel miniaturisé autofocalisant dans l air à basse énergie ( kev, 50 ns) à faibles besoins de blindage de sécurité

11 Applications de l accélérateur miniaturisé basse énergie autofocalisant - Les principales applications des lasers de puissance industriels : découpe, soudure, martelage des métaux et polymères à des coûts d achat et de fonctionnement très réduits - Les dépôts de couches minces par CVD à pression atmosphérique - Le remplacement des générateurs de Plasmas Froids dans leurs applications industrielles du fait des énergies supérieures des espèces réactives formées

12 Les très hautes puissances crêtes : exemple des effets à distances des impulsions électromagnétiques larges bandes Chaque cable, piste de circuit imprimé, fente,cavité des systemes electroniques se comporte comme une antenne et / ou un resonnateur capable de coupler aux composants electroniques de l énergie électrique disruptive provenant d impulsions electromagnetiques larges bandes Domaines / Applications: -Analyses de la vulnérabilité des aéronefs vis à vis de la foudre, et concepts de protection -Défense: neutralisations de systèmes de communications et de commandement adverses, antiterrorisme

13 Niveaux d énergie électrique nécessaires au disfonctionnement et à la destruction des composants électroniques ( Joules) Niveaux de disfonctionnement Niveaux de destruction

14 Estimation de l effet EMP à distance (100x 200 J, F= Destruction de tous les équipements électroniques non 10 m : 20 J / m 2 30kV / m 20000J 10 m 100 m Disfonctionnement grave / fatal de tous les composants électroniques non durcis 0,2J/ m2 3kV / 100 m

15 Conclusions 1 D une façon générale, les technologies et les capacités de l EIP sont mal connues du public: - L enseignement de la Physique aborde les effets d optique rapide ( optique non linaire) mais ignore les effets électroniques rapides à plus basses fréquences: c était la même situation pour le Gap des TeraHertz il y a quelques années - Ce domaine orphelin de la Physique n est que peu visité par les scientifiques et ingénieurs, sauf pour des besoins spécifiques et souvent confidentiels - Pour ces raisons, les applications aux procédés industriels ne sont pas développées: l industrie se montre conservatrice, les labos étatiques civils peu impliqués et les PME compétentes peu nombreuses

16 Conclusions 2 : Propositions Développer l enseignement de l EIP dans les écoles d ingénieurs et les formations doctorales Rédiger le livre blanc de l EIP et monter les pôles de compétence français / européens Introduire les thèmes de l EIP dans les appels d offres et appels à projets Nanotechnologies Matériaux Procédés de l ANR, l AII, la CEE SINON d autres auront les bonnes idées technologiques, et les marchés correspondants