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Alimentation de puissance d`une lampe exciplexe à décharge à

1. l lectrode plane I dech alim Electrode Luminosit m tallique pr s de la pointe Vaech pointe Gaz confin a basse pression J Electrode plan Figure 1 5 Configuration pour obtenir une d charge couronne avec une lectrode en forme de pointe V alim 1 2 4 Claquage du gaz Transition entre le r gime Townsend et la de d charge luminescente Si le champ lectrique est encore augment et devient suffisamment important des lectrons secondaires sont mis par la cathode cause du bombardement des ions positifs Ces lectrons secondaires font augmenter le courant et chuter la tension aux bornes du gaz provocant une transition discontinue entre le r gime de Townsend et le r gime luminescent Ce champ lectrique peut tre d sign comme le champ lectrique de claquage Il s agit de la r gion IV dans la caract ristique statique de la d charge figure 1 4 La tension correspondante au champ lectrique de claquage est d nomm e tension de claquage ou potentiel disruptif selon la loi de PASCHEN 1 3 elle d pend uniquement du produit entre la pression du gaz Pgaz et la distance inter lectrodes d ech Chapitre 1 1 3 Dans cette quation A et C sont des constantes propres chaque gaz et y est le coefficient d mission lectronique secondaire qui repr sente le rapport entre le nombre d lectrons secondaires mis par la cathode et la somme des ions
2. lectrode interne L lectrode m tallique externe recouvre la paroi externe du cylindre ext rieur Pour permettre que les rayons UV sortent du volume int rieur de la lampe il faut ouvrir une fen tre dans l lectrode externe et faire un bobinage avec de fils fins non jointif Il est important de faire co ncider lectrode interne avec la fen tre d mission pour obtenir un maximum de puissance rayonn e en sortie Alimentation _e Electrode LE externe Barri res di lectriques Gaz confin De a Fen tre Electrode interne pee tet ee d mission Figure 2 1 Structure de l excilampe a mod liser La d charge dans cette lampe suit le m me principe qu une DBD classique les lectrodes et le gaz sont s par s par des di lectriques En cons quence nous avons repris le mod le employ habituellement 2 2 2 4 2 5 pour ce type de d charges Les cylindres en silice forment les deux barri res di lectriques de cette DBD le cylindre externe est repr sent dans le mod le de la figure 2 2 gauche par la capacit Caiemxr Le cylindre interne constitue la capacit C aiennr Le gaz confin entre ces deux barri res di lectriques peut pr senter un comportement isolant ou conducteur suivant la tension impos e ses bornes Vgaz Dans le premier cas o Vgaz ne d passe pas la tension de claquage le courant qui circule travers la lampe est uniquement un courant de d pl
3. m thode de Levenberg Marquardt Ces m thodes ne garantissent pas la convergence au 43 Chapitre 2 minimum global raison pour laquelle il est important de bien estimer la valeur initiale des param tres N D autres m thodes bas es sur des algorithmes volutionnaires pourraient tre une solution ce probl me cependant nous nous sommes limit s prendre en main l outil qui avait t r alis car l optimisation de ce logiciel n est pas l objectif de cette th se Variation des param tres avec la m thode du gradient La m thode du gradient permet de changer la valeur de chaque param tre entre deux pas du cycle it ratif en utilisant la valeur du gradient de l erreur comme le montre l quation 2 17 ou sous une autre forme l expression 2 18 flp flp Piika Pie T4 ee 2 17 Pie Pifk 1 Pika Pig 4 Vf p 2 18 o iestl index d un param tre o kestle pas qui vient d tre simul et k 1 et le pas suivant o la variable a peut tre chang e pendant le processus de minimisation afin d influencer plus ou moins le poids du gradient dans la variation des param tres Le gradient de l erreur est calcul par rapport a chaque param tre entre la simulation a l it ration k et celle de l it ration k 1 Pour un mod le constitu de fonctions d rivables il est possible de calculer analytiquement ce gradient Variation des param tres avec la m thod
4. Chapitre 4 fois que le courant est pass par z ro quelques centaines de nanosecondes Ceci occasionne un retard au blocage important Un autre inconv nient de la configuration initiale est le suivant le point de mesure anode du thyristor peut tre des niveaux lev s de tension positifs ou n gatifs la tension positive est bloqu e par la diode Dz pendant que la tension n gative chute dans la r sistance Rz occasionnant une dissipation importante de puissance Avec la nouvelle configuration pr sent e dans la figure 4 5 nous vitons les inconv nients de lenteur au blocage en mettant en place une d tection directe de l annulation du courant du thyristor iak 5 V Rz 5 V Comparateur D R PR a D 10V 5V Sources de Zener D tension ind pendante a Point d pengan S oint de Me bien isol es 5 V o mesure Circuit logique de commande Figure 4 5 Configuration d finitive du thyristor rapide L image du courant est reconstitu e par la tension Vas du MOSFET gr ce a sa r sistance ras entre drain et source qui reste quasi constante durant la phase de la conduction Cette proportionnalit entre le courant du thyristor iak et la tension Vas peut tre v rifi e dans la figure 4 6 courbe entr e du comparateur Avec cette configuration nous vitons aussi la forte dissipation de puissance car les valeurs de tension n gatives sont bloqu es
5. La sortie du comparateur est activ e au moment exact du passage par z ro du courant vitant le retard cause du recouvrement de la diode s rie Dans cette figure nous pouvons observer en sortie du comparateur cercle t1 que le probl me d un fort dv dt expliqu dans la figure 4 3 r apparait Cette fois il est r solu travers une logique en aval du comparateur Grace cette logique une fois que l ordre d amorcage est donn la g chette du thyristor la sortie du comparateur est filtr e les changements d tat sont en fait ignor s pendant un certain temps pour ne pas bloquer la structure de fa on ind sirable La logique de commande comporte en plus de ce filtrage et du 95 Chapitre 4 maintien de la commande comportement de la bascule expliqu dans la section pr c dente deux autres caract ristiques La premi re concerne le blocage de s curit qui sert interrompre la conduction du thyristor au del d un certain temps nous introduisons ainsi une dur e maximale de conduction ajustable au cas o il y ait un probl me avec le circuit de d tection du comparateur La deuxi me est un d lai r glable entre la d tection du comparateur et l envoi de l ordre de blocage la grille du MOSFET Celui ci peut servir bloquer le thyristor au moment exact o le courant ak S annule la fin de la phase de recouvrement on vite ainsi un di dt fort dans un circuit inductif comme c
6. Toutes les valeurs des nombres de spires sont valu es en consid rant la somme des pertes pertes fer et pertes ohmiques et la capacit parasite de l enroulement secondaire Pour chaque circuit magn tique nous retenons finalement le nombre de spires optimal pour lequel la somme des pertes est minimale nous m morisons galement un intervalle de tol rance des nombres de spires pr sentant des pertes inf rieures 110 de la valeur optimale Finalement nous comparons les solutions retenues pour chaque configuration magn tique et choisissons la meilleure d entre elles A noter que les options qui pr sentent une capacit parasite lev e sont rejet es probl me trait dans la section 4 3 4 2 7 Dimensionnement de l inductance Le dernier composant concevoir est l inductance L que nous avons aussi appel e inductance de charge Bien que cette partie puisse s ex cuter de fa on classique 4 6 en minimisant la taille du noyau nous avons mis en place une proc dure similaire celle du transformateur avec un balayage d un ensemble de noyaux disponibles La solution s lectionn e est celle qui pr sente les pertes pertes fer et pertes ohmiques les plus faibles 4 3 D termination des caract ristiques parasites du transformateur La r alisation pratique du transformateur a des cons quences directes sur le fonctionnement des convertisseurs car ses l ments parasites peuvent alt rer les formes
7. lampe Figure 2 24 Forme donde id ale pour contr ler la puissance de la lampe Conclusion La mod lisation de la lampe est un travail important qui sert conna tre le comportement de la charge et qui va nous permettre dans un premier temps de d finir l alimentation ad quate pour contr ler la puissance dans la d charge Le mod le identifi de la lampe d crit les interactions alimentation lampe ce qui s av re tr s utile pendant la phase de conception du convertisseur car on peut ainsi conna tre les valeurs de toutes les variables par l interm diaire d une simulation de l ensemble du syst me afin d effectuer un dimensionnement correct de la structure Ce mod le va nous permettre aussi dans une phase future d analyse de r sultats de calculer les variables qui ne sont pas mesurables comme le courant la tension et la conductance du gaz Nous avons conclu que la meilleure fa on de contr ler la puissance dans la lampe est l imposition d un courant bidirectionnel avec une valeur moyenne nulle r glable en fr quence et en amplitude avec le respect des contraintes li es au temps de d charge et au temps de relaxation Comme extension ce travail nous pouvons imaginer l inclusion d un indicateur d mission UV dans le mod le de la lampe 2 15 Ceci permettrait de calculer la puissance rayonn e par la lampe et d optimiser le syst me convertisseur lampe en vue de maximiser ce rayonnement 56
8. nergie sup rieure celle de l tat fondamental e Ensuite il y a une association entre le Xe et un atome de Xe qui g n re l excim re Xe2 Cette esp ce excit e a une nergie plus grande que celle de la somme de deux atomes de Xe 19 Chapitre 1 e Finalement l excim re Xe2 revient a son tat fondamental deux atomes de Xe lib rant le surplus d nergie 7 2 eV sous forme de photon Le calcul de la longueur d onde rayonn se fait avec l quation 1 9 o h la constante de PLANK et c la vitesse de la lumi re 1 25 h c 6 63x10 3x10f 7 2 1 602x10 172 nm 1 9 Energie 1 5 2 Exciplexe L exciplexe est une mol cule excit e instable constitu e par un atome d un gaz rare et un autre d un halog ne Son nom provient de l anglais excited complex et le processus de g n ration de la lumi re est similaire a celui d un excim re expliqu auparavant Nous pr sentons maintenant les r actions correspondantes la formation de l exciplexe XeCl voir figure 1 13 qui est le m lange employ dans la lampe qui sert de support exp rimental au cours de cette th se 1 19 e Xe e e Xe e CL Cl Cl Xe Cl rs XeCl XeCl gt Xe Cl hv Figure 1 13 R actions dans un m lange Xe Cl pour la production de l UV 308 nm e Le m lange gazeux est compos essentiellement d atomes de Xe et de mol cules de chlore Ch e
9. spectrale du rayonnement UV Avec le montage de spectrom trie utilis dans la section pr c dente nous fixons le syst me sur un certain point de fonctionnement et nous faisons varier la fr quence de filtrage du monochromateur De cette fa on nous pouvons mesurer le spectre d mission de la lampe sur la figure 5 13 nous pr sentons le spectre correspondant la s rie de mesures effectu es 50 kHz pour les autres fr quences les r sultats sont similaires Nous pouvons observer la figure 5 14 que pour toutes les valeurs d nergie nous avons une tr s bonne densit spectrale centr e sur 307 8 nm ce qui indique clairement que l alimentation n alt re pas le spectre d mission de la lampe 3500 Puissance U A NO S S 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Longueur d onde nm Figure 5 13 Densit spectrale de puissance de l mission de la lampe a diff rentes nergies obtenue avec le nouveau concept d alimentation Nous v rifions nouveau le contr le de la puissance rayonn e par l interm diaire de l nergie envoy pendant chaque s quence de d charge variation du temps de charge 136 Etude des Interactions I UV Puissance U A 300 305 310 315 Longueur d onde nm Figure 5 14 Agrandissement du spectre sur la longueur d onde d mission Mise en vidence du contr le de la puissance rayonn par l interm diaire du temps de charge 5 4 Etude d une microd
10. 2 2 A A PIKULEV V M TSVETKOV Simulation of the Discharge Process in a Barrier Discharge Cell Based on a Three Parameter Models Technical Physics 2007 Vol 52 No 9 pp 1121 1126 148 Bibliographie 2 3 S BHOSLE Influence du mode d alimentation sur des d charges barri re di lectrique dans du x non pour la production d ultraviolets Th se de l Universit Paul Sabatier Toulouse III 2006 2 4 K OLEG M SERGEY M NAKAOKA Frequency characteristics analysis and switching power supply designing for dielectric barrier discharge type load Power Electronics Congress 2002 Technical Proceedings CIEP 2002 VIII IEEE International pp 222 227 2 5 S VONGPHOUTHONE H PIQUET H FOCH Model of the homogeneous electrical discharge Eur Phys Journal AP 15 2001 123 133 2 6 A M CASSIE Th orie Nouvelle des Arcs de Rupture et de la Rigidit des Circuits CIGRE Report 102 1939 2 7 P H SCHAVEMAKER L VAN DER SLUIS An Improved Mayr Type Arc Model Based on Current Zero Measurements IEEE Transactions on Power Delivery vol 15 no 2 pp 580 584 Apr 2000 2 8 S BHOSLE G ZISSIS J J DAMELINCOURT A CAPDEVILA K GUPTA F P DAWSON V F TARASENKO Electrical modeling of an homogeneous dielectric barrier discharge DBD Industry Applications Conference 2005 vol 4 no pp 2315 2319 2 9 J P SALANNE Contr le du point de fonctionnement des d charges lectriques pa
11. 65 kHz Puissance lectrique lampe W 1 6 1 8 2 2 2 2 4 2 6 2 8 3 322 temps de charge Us Figure 4 27 Contr le de la puissance envoy e la lampe est assur par la phase de charge Comparaison entre la th orie et l exp rience 60 kHz haut Courbes exp rimentales plusieurs fr quences bas 120 R alisations pratiques Remarque le mod le identifi de la lampe est utile afin de calculer partir du courant exp rimental de la lampe le courant la tension et la puissance dans le gaz Nous obtenons un tr s bon accord entre les courbes du courant et de la puissance en termes de dur e et forme d onde comme le montre la figure 4 28 Ainsi nous v rifions que le gaz est en r gime normal de d charge tension constante 1800V et que la puissance du gaz est contr l e par le courant 400 300 200 100 0 100 200 i a 1800V 300 400 0 temps Us Figure 4 28 Puissance du gaz contr l e par le courant La tension du gaz est presque constante 1800V pendant qu il y a une circulation de courant a travers le gaz 4 7 Systeme de gestion et pilotage des convertisseurs Le diagramme de la figure 4 29 illustre le sch ma fonctionnel du syst me de gestion et pilotage des alimentations La g n ration des signaux de commande est r alis e par une carte lectronique bas e sur un FPGA 4 14 ces signaux sont envoy s aux interrupteurs du convertisseur avec un isolement galvanique
12. J Phys D Appl Phys 36 2003 R53 R79 1 19 U KOGELSCHATZ Silent discharges for the generation of ultraviolet and vacuum ultraviolet excimer radiation Pure amp Appl Chem Vol 62 No 9 pp 1667 1674 1990 1 20 M I LOMAEV E A SOSNIN V F TARASENKO D V SHITS V S SKAKUN M V EROFEEV A A LISENKO Capacitive and Barrier Discharge Excilamps and Their Applications Review Instruments and Experimental Techniques 2006 Vol 49 No 5 pp 595 616 1 21 U KOGELSCHATZ H ESROM J Y ZHANG I W BOYD High intensity sources of incoherent UV and VUV excimer radiation for low temperature materials processing Applied Surface Science 168 2000 29 36 1 22 E A SOSNIN M V EROFEEV V F TARASENKO Capacitive discharge exciplex lamps J Phys D Appl Phys 38 2005 3194 3201 1 23 J B BIRKS Excimers Rep Prog Phys 1975 Vol 38 pp 903 974 1 24 U KOGELSCHATZ B ELISASSON W EGLI From ozone generators to flat television screens history and future potential of dielectric barrier discharges Pure amp Appl Chem Vol 71 No 10 pp 1819 1828 1999 1 25 M PLANK On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum Annalen der Physik vol 4 p 553 ff 1901 1 26 M I LOMAEV V S SKAKUN E A SOSNIN V F TARASENKO D V SHITTS Sealed efficient excilamps excited by a capacitive discharge Technical Physics Letters Vol 25 No 11 1999 1 27 F MASSINES A RABEHI P
13. Le courant inject au primaire est divis entre la capacit parasite et la lampe Le temps de d charge et le d passement en courant augmentent avec la valeur de cette capacit 109 Chapitre 4 4 3 2 Inductance magn tisante L imp dance correspondant l inductance magn tisante Lm doit tre beaucoup plus grande que celle de la capacit de charge dans le cas contraire la forme d onde du courant dans la lampe est affect e pendant la phase de d charge Nous pouvons observer dans la figure 4 17 que cette inductance cr e des ondulations en courant au niveau du secondaire qui sont inversement proportionnelles a sa valeur et proportionnelles l int grale de la tension dans la lampe Courant mA 0 5 10 15 20 Temps us Courant mA L 230 mH 0 5 10 15 20 Temps us Figure 4 17 Probl me d une inductance magn tisante faible Pour une valeur de Lm au dela de 20 fois Ls des ondulations sont pr sentes haut Dans le cas contraire le mode de fonctionnement est perdu bas 110 R alisations pratiques Ces ondulations peuvent tre tol r es jusqu un certain point d termin en simulation pour des valeurs de Lm au del de 20 fois la valeur de Ls Cette condition est remplie pour le cas de la courbe du haut de la figure 4 17 avec une valeur de Lm gal 1 H En revanche pour les valeurs en dessous de cette marge le mode de fonctionnement attendu est perdu comme le montre l ex
14. compos par R1 Rz D2 et la diode Zener Comparateur avec R C hyst r sis i R D l O Point de 410V mesure Sources de C Zener tension D 1 ind pendantes et bien isol es Figure 4 2 Configuration initiale du thyristor haute fr quence en utilisant un MOSFET en s rie avec une diode et un circuit de contr le 91 Chapitre 4 La r sistance R polarise la Zener en direct et assure un niveau de tension positif en entr e du comparateur pendant que le thyristor conduit Au moment du blocage spontan de Di la tension de l anode devient n gative ce moment D rentre en conduction et polarise la Zener en inverse travers la r sistance de puissance Rz ce qui fait changer la sortie du comparateur et subs quemment bloque le MOSFET L inconv nient avec cette configuration outre la consommation de puissance dans la r sistance Rz est la propagation des variations de la tension l anode dv dt qui sont tr s importantes vers l entr e du comparateur ce fait est principalement d au couplage capacitif occasionn par la diode Dz qui peut g n rer un blocage ind sirable de la structure Ce probl me se produit notamment au moment de l amor age du thyristor la tension qui tait une valeur lev e environ 500 V pendant que l interrupteur tait bloqu retombe a une valeur presque nulle dans l espace de quelques nanosecondes Cette variation de tension passe en entr
15. elles peuvent tre impliqu es dans plusieurs tapes de la fabrication d un circuit int gr Avec les 16 Etat de l art des DBDs DBDs il est possible de r aliser des d p ts de surfaces et des gravures qui sont d ailleurs tr s pr cises Elles permettent de r aliser des gravures anisotropiques caract ristique n cessaire pour la miniaturisation Un int r t de la DBD est la possibilit d augmenter la pression du r acteur tout en obtenant gr ce la structure plus homog ne dans ce type de d charge les m mes r sultats que ceux d un proc d plasma actuel en cons quence les co ts de r alisation des puces peuvent chuter norm ment car le travail sous vide est tr s on reux 1 12 1 13 1 4 4 Eclairage et crans plasma Le contact entre l lectrode et le gaz dans les lampes est la principale source de contamination du gaz et d rosion des lectrodes la DBD est une bonne solution ce probl me et permet d augmenter la dur e de vie des lampes de nouvelle g n ration 1 14 Elles permettent aussi l limination du mercure qui est un l ment dangereux pour la sant 1 15 1 16 En ce qui concerne l clairage les lampes DBD ont galement l avantage de pouvoir produire un rayonnement homog ne travers la surface des lectrodes 1 17 cette propri t est exploit e pour les lampes d clairage de fond dans les crans LCD Les lampes DBD fluorescentes en r alit i
16. le courant et la tension du gaz sont li s travers lL v _ G 2 3 gaz gaz gaz Nous rappelons l ensemble des grandeurs et param tres qui caract risent ce mod le de la conductance Ggaz Conductance du gaz Vgaz Tension du gaz Igaz Courant de conduction dans le gaz Vin Tension de claquage du gaz au r gime permanent 34 Mod lisation de la lampe AV Coefficient d approximation de la fonction de Heaviside K Coefficient de claquage Kz Coefficient d extinction K Coefficient de proportionnalit entre le courant du gaz et la conductance Cette repr sentation math matique est une d rivation des mod les de CASSIE 2 6 et MAYR 2 7 elle incorpore le terme de claquage du gaz de fa on analogue au mod le propos en 2 8 I faut enfin noter que le mod le pr sent consid re que la d charge a un comportement homog ne ce qui n est pas r ellement le cas car les d charges pr sentes dans excilampe ont une nature filamentaire N anmoins cette approche nous permet d avoir une description g n rale de la d charge tr s utile pour la conception de l alimentation lectrique de la lampe 2 2 Proc dure d identification des param tres du mod le Le mod le formul pr c demment est d fini par plusieurs param tres ceux ci doivent tre identifi s avant d utiliser le mod le dans la phase de conception de l alimentation Nous avons utilis la proc dure
17. nieur Dossier D 2 835 02 2007 1 6 J REECE ROTH Industrial Plasma Engineering Principles Institute of Physics Publishing London U K 1995 1 7 U KOGELSCHATZ Dielectric Barrier Discharges Their History Discharge Physics and Industrial Applications Plasma Chemistry and Plasma Processing Vol 23 No 1 March 2003 1 8 U KOGELSCHATZ E KILLER B ELIASSON Decomposition of Hydrogen Sulfide in a Dielectric Barrier Discharge American Physical Society Gaseous Electronics Conference October 5 8 1999 Norfolk VA 1 9 T IKEMATSU N HAYASHI S IHARA S SATOH C YAMABE Advanced oxidation processes AOPs assisted by excimer lamp Vacuum 73 2004 579 582 1 10 K OKAZAKI T KISHIDA K OGAWA T NOZAKI Direct conversion from methane to methanol for high efficiency energy system with exergy regeneration Energy Conversion and Management 43 2002 1459 1468 1 11 F MASSINES G GOUDA N GHERARDI M DURAN E CROQUESEL The Role of Dielectric Barrier Discharge Atmosphere and Physics on Polypropylene Surface Treatment Plasmas and Polymers Vol 6 Nos 1 2 June 2001 1 12 R SEEBOCK H ESROM M CHARBONNIER M ROMAND U KOGELSCHATZ Surface modification of polyimide using dielectric barrier discharge treatment Surface and Coatings Technology 142 144 2001 455 459 1 13 Z FALKENSTEIN J J COOGAN Photoresist etching with dielectric barrier discharges in oxygen J Appl Phy
18. quence laquelle la lampe doit fonctionner un nouveau dispositif a d tre d velopp 59 Synth se des convertisseurs Chapitre 3 3 1 Structure initiale du convertisseur Comme nous l avons signal au dernier chapitre la source id ale pour alimenter une DBD en r gime normal de d charge est une source bidirectionnelle de courant Pour le cas sp cifique de la lampe ce courant doit pr senter des intervalles o le courant est nul pour permettre la relaxation des esp ces excit es La partie haute de la figure 3 1 r sume ces propri t s Nous appliquons ces formes d onde aux mod les avec pour objectif d obtenir la tension retourn e aux bornes de la lampe Cette tension donne la forme d onde montr e dans la partie basse de la figure 3 1 Nous v rifions que le mod le de la conductance est en accord avec le mod le simplifi pour les valeurs de tension que la lampe d veloppe et que le convertisseur doit supporter 100 x E O 3 wo O0 Cc D O O 100 4 S O Q GS QO Cc Q a C Mod complet _4 Mod simple 5 temps us 15 Figure 3 1 Simulation de la tension retourn e par la lampe pour un courant bidirectionnel impos Avec le mod le identifi courbe noire et le mod le simple courbe rouge La source bidirectionnelle de courant est con ue de la fa on suivante une source unidirectionnelle de courant puls est plac e en cascade avec un convertisseur inverse
19. s dans l objectif d utiliser ce mod le pendant la phase de conception du convertisseur L identification des param tres du mod le est r alis e en exploitant les formes d onde exp rimentales celles ci sont relev es en utilisant des alimentations classiques disponibles au laboratoire sources de tension sinusoidale et impulsionelle 2 3 Une analyse des relations de causalit entre les variables met en vidence la n cessit de consid rer le courant dans la lampe comme grandeur a contr ler Nous utilisons donc le courant exp rimental de la lampe comme entr e du mod le et nous recherchons les valeurs des param tres pour lesquels la diff rence entre la tension simul e et la tension exp rimentale est minimale Finalement nous analysons les r sultats de cette mod lisation pour valider les relations de causalit que nous avions tablies sur des bases structurelles Sur cette base nous d finissons enfin le mode d alimentation ad quat permettant le contr le de la puissance dans cette DBD 31 Mod lisation de la lampe Chapitre 2 2 1 Formulation du mod le de la lampe La lampe poss de une g om trie coaxiale pr sent e la figure 2 1 Dans cette structure le m lange de gaz Xe et Cl est confin entre deux cylindres coaxiaux r alis s en silice A l int rieur du cylindre interne est plac un demi cylindre m tallique en cuivre ou aluminium qui est en contact avec la silice et qui constitue
20. si un signal de g chette est re u la sortie de la bascule change l tat haut activant ainsi le MOSFET ensuite la diode rentre en conduction de mani re spontan e permettant le passage de courant de l anode vers la cathode 90 R alisations pratiques Pour la s quence de blocage spontan si le courant entre l anode et la cathode devient nul la diode se bloque naturellement et la tension anode cathode devient n gative ceci provoque un changement en sortie du comparateur vers l tat haut qui r initialise la bascule sa sortie vers l tat bas et bloque le MOSFET jusqu au prochain ordre d amorcage Les caract ristiques recherch es dans ce dispositif qui permettent de remplir les besoins des convertisseurs pr sent s dans cette th se sont les suivantes Tableau 4 1 Cahier des charges du thyristor rapide Temps de blocage Tenue en Courant Courant Fr quence de ne maintien de tension efficace cr te fonctionnement tension inverse 4 1 1 Configuration initiale Dans la r alisation pratique de cet interrupteur nous rencontrons plusieurs obstacles li s principalement au comparateur car les niveaux de tension entre l anode et la cathode de l ordre de la centaine de volts sont tr s lev s pour les circuits int gr s disponibles dans le commerce Pour rem dier cet inconv nient nous avons utilis la structure montr e sur la figure 4 2 avec un circuit d adaptation de niveau
21. utilis les m mes composants que pour l alimentation en courant il a seulement t n cessaire de modifier le c blage et d augmenter la tension continue en entr e afin d atteindre la puissance de 50 W dans la lampe la m me fr quence de fonctionnement 50 kHz Une l g re augmentation du temps de charge a t n cessaire afin de limiter la tension d entr e a 150 V et viter un claquage possible de la capacit de filtrage de sortie de l alimentation continue elle supporte au maximum 200 V odue 1 12 Figure 4 24 Sch ma de l alimentation en puissance test e avec les valeurs utilis s Avec la figure 4 25 nous v rifions le bon fonctionnement par rapport aux formes d onde th oriques Pour la m me puissance d livr e la lampe 50 W que dans l alimentation en courant nous observons que le courant cr te dans linductance est plus proche de Top d passement moindre et que pour la m me raison la rampe doit monter plus haut 2 6 A au lieu de 1 25 A pour l alimentation en courant car dans cette configuration la source de tension E n apporte pas d nergie pendant la phase de d charge 117 Chapitre 4 Dans la courbe du courant dans la lampe forme d onde bidirectionnelle nous remarquons qu cause de la plus forte valeur du courant Io le palier visible dans l alimentation en courant est presque n gligeable car le claquage est atteint de mani re plus rapide par rapport a l alimentation en
22. 123 Chapitre 5 Etude des Interactions Courant Rayonnement 125 Pl ee Ft sae reesei nn 126 5 2 Mesures r solues dans le temps sssesssssssesessecsasseseacssssessacsassessacacssessacsassocsassesearacsnssesesassesearacsassestarsaeaes 128 eg ne 136 a nr ns 137 TR ces ee ees ss pets ee es esses 140 an 143 ELDE 87 19 01 Re 147 Introduction Le plasma est un tat de la mati re concernant lequel beaucoup reste aujourd hui a comprendre d couvert en 1879 il fait l objet de nombreuses tudes et son utilisation connait de nombreuses applications qui sont de plus en plus palpables dans la vie de tous les jours Des applications relativement r centes comme par exemple les crans plats sont aujourd hui bien connues du public n anmoins il est pr sent parmi nous depuis longtemps avec les lampes phosphorescentes les ozoneurs qui permettent de purifier l eau D autres applications sont moins connues mais de grande importance parmi lesquelles la destruction des gaz toxiques et des gaz effet de serre sujet tr s m diatis depuis la fin des ann es 1970 avec la d couverte d un trou dans la couche d ozone en Antarctique Le plasma est cr e partir des gaz selon deux possibilit s soit en les chauffant soit en les soumettant a une d charge lectrique Cette derni re option permet d obtenir un plasma qui poss de une temp rature relativement basse ce type de plasma appel plasma froid est tr s importan
23. 2 3 R gime de Townsend Si on augmente l amplitude du champ lectrique appliqu les lectrons circulent avec une nergie plus lev e vitesse sup rieure au moment de l impact l anode si cette nergie est suffisante les lectrons qui rentrent en collision avec les l ments neutres du gaz produisent des lectrons suppl mentaires ces lectrons augmentent la valeur du champ lectrique ce qui son tour acc l re encore davantage les lectrons y compris les lectrons suppl mentaires engendrant ainsi un processus de multiplication lectronique aussi appel r action en cha ne ou avalanche Dans cette zone zone IH de la caract ristique sur la figure 1 4 le courant augmente exponentiellement avec la tension appliqu e aux lectrodes Etat de l art des DBDs Si l une des lectrodes est remplac e par une autre en forme de pointe comme l illustre la figure 1 5 la surface effective de la section travers e par le courant tant moindre pour la pointe que pour le plan la densit de courant dans la nouvelle lectrode sera sup rieure celle du plan Du fait de la pr sence de la pointe le champ lectrique est assez important pour ioniser un volume au voisinage de cette pointe produisant une luminosit dans les environs de cette zone Ce type de d charge est qualifi de d charge couronne et une de ses caract ristiques est qu elle demeure obscure au voisinage de la seconde lectrode ici
24. 3060 ns 3120 ns 3240 ns 3360 ns 3480 ns 3600 ns 3720 ns 3840 ns 3960 ns Figure 5 16 S quence d images montrant la formation et la disparition de la microd charge pendant le cycle o le courant circule de l int rieur vers l ext rieur Nous avons remarqu que la formation de la microd charge se fait toujours de l anode vers la cathode et que l anode reste plus luminescente pendant tout l intervalle Les formes coniques ou en champignon que l on peut apercevoir sont l effet de la courbature de la lampe car les d charges restent du type surfacique 138 Etude des Interactions I UV Le fait que l anode est plus lumineuse que la cathode explique la disparit du rayonnement entre les s quences positives et n gatives du courant Aux moments o la zone anodique se trouve pres de la paroi externe le capteur UV l ext rieur de la lampe recueille plus de lumi re que pendant le demi cycle o la zone anodique se trouve pr s du cylindre interne Anode externe Cathode interne g 9540 ns 9570 ns 9600 ns 9630 ns 9660 ns 9690 ns 9720 ns TISSSST 9780 ns 9840 ns 9900 ns 9960 ns 10020 ns 10080 ns 10140 ns a ai a 10200 ns 10260 ns 10320 ns 10380 ns 10440 ns 10500 ns 10560 ns 10620 ns 10680 ns 10740 ns 10800 ns 10860 ns 10920 ns 10980 ns 11100 ns 11220 ns 11340 ns 11460 ns 11580 ns 11700 ns 11820 ns Figure 5 17 S quence d images montrant la formation et la disparition de la micr
25. Cet algorithme d identification est appliqu initialement a une exp rience o la lampe est aliment e par une source de tension sinusoidale a 100 kHz ensuite les r sultats obtenus servent r initialiser le processus pour une exp rience ou la lampe est aliment e par une source de tension impulsionnelle a 145 kHz et rapport cyclique de 60 Les r sultats sont r inject s dans l algorithme jusqu que les param tres convergent la m me valeur pour les deux exp riences 45 Chapitre 2 Tableau 2 1 R sultats du processus d identification Vin AV Ki K2 K3 C1 C2 V Vv Q s1 s1 Vist pF pF Apres variation de Vin 1800 2 5 x 103 1 5 x 106 40 03 13 87 R sultat d finitif 1800 1003 1387 Les r sultats obtenus avec cette premi re identification sont affich s dans la deuxi me ligne du tableau des r sultats d identification tableau 2 1 La figure 2 12 montre les diff rences entre les simulations avec les param tres initiaux et ceux issus du processus d identification Exp Initial Id 1 Tension lampe kV 0 5 10 15 20 Temps us Figure 2 12 R sultats issus de la premi re phase d identification courbe Id 1 comparaison avec les valeurs initiales des param tres courbe en pointill et la courbe exp rimentale Bien que l erreur entre la courbe de tension exp rimentale et la simulation ait t minimis e les points d inflexion que nous attribuons au ph nom ne d
26. DECOMPS R B GADRI P SEGUR C MAYOUX Experimental and theoretical study of a glow discharge at atmospheric pressure controlled by dielectric barrier Journal of Applied Physics Vol 83 No 6 1998 1 28 H E WAGNER R BRANDENBURG K V KOZLOV A SONNEFELD P MICHEL J F BEHNKE The barrier discharge basic properties and applications to surface treatment Vacuum 71 2003 417 436 1 29 M LAROUSSI X LU Power consideration in the pulsed dielectric barrier discharge at atmospheric pressure Journal of Applied Physics Vol 96 No 5 2004 1 30 R P MILDREN R J CARMAN Enhanced performance of a dielectric barrier discharge lamp using short pulsed excitation J Phys D Appl Phys 34 No 1 2001 L1 L6 1 31 S LIU M NEIGER Double discharges in unipolar pulsed dielectric barrier discharge xenon excimer lamps J Phys D Appl Phys 36 2003 1565 1572 1 32 M PONCE SILVA J AGUILAR RAMIREZ E BEUTELSPACHER J M CALDERON C CORTES Single Switch Power Supply based on the Class E Shunt Amplifier for Ozone Generators IEEE PESC 2007 pp 1380 1385 2007 1 33 C ORDIZ J M ALONSO M A DALLA COSTA J RIBAS A J CALLEJA Development of a high voltage closed loop power supply for ozone generation IEEE APEC 2008 pp 1861 1867 2008 2 1 H FOCH M METZ T MEYNARD H PIQUET F RICHARDEAU Des dip les a la cellule de commutation Les techniques de l ing nieur Dossier D 3075 09 2008
27. MOHAN T M UNDELAND W P ROBBINS Power Electronic Converters Applications and Design John Wiley and Sons second edition 1995 New York U S A 3 2 Y CHERON La commutation douce dans la conversion statique de l nergie lectrique Lavoisier FRANCE avril 1989 3 3 R ORUGANTI F C LEE Resonant Power Processors Part I State Plane Analysis IEEE Transactions on industry applications Vol A 21 No 6 1985 3 4 C Q LEE K SIRI Analysis and Design of Series Resonant Coverter by State Plane Diagram IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems Vol AES 22 No 6 pp 757 763 1986 3 5 J M ALONSO J CARDESIN J A MARTIN RAMOS J GARCIA M RICO SECADES Using Current Fed Parallel Resonant Inverters for Electro Discharge Applications A Case of Study IEEE APEC pp 109 115 Vol 1 2004 88 Chapitre R alisations pratiques Ce chapitre est d di la pr sentation des r alisations exp rimentales et des solutions et m thodes sp cifiques dont elles ont n cessit le d veloppement concernant les alimentations de lampes DBD Nous pr sentons dans un premier temps la r alisation du thyristor haute fr quence Nous exposons sa philosophie de fonctionnement ainsi que son impl mentation initiale nous signalons les inconv nients rencontr s et les solutions apport es Nous pr sentons galement la configuration d finitive avec ses am liorations et ses fonctionnalit
28. a permis d tudier la formation et la disparition de cette microd charge Nous avons constat que la zone anodique est plus lumineuse que la cathodique g n rant une dissym trie dans le rayonnement UV capt l ext rieur de la lampe pendant les cycles positifs et n gatifs du courant 141 Chapitre 5 142 Conclusion g n rale Nous avons pr sent dans ce manuscrit une approche conduisant la mise au point d un nouveau type d alimentation destin e contr ler la puissance d une d charge barri re di lectrique en ce qui concerne les applications exp rimentales nous avons consacr nos efforts au cas des lampes excim res dont nous souhaitons contr ler le rayonnement UV mis par le biais de ce g n rateur Ce travail peut tre divis en trois parties principales l tude de la charge alimenter du point de vue lectrique ensuite la d finition des caract ristiques de la source lectrique destin e alimenter cette charge permettant un contr le de sa puissance et finalement la mise en uvre et la validation des performances de convertisseurs satisfaisant les conditions d finies dans la partie pr c dente La mod lisation lectrique de l excilampe nous permis d identifier de fa on claire la forme d onde ad quate n cessaire pour contr ler la puissance de la lampe Le mod le a t construit et valid l aide de chronogrammes exp rimentaux Ce mod le permet galement d
29. alimentation La suite infinie de ces s quences nous donne dans le cas d une configuration stable le comportement en r gime permanent de l alimentation ainsi que la description transitoire pendant les cycles de d marrage Trois exemples sont illustr s sur la figure 3 19 avec 25 cycles entiers trac s Ici nous faisons varier uniquement la tension continue Es en maintenant tous les l ments du circuit et la valeur de Ig constants la valeur de Vin est de 1800 V Les valeurs 75 Chapitre 3 maximales en r gime permanent pour la tension et le courant sont affich es dans le tableau Sula E 500 V E 1000 V E 1500 V A a 0 0 241 0 35 0 5 Figure 3 19 Exemple de l utilit du plan de phase pour d crire les trajectoires de d marrage et r gime permanent dans un circuit o le seul l ment tre modifi est l amplitude de la tension d entr e Tableau 3 1 Valeurs maximales de la tension et du courant lampe pour le cas de l alimentation en courant d termin es par l interm diaire du plan de phase pour trois valeurs diff rentes de la tension d entr e lo mA Ls mH Caiel pF Es V ViampeMAx V LiampeMAx mA 1
30. au dessus de 0 V l anode collecte les lectrons libres qui sont pr sents dans l atmosph re ceux ci sont produits par le rayonnement cosmique Un faible courant est alors mesur dans la d charge ce courant s accro t avec l augmentation de la tension impos e Vaim Il s agit de la zone I de la caract ristique statique de la figure 1 4 1 2 2 R gime de saturation Si l on continue d augmenter graduellement Vaiim Un certain moment tous les lectrons libres et les ions vont dispara tre collect s par l anode et la cathode respectivement Si le champ lectrique impos Varm da ch n est pas suffisant pour ioniser le gaz le courant d pend uniquement de la capacit du rayonnement cosmique ioniser le gaz Celui ci produit un certain nombre d lectrons ou d ions dans le volume de d charge par unit de temps S m En cons quence le courant sera constant courant de saturation Isat pour toutes les valeurs de tension et son expression est donn e par la relation 1 2 o Vol correspond au volume de la d charge et e la charge de l lectron Ia S Vol e 1 2 I s agit de la zone H de la figure 1 4 La d charge produite dans ce r gime de m me que celle produite par l ionisation de fond est qualifi e de d charge non autonome car elle d pend uniquement d un facteur externe au dispositif de la figure 1 3 et si ce facteur externe dispara t la d charge ne peut pas s entretenir 1
31. charge L alimentation en puissance poss de l avantage sur les alimentations classiques de pouvoir contr ler l nergie envoy e pendant chaque impulsion y compris a des valeurs tr s basses Nous avons exploit cette caract ristique afin de maintenir une seule microd charge dans la lampe comme le montre la figure 5 15 et pouvoir ainsi faire de l imagerie r solue en temps dans le domaine visible avec pour finalit d tudier la formation et la disparition de cette microd charge Cette condition a t trouv e a 63420 Hz avec un temps de charge de 884 ns Figure 5 15 Une seule microd charge stabilis e dans la lampe gr ce l injection d une nergie de faible valeur contr l e par l alimentation en puissance 137 Chapitre 5 Les figures 5 16 et 5 17 nous montrent les s quences d images correspondantes la dur e de la microd charge en incluant les intervalles de cr ation et de disparition Ces images ont t prises avec la camera rapide une r solution de 30 ns La camera a t synchronis e avec les signaux lectriques afin d associer les images la forme d onde du courant de la lampe et celle du courant dans le gaz Cathode externe Anode interne 1680 ns 1710 ns 1740 ns 1770 ns 1800 ns 1830 ns 1860 ns Tg 1920 ns 1980 ns 2040 ns 2100 ns 2160 ns 2220 ns 2280 ns mr CT _ 2340 ns 2400 ns 2460 ns 2520 ns 2580 ns 2640 ns 2700 ns 2760 ns 2820 ns 2880 ns 2940 ns 3000 ns
32. charge positive d charge positive charge n gative d charge n gative Figure 3 23 S quences de charge et d charge de l alimentation en puissance Nous remarquons que pendant les phases de d charge la source de tension continue n est pas pr sente en cons quence l nergie re ue par la lampe sera gale l nergie stock e dans l inductance pendant la phase de charge Ceci implique que le contr le de l nergie et ainsi que celui de la puissance se fait de fa on directe avec le carr du courant lop Pour ce motif nous appelons cette configuration Alimentation en puissance Ici la synth se des interrupteurs donne deux modes de fonctionnement possibles Le premier avec deux composants de comportement thyristor amor age command blocage naturel comme le montre la figure 3 24 80 Synth se des convertisseurs Courant Tension Temps Figure 3 24 Formes d onde de tension et courant pour les interrupteurs de la source unidirectionnelle de courant dans l alimentation en puissance utilis s pour faire la synth se de ces interrupteurs De la m me fa on que pour l alimentation en courant nous pouvons r duire le nombre d interrupteurs a cause des interrupteurs en s rie ainsi la structure exp rimentale est pr sent e a la figure 3 25 odure T Figure 3 25 Configuration exp rimentale de l alimentation en puissance Nous retrouvons une configuration avec tro
33. courant Fichier Vertical Basedetemps D clenchement Affichage Curseurs Mesure Math Analyse Utilitaires Aide 1 Aiciv 100 m dis 0 0 mA ofst 0 0 mA ofst LeCroy 8 20 2008 4 47 13 PM Figure 4 25 Formes d onde obtenues pour l alimentation en puissance Le courant de charge dans inductance doit tre port une valeur sup rieure par rapport a l alimentation en courant afin d obtenir la m me puissance dans la lampe Pour l alimentation en puissance la distribution des puissances mesur es et des pertes est pr sent e dans le tableau 4 3 Tableau 4 3 Distribution des pertes dans l alimentation en puissance re ps Eon 60W 48W 07W 4 4 8W 118 R alisations pratiques Nous remarquons que les pertes dans les interrupteurs ont augment consid rablement cause de l augmentation un peu plus du double du courant de commutation lo En cons quence il appara t que l alimentation en courant est plus performante en termes de puissance d livr la lampe que l alimentation en puissance 73 contre 67 4 6 Contr le de la puissance lectrique de la lampe Bien que l alimentation en puissance poss de un rendement inf rieur l alimentation en courant nous l avons pr f r e pour tudier le contr le de la puissance lectrique dans la lampe car l nergie envoy e pendant chaque s quence de d charge d pend uniquement du carr du courant Io Cette valeur est facilement modifiable par notre command
34. d cr menter la variable Premi re fois dans la boucle OUI OUI Incr menter NON Cr er variable flag 0 Cr er variable flag 1 Cr er AVar Var OUI Incr menter NON OUI AVar AVar 2 Var Var AVar AVar AVar 2 flag Var Var AVar Simulation avec la nouvelle valeur d terminer si Var est OK ou si elle doit tre incr ment e ou d cr ment e Var OK Figure 4 13 M thode d approximations successives utilis pour trouver dans les boucles de l algorithme de dimensionnement les bonnes valeurs de E et Ls 4 2 5 Choix du rapport de transformation et valeurs des composants au primaire Une fois que nous connaissons les valeurs ramen es au secondaire le rapport de transformation n cessaire pour ne pas risquer d endommager les interrupteurs du pont S1 et 1 est trouv en utilisant l quation 4 11 Viampemax est la tension cr te obtenue en simulation et Vsem repr sente la tension maximale que peuvent supporter les dispositifs semi conducteurs typiquement fix e a la moiti de la valeur limite donn e par le constructeur Ici nous prenons le cas du transformateur a trois enroulements Pour le cas du pont complet et un transformateur avec un seul primaire ce rapport est divis par 2 103 Chapitre 4 V ampeMAX V sem Ni sy 2 4 11 Dans l alimentation en courant l interrupteur SO supporte soit la m me tension que les interrupte
35. d onde de mani re consid rable par rapport la th orie pour cette raison nous consid rons qu il serait tr s int ressant dans une version future d incorporer le calcul de ces l ments dans l algorithme de dimensionnement lui m me 4 8 4 9 4 10 Dans cette section nous allons mettre en vidence gr ce a la simulation les cons quences de la pr sence des l ments parasites du modele simple de la figure 4 14 106 R alisations pratiques 1 re 1 Transformateur id al Figure 4 14 Mod le simplifi du transformateur avec ses l ments parasites ramen s au secondaire Remarque le sch ma quivalent ci dessus reste encore tr s partiel en ce qui concerne les l ments parasites du transformateur celui de la figure 4 15 pourrait tre utilis pour caract riser chacun des enroulements du transformateur et les couplages entre ces derniers 4 10 4 11 C4 Figure 4 15 Mod le plus complexe du transformateur qui tient compte des plusieurs l ments parasites dont le couplage capacitif entre primaire et secondaire 4 3 1 Capacit parasite Les probl mes occasionn s par la capacit parasite sont illustr s dans les courbes simul es de la figure 4 16 Nous consid rons dans un premier temps le chronogramme du courant d riv par la capacit parasite celui ci augmente avec la valeur de cette capacit Le courant inject au primaire et transmis au secondaire par le tr
36. dG Vin V ea K 1 exp K G K f 2 1 l waz e le premier terme de cr ation repr sente le processus d ionisation li au claquage du gaz ce terme agit quand la tension du gaz atteint la tension de claquage Ce terme de claquage illustr sur la figure 2 3 est une fonction de Heaviside mais elle a t approxim e afin d obtenir une expression d rivable analytiquement ce qui sera tr s utile pour effectuer l identification des param tres du mod le 33 Chapitre 2 Terme claquage AV 2a K eee gaz V Va Figure 2 3 Contribution du terme de claquage l quation de la conductance Le deuxi me terme est li l extinction des porteurs de charge une fois que le claquage est pass et que tout ph nom ne susceptible d entretenir l ionisation a cess cette disparition des porteurs suit une loi exponentielle d croissante avec une constante de temps gal l 2 2 extinction K 2 Le troisi me terme est un composant de cr ation qui induit une relation de proportionnalit entre le courant du gaz et la conductance en r gime permanent continu c est dire quand dGyaz dt est gal z ro L introduction de ce terme induit implicitement une hypoth se le courant du gaz peut maintenir le gaz conducteur en r gime permanent sans qu il soit n cessaire que se produise un claquage chaque demi p riode du signal d alimentation Dans ce mod le
37. de la lampe augmenterait de fa on ind finie d apr s 53 Chapitre 2 l quation 2 23 Ceci provoquerait in vitablement dans la pratique des d g ts dans un des composants de l alimentation en particulier les dispositifs semiconducteurs En cons quence dans le cas d une alimentation en courant nous sommes oblig s d imposer une source de courant bidirectionnelle avec une valeur moyenne nulle l i Viampe V gaz l finpe dt 2 23 diel Avec cette quation nous pouvons calculer d s la phase de conception du convertisseur la tension que la lampe va d velopper pour le courant impos comme le montre la figure 2 22 ce qui facilite le dimensionnement des composants de l alimentation interrupteurs transformateur c blage etc 80 40 L g 2 s g0 E a E 40 80 0 5 Temps us 15 20 Figure 2 22 Formes d onde de courant impos et tension retourn para la lampe avec une alimentation en courant Un autre avantage de l alimentation en courant est la bonne ma trise du point de fonctionnement dans la d charge Comme nous pouvons l observer sur la caract ristique statique tension courant bidirectionnelle de la d charge sur la figure 2 23 si l on travaille dans la zone du r gime normal ce qui est notre cas le point de fonctionnement est contr l uniquement par le courant du gaz De cette fa on la mani re la plus efficace de contr ler la puissance dans la d charge consiste
38. de phase les centres des cercles sont X n pour la phase B et X4 pour la phase D comme le montre la figure 3 27 La description d une p riode compl te de fonctionnement partir des conditions initiales nulles est la suivante A La phase de charge positive fait cro tre le courant dans l inductance jusqu Yo avec une tension nulle aux bornes de la capacit du di lectrique 82 Synth se des convertisseurs B La s quence de d charge positive d crit une trajectoire circulaire partir du point final de la premi re s quence le cercle est centr en X4 La trajectoire s arr te quand le courant arrive z ro C Le cycle de charge n gative fait descendre le point final de la phase B a Yo en courant D La s quence de d charge n gative trace le cercle centr en Xm partir du point final de la phase C jusqu que le courant s annule Figure 3 27 Les quatre premi res phases de charge et d charge durant le d marrage de l alimentation en puissance 3 9 1 Etude de la stabilit A la diff rence de l alimentation en courant l alimentation en puissance est toujours stable quelle que soit la valeur de la tension continue en entr e Nous observons dans les trac s du plan de phase sur la figure 3 28 correspondants aux 25 p riodes apres le d marrage que le r gime permanent est atteint Ici nous faisons varier le courant initial de la phase de d charge Io La variation de la te
39. e du comparateur g n re une tension n gative qui r initialise la bascule et conduit au blocage ind sirable du MOSFET La figure 4 3 illustre cet effet importun V I me 1 D tection Ordre de Erron e p blocage t OV Vgs commande MOSFET Blocage ind sirable ay Pee Las Temps de propagation Le Comparateur bascule driver Figure 4 3 Blocage ind sirable du thyristor synth tis d au couplage capacitif entre l anode et l entr e du comparateur 10 V Afin de r soudre cet inconv nient nous devons placer la capacitance C d t riorant de ce fait la rapidit de r ponse du syst me visible sur la figure 4 2 sa valeur doit tre suffisamment grande pour masquer les fausses d tections de tension n gative l anode cependant elle doit tre aussi assez faible pour permettre le blocage rapide du MOSFET au moment d une d tection de blocage effectif de la diode Dz 92 R alisations pratiques Cette caract ristique de rapidit au blocage est tr s importante car si la tension entre l anode et la cathode redevient positive au bout de quelque temps c est le cas dans nos alimentations le thyristor rentrerait nouveau en conduction de mani re non souhait e ainsi le temps de blocage doit tre minimis Pour notre syst me ce temps doit rester obligatoirement inf rieur 1 Us La figure 4 4 montre la validation exp rimentale de la fonction thyristor rapide
40. est le cas dans notre application Cette caract ristique ainsi que le filtrage du comparateur sont pr sent es dans la figure 4 7 Fichier Vertical Base detemps D clenchement Affichage Curseurs Mesure Math Analyse Utilitaires Entr e Comparateur image du courant Ci S D lai r glable filtrage sortie comparateur 650 ns cz Sortie comparateur D tection D tection filtr e courant nul C3 D lai r glable blocage du MOSFET 700 ns ca Commande de la grille du MOSFET Measure Picrms C 1 P2 rms C 2 P3freqic4i P4freq c 2 PScrms hiath PE freg C2 value CHER 3 122V 20 841 VS status ii ih ed oe ae ni Vv 1 060 ofst 10 90 ofst LeCroy 4189 2008 11 09 13 AM Figure 4 7 Fonctionnement de la logique de commande du MOSFET Du haut vers le bas l image du courant le signal de filtrage de la sortie du comparateur quand le signal est l tat haut les variations de la sortie du comparateur ne sont pas prises en compte la sortie du comparateur et la commande de la grille du MOSFET Le filtrage de la sortie du comparateur se fait pendant 650 ns Le MOSFET est bloqu 700 ns apr s le passage par z ro du courant 4 1 3 Auto alimentation La configuration d finitive du thyristor rapide comporte aussi un syst me d auto alimentation qui produit les sources de tension n cessaires pour la logique que nous venons de pr senter et 96 R alisations pratiques pou
41. et photos qui la percutent ce coefficient d pend du mat riau de la cathode La loi de PASCHEN peut tre transform e sous la forme 1 4 afin d introduire la valeur du produit pression distance pd min pour lequel la tension de claquage est minimale et vaut Vorag min On cherchera aussi d terminer la valeur de cette tension Une fois ces deux param tres identifi s pour un gaz nous pouvons estimer la tension de claquage pour un syst me exp rimental dont nous connaissons le produit pression distance en utilisant la courbe universelle de PASCHEN 1 4 P gaz tech Vong Le l Ada 1 4 1 m gaz p f d ain Cette relation est tr s utile pour d terminer l ordre de grandeur des tensions de claquage Par exemple si l on veut pr voir quelle est la tension de claquage dans l air avec des lectrodes en fer s par es de 500 um pression atmosph rique 760 Torr Les sources bibliographiques 1 6 fournissent les valeurs suivantes Vaagmin 360 V et pd min 5 7 x 10 3 Torr m Ainsi nous obtenons une tension de claquage de 4615 V Cette approche sera utilis e pour estimer l ordre de grandeur de la tension de claquage de la lampe utilis e pour les exp rimentations Remarque dans la pratique pour ce type de d charges haute pression au del de 100 Torr des filaments couronne ou streamers g n r s au niveau de l anode apparaissent et font claquer le gaz une tension plus
42. faible que celle donn e par 1 4 Pour l air sec et temp rature ambiante nous pouvons crire 1 5 expression empirique valable pour des distances de 1 mm maximum 10 Etat de l art des DBDs Var 3X 10 V di 1350V 1 5 C Ainsi la tension de claquage effective pour notre exemple sera d environ 2850 V 1 2 5 R gime de d charge luminescente normale Une fois la transition au r gime de d charge luminescente franchie Vaecn reste zone V sur la figure 1 4 une valeur constante plus faible que la tension de claquage pour plusieurs ordres de grandeurs de laech En effet dans ce r gime la densit de courant aux lectrodes reste constante ce qui veut dire que la d charge n occupe pas la totalit de la surface des lectrodes De cette d charge nous pouvons souligner deux choses le d but de l mission lumineuse par la d charge et la pr sence d une r gion dans le volume gazeux appel e colonne positive La colonne positive poss de les caract ristiques d un plasma un champ lectrique faible typiquement de 1 V cm et une charge d espace nulle m me nombre d lectrons que des ions Ici la temp rature des lectrons est sup rieure celle des ions et des neutres ce qui fait de ce volume un plasma hors quilibre 1 2 6 R gime de d charge luminescente anormale Dans la d charge luminescente normale nous avions une densit de courant constante quand le courant augment
43. fournie la lampe a t v rifi deux degr s de libert sont disponibles pour le mettre en uvre la fr quence de fonctionnement et l nergie d livr e a chaque p riode Nous avons aussi v rifi que le contr le du rayonnement de l excilampe est accompli par le nouveau concept d alimentation avec les deux degr s de libert mentionn s Ceci est un aspect important car nous pourrons ainsi rechercher quelle est la fr quence de fonctionnement optimale de la lampe et ensuite contr ler son rayonnement avec l nergie envoy e a chaque p riode Il appara t enfin travers les relev s r alis s en spectrom trie r solue en temps que la puissance rayonn e par la lampe d pend directement du courant circulant travers le gaz La forme d onde de la puissance UV mise suit dans le temps celle du courant dans le gaz confirmant que le mode d alimentation en courant choisi est bien adapt l objectif recherch 144 Conclusion g n rale Des am liorations sont apporter dans l outil de dimensionnement des convertisseurs notamment dans l am lioration du mod le du transformateur et dans le calcul th orique de ses l ments parasites Ceci permettra d optimiser le rendement nerg tique de l alimentation La proc dure suivie dans cette th se nous semble applicable une vaste gamme d applications de la d charge barri re di lectrique afin d obtenir un contr le pr cis de la puissance fourni
44. garanti par des optocoupleurs rapides Une carte dSPACE 1104 4 15 est utilis e pour envoyer depuis un ordinateur les consignes vers la carte FPGA Sur l interface utilisateur il est possible de changer de fr quence de fonctionnement et le temps de charge le deux degr s de libert offerts par les alimentations Cela permet de d finir pr cis ment le point de fonctionnement du syst me alimentation d charge et garantit la reproductivit des exp riences La fr quence d horloge de la FPGA est de 60 MHz ce qui limite les changements dans la p riode de fonctionnement ou dans le temps de charge a une r solution d environ 17 ns valeur suffisante pour notre application 121 Chapitre 4 Ordinateur Interface utilisateur Carte dSPACE 1104 R glage ten Tiampe consignes num riques Carte FPGA Isolation ae Convertisseur Generation signaux optique commande Figure 4 29 Systeme de gestion et pilotage des convertisseurs Conclusion et perspectives Le thyristor de synth se haute fr quence a t d velopp et test de mani re satisfaisante l utilisation de ce composant n est pas limit e aux convertisseurs pour les DBDs elle pourrait bien s largir d autres applications pour peu qu elles restent dans les limites de puissance et de fr quence des MOSFETs et des diodes rapides Nous avons aussi con u un outil de dimensionnement afin d obtenir les valeurs des composants des convertisse
45. high frequency effects in transformer windings a guide to several significant articles Fourth IEEE APEC pp 3 73 385 1989 4 8 J A COLLINS An accurate method for modeling transformer winding capacitances 16th IEEE IECON pp 1094 1099 vol 2 1990 4 9 M A PEREZ C BLANCO M RICO F F LINERA A new topology for high voltage high frequency transformers 10th IEEE APEC pp 554 559 vol 2 1995 4 10 M J PRIETO A FERNANDEZ J M DIAZ J M LOPERA J SEBASTIAN Influence of transformer parasitics in low power applications 14th IEEE APEC pp 1175 1180 vol 2 1999 4 11 H YAN LU J GUO ZHU S Y RON HUI Experimental Determination of Stray Capacitances in High Frequency Transformers IEEE Transactions on Power Electronics Vol 18 No 5 pp 1105 1112 Sept 2003 4 12 A MASSARINI MK KAZIMIERCZUK Self Capacitance of Inductors IEEE Transactions on Power Electronics vol 12 No 4 pp 671 676 Jul 1997 4 13 B TALA IGHIL Utilisation des l ments parasites des transformateurs haute et tr s haute tension dans les convertisseurs statiques a r sonance fonctionnant a fr quence variable Th se de l universit de Montpellier 2 1992 4 14 Altera ACEX 1K Programmable Logic Device Family Data Sheet version 3 4 R f rence web 2008 http www altera com literature ds acex pdf 4 15 Manuels d utilisateur dSPACE 1104 R amp D Controller Board ControlDesk 150 Alimentation de puissance d
46. lectrique Lavoisier FRANCE avril 1989 3 3 R ORUGANTI F C LEE Resonant Power Processors Part I State Plane Analysis IEEE Transactions on industry applications Vol A 21 No 6 1985 3 4 C Q LEE K SIRI Analysis and Design of Series Resonant Coverter by State Plane Diagram IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems Vol AES 22 No 6 pp 757 763 1986 3 5 J M ALONSO J CARDESIN J A MARTIN RAMOS J GARCIA M RICO SECADES Using Current Fed Parallel Resonant Inverters for Electro Discharge Applications A Case of Study IEEE APEC pp 109 115 Vol 1 2004 4 1 D ZHIFENG Synth se de Thyristor Haute Fr quences pour alimentation de puissance de lampes DBD Rapport de stage Master Recherche LAPLACE 2008 4 2 Manuels de MATLAB et de SIMULINK R f rence web http www mathworks com 149 Bibliographie 4 3 Manuel d utilisateur PSIM R f rence web http www powersimtech com 4 4 R VAN DE PLASSCHE CMOS Integrated Analog to digital and Digital to analog Converters 2nd edition Kluwer Academic Publishers Boston U S A 2003 pp 244 256 4 5 B RAZAVI Principles of Data Conversion System Design IEEE Press NY 1995 4 6 N MOHAN T M UNDELAND W P ROBBINS Power Electronic Converters Applications and Design John Wiley and Sons second edition 1995 New York U S A 4 7 A M URLING V A NIEMELA G R SKUTT T G WILSON Characterizing
47. lui imposer le courant 54 Mod lisation de la lampe gaz V ciag Premier claquage an lt lt if Vin a A la R gime normal lgaz de d charge as TM th lt _ ___ a Point de fonctionnement Ve Figure 2 23 Caract ristique statique de la d charge bidirectionnelle en tension et courant 2 10 2 Temps de relaxation D apr s les physiciens avec lesquels nous avons collabor pour cette mod lisation et pour les travaux exp rimentaux il est n cessaire de garder un temps de relaxation tre pendant lequel le courant dans le gaz est interrompu afin que les esp ces excit es reviennent leur tat fondamental 2 14 M me si cette hypoth se reste confirmer nous prenons en compte cette contrainte de ce fait la forme d onde ad quate est celle pr sent e la figure 2 24 Elle consiste imposer le courant dans la lampe et permet le contr le de l nergie envoy e durant chaque phase de d charge Pour effectuer une approximation de l nergie envoy e pendant une p riode nous prenons le cas id al o la valeur absolue de la tension du gaz vaut toujours Vin Energie 2 V L gt tien 2 24 Ainsi la puissance d livr e la lampe est contr lable et r glable avec plusieurs degr s de libert l nergie r glable par Iq et taecn et la fr quence de fonctionnement de la lampe fiampe l inverse de Tiampe P lampe Energie franpe 2 25 55 Chapitre 2 id al
48. obtenir une estimation initiale des valeurs r elles du syst me Pour obtenir des donn es plus pr cises nous proposons dans le prochain chapitre une m thode pour dimensionner pr cis ment le convertisseur qui utilise le mod le complet identifi de la lampe Les quatre phases grandeurs ramen es au secondaire du transformateur tudier sont celles pr sent es la figure 3 14 e pendant les phases A et C SO est passant e pendant la phase B S1 est passant e pendant la phase D 1 est passant 3 7 1 Normalisation Comme nous l avons remarqu pr c demment les s quences A et C d crivant une mont e lin aire du courant demandent une analyse triviale en revanche la phase B comporte un circuit de deuxi me ordre repr sent par les quations 3 6 et 3 7 de m me la phase D est d crite par 3 6 et 3 8 dv C iiei de 3 6 di Leap Es Vind Men GE di L V E v _ 3 8 dt Nous utilisons les relations de normalisation suivantes qui nous permettent de d crire les trajectoires de d charge sinusoidales dans le temps de mani re circulaire dans le plan de phase par unit de valeur en p u Si le lecteur est familiaris avec ce type d analyse nous lui proposons de passer a la section 3 7 2 3 9 Ss 72 Synth se des convertisseurs Cette premi re relation transforme une variable de tension quelconque en variable de tension normalis e La const
49. obtenons le syst me complet alimentation d charge illustr la figure 1 3 Nous mesurons la tension entre les lectrodes Vaecn et le courant circulant dans le gaz Iaech Etat de l art des DBDs I dech alim Electrode m tallique alim Gaz confin Vaech basse pression Electrode m tallique Figure 1 3 D charge continue avec une configuration d lectrodes en forme de plaques parall les La d charge form e dans le gaz peut se pr senter sur trois formes au fur et a mesure que laech augmente d charge obscure d charge luminescente et d charge d arc Ces formes correspondent a trois zones diff rentes dans la caract ristique tension courant du gaz Vaech VS Idech et elles sont atteintes avec le syst me de la figure 1 3 Chaque zone peut tre encore subdivis e en sous r gimes comme le montre la figure 1 4 Ve D charge D charge obscure luminescente Arc claq T mme a lieci I chelle logarithmique Figure 1 4 Caract ristique statique d une d charge lectrique Chapitre 1 Chacun de ces r gimes est maintenant pr sent bri vement A noter que l ensemble de ces r gimes ne s obtient qu avec une d charge basse pression Une explication d taill e peut tre trouv e en 1 6 et 1 1 1 2 1 R gime d ionisation de fond Si nous r glons la tension de sortie de l alimentation Varm a une tr s faible valeur
50. oe us lons gt Electrons Figure 1 2 Volume pour d crire un plasma de laboratoire et introduire le degr d ionisation Le degr d ionisation 1 1 est d fini comme le rapport entre la densit lectronique nombre d lectrons libres dans un volume unitaire et la somme de la densit lectronique et de la densit du gaz nombre d atomes dans le m me volume n Degr d ionisation 1 1 n N A Ce degr d ionisation sert distinguer deux familles parmi les plasmas de laboratoire les plasmas chauds et les plasmas froids Si le volume est fortement ionis Degr d ionisation 1 la temp rature de toutes les esp ces est presque la m me et nous pouvons dire que le plasma est l quilibre thermodynamique Ce type de plasma est aussi appel plasma chaud Dans le cas contraire si le volume pr sente un degr d ionisation faible typiquement de l ordre de 1x10 4 les particules excit es sont une temp rature diff rente de celle des atomes dans ce cas nous pouvons l appeler plasma hors quilibre ou plasma froid Dans la litt rature 1 1 1 5 la fronti re qui s pare les plasmas froids des plasmas chauds correspond un degr d ionisation de l ordre de 1x10 2 Au laboratoire lionisation du gaz peut s obtenir par l injection des lectrons par l interm diaire dune d charge lectrique raison pour laquelle ces plasmas sont appel s plasmas de
51. par la diode Dz alors que les valeurs lev es de la tension positive sont bloqu es par la diode Dz laissant passer vers l entr e du comparateur 94 R alisations pratiques uniquement des tensions de valeurs comprises entre 0 6 V et 4 4 V si l on consid re la chute de tension en conduction sur D2 0 6V L introduction de la diode Zener vite que le potentiel a l entr e du comparateur ne soit flottant quand D est bloqu e si la tension Zener est inf rieure 4 4 V l intervalle de la tension d entr sera entre 0 6 V et la tension Zener La sortie du comparateur peut tre appr ci e sur la figure 4 6 nous v rifions qu elle change d tat juste apr s le passage par z ro du courant Fichier Vertical Basedetemps D clenchement Affichage Curseurs Mesure Math Analyse Utilitaires Aide Entr e comparateur image du courant en ja conduction ca Measure P1freq c1 P2 max C1 P3 mean C1 P4 rms C2 P5 mms C3 Pb freq C3 value 3 67357 MHz 2 04 A 465 mA 455V 118 99960 kHz status i OoOo y v v v o g v 1213 D cenchcies 500 mAfdiv 5 00 Vidiv 2 00 Vidiv isidiv 750 mA 685 mAofst 1025Vofst _ 2 020 V ofst 50 0kS 25GSis Edge Positive LeCroy 3121 2008 3 42 28 PM Figure 4 6 Ordre de blocage du thyristor donn avec l image du courant La tension en entr e du comparateur est l image du courant entre anode et cathode iar lorsque l interrupteur est en conduction Vax nulle
52. phase de charge avec la suppression de l interrupteur S0 nous am ne une alimentation purement r sonante comme celle d velopp e en 3 5 70 Synth se des convertisseurs CA nu odure Figure 3 16 Configuration exp rimentale de l alimentation en courant 3 7 Etude dans le plan de phase Pour certaines valeurs des variables de l alimentation nous avons remarqu en simulation que le syst me devient instable comme le montre la figure 3 17 q4 S i L O O Viampe un o Temps Figure 3 17 Instabilit du syst me trouv pendant la simulation de l alimentation en courant Pour conna tre la source des instabilit s et pour mieux comprendre le fonctionnement du convertisseur nous utilisons la m thode du plan de phase vu la simplicit qu elle apporte pour l tude de la s quence r sonante de d charge 3 2 3 3 3 4 Cette tude nous permet de trouver les valeurs th oriques de tension et du courant dans le convertisseur i e tension et courant maximum et de d terminer si le courant commence cro tre ou d cro tre partir du courant initial Io s quences B et D Dans cette tude nous faisons plusieurs approximations e utilisation du mod le simplifi de la lampe 71 Chapitre 3 e nous supposons que le courant du gaz est gal au courant dans la lampe pendant toute la phase de d charge Ces consid rations nous permettent d
53. que les quations d tat est illustr e sur la figure 2 5 37 Chapitre 2 Etablir la liste des quations BEI x lle vg Ed bd Ed Mod le zimulink ki Extraire quation Ajouter quation Supprimer equation VWe otlletct z DG K1 1 expl RE ait aa G atabs g Fditer r p titif ca Simplifier equations Simplitier en nue Remplacer des ter Effectue Annuler Figure 2 5 Interface de l outil d identification pour insertion des quations d tat et de sortie 2 3 6 Variable de sortie La variable de sortie du syst me simul est la tension aux bornes de la lampe Viampe Si cette tension suit la m me forme d onde que la tension mesur e nous pouvons consid rer que le mod le de la lampe est identifi de fa on satisfaisante Deux formes d onde alimentation en tension sinuso dale et en tension impulsionnelle pour la tension mesur e sont pr sent es sur la figure 2 6 2 4 Calcul initial des param tres du mod le L identification des param tres n cessite des valeurs initiales de ces param tres Plus celles ci seront proches de la r alit plus facile sera la convergence de l algorithme d identification Nous d terminons ces valeurs th oriquement dans un processus s quentiel que nous d taillons maintenant 38 Mod lisation de la lampe ey Courant mA kB N o N B S Tension kV me oe Nw ON Uo 400 4 200 Co
54. ristique courant tension des quatre interrupteurs du pont Les quatre interrupteurs poss dent un comportement du type thyristor En cons quence la structure du pont apr s la synth se des interrupteurs prend la forme illustr e sur la figure 3 6 Figure 3 6 Pont en H avec les interrupteurs d ment identifi s tous correspondent au fonctionnement du type thyristor 63 Chapitre 3 3 3 Thyristor haute fr quence Nous avons d termin la n cessit de placer dans le pont des dispositifs qui se comportent comme des thyristors cependant nous ne trouvons pas dans le commerce en 2008 des thyristors qui puissent commuter aux fr quences requises fr quence de fonctionnement de la lampe de 100 kHz environ En cons quence nous avons impl ment un dispositif comportement du type thyristor bas sur l id e d un transistor MOS en s rie avec une diode rapide et une logique de contr le Le sch ma de base de ce dispositif est illustr sur la figure 3 7 La conception et la mise en uvre de ce dispositif sont d taill es dans le chapitre suivant Anode A O Comparateur Bascule K Set Reset TETS ee ee ee e S S eS Cathode K Figure 3 7 Diagramme de base du thyristor haute fr quence en utilisant un MOSFET en s rie avec une diode et un circuit de contr le 3 4 Transformateur l vateur Pour les niveaux typiques de puissance fournie la lampe de l ordre de 100 W la tension d v
55. s suppl mentaires comme le syst me d auto alimentation Dans la deuxi me partie nous pr sentons le dimensionnement des deux structures alimentation en courant et alimentation en puissance Ici un algorithme a t con u afin de d terminer automatiquement les valeurs des composants du convertisseur pour un cahier de charges donn Ensuite nous traitons d un point critique dans la r alisation de ces convertisseurs le transformateur haute tension Nous montrons les diff rentes difficult s rencontr es au cours de sa r alisation et de sa mise en uvre la structure exp rimentale adopt e et les points cl s sur lesquels il faudrait apporter des am liorations dans le futur Finalement nous pr sentons les r sultats exp rimentaux pour les deux types de convertisseur validant dans la pratique le principe de fonctionnement propos dans cette th se le contr le de la puissance lectrique inject e dans la d charge Ce contr le de la puissance lectrique sera traduit ult rieurement dans une approche orient e vers le proc d la production du rayonnement UV en tant que contr le de la puissance lumineuse ce point sera trait dans le chapitre suivant 89 R alisations pratiques Chapitre 4 4 1 Thyristor rapide Dans le chapitre pr c dent nous avons synth tis les semi conducteurs des structures de puissance propos es et fait appara tre le besoin d interrupteurs de puissance dot s d
56. suivante afin d identifier ces param tres Description math matique du syst me comme un mod le d tat entr e courant exp rimental de la lampe sortie tension de la lampe Calcul initial des param tres du mod le Algorithme it ratif qui fait varier les param tres et minimise l erreur entre la tension exp rimentale et la tension simul e par le syst me d tat V rification du mod le identifi avec diff rentes exp riences Cette proc dure est inspir e des travaux r alis s par J P SALANNE au cours de sa th se au LEEI devenu le LAPLACE 2 9 notamment nous exploitons l outil d identification qu il a d velopp Nous d taillons maintenant les diff rentes caract ristiques de cette proc dure 2 3 Description de l espace d tat Un espace d tat est destin d crire l tat nerg tique du syst me tudi cette technique est d taill e en 2 10 Dans notre cas particulier l espace d tat est caract ris par 35 Chapitre 2 e un vecteur d entr e U monodimensionnel comme nous le verrons plus loin e les variables d tat qui forment le vecteur d tat X repr sentatif de l tat nerg tique du syst me caract ris par l quation d tat dX dt fA X fB U 2 4 fA et fB d finissent des op rations matricielles dans le cas d un syst me d tat lin aire e l quation de sortie qui permet de calculer le vecteur de sortie Y galement mono
57. these est capable de contr ler le rayonnement UV de la lampe avec deux degr s de libert la fr quence de fonctionnement et l nergie envoy e pendant chaque cycle Nous avons constat que le rendement de la lampe peut d pendre de la fr quence de fonctionnement Dans la s rie de mesures effectu e nous avons remarqu qu 50 kHz nous produisons la m me radiation UV avec une puissance lectrique moindre par rapport aux autres fr quences Avec les mesures r solues en temps nous avons constat que le rayonnement est troitement corr l en amplitude et dur e avec le courant du gaz qui est une image de la puissance 140 Etude des Interactions I UV lectrique de la lampe Nous pouvons m me dire que les deux formes d onde sont proportionnelles Le calcul du courant dans le gaz peut tre r alis avec le mod le identifi de la lampe avec une excellente pr cision tant que la d charge couvre la totalit de la surface de la lampe Nous avons examin la densit spectrale de puissance du rayonnement de la lampe pour tous les points de fonctionnement nous obtenons une tr s bonne puret 307 8 nm et une largeur de raie d environ 2 nm Ceci signifie que les convertisseurs d velopp s n alt rent pas l mission de la lampe Finalement en exploitant la possibilit de maintenir une seule microd charge dans la lampe de mani re stable nous avons r alis une imagerie rapide ce qui nous
58. une lampe exciplexe d charge barri re di lectrique en vue du contr le du rayonnement R sum Ce travail pr sente une approche raisonn e pour alimenter en nergie lectrique une lampe exciplexe d charge barri re di lectrique en vue du contr le du rayonnement UV produit Un mod le lectrique de la lampe a t d velopp et identifi permettant d tudier les interactions alimentation lampe Ce mod le est galement utilis pour effectuer la synth se des structures candidates du convertisseur celles ci proc dent un contr le direct du courant dans la lampe Une tude exp rimentale a t men e afin de valider l approche th orique Les degr s de libert apport s par le r glage des convertisseurs sont exploit s pour analyser la corr lation entre le courant du gaz et le rayonnement UV Power supply for dielectric barrier discharge exciplex lamp for radiation control purpose Abstract This work presents a reasoned approach to deliver electric energy into a dielectric barrier discharge exciplex lamp with the aim of controlling its UV emission An electrical model of the lamp has been developed and identified in order to study the interactions between the power supply and the lamp This model is also employed to perform the synthesis of the candidate structures for the converter These structures accomplish a direct control of the lamp current An experimental study was achieved to validate th
59. vateur est utilis Une capacit est n cessaire pour enlever la composante continue de la tension au primaire afin de ne pas saturer le noyau magn tique du transformateur 25 Chapitre 1 ser ddd Figure 1 18 Alimentation impulsionnelle commerciale pour une excilampe avec fr quence et rapport cyclique variable Nous montrons dans la figure 1 19 les formes d onde de tension impos e et du courant circulant dans la lampe pour cette alimentation L exp rience a t r alis e sur la m me excilampe que pour l alimentation sinuso dale illustr e ant rieurement Nous observons que le passage de courant se fait pendant les changements de niveau de la tension impos e dans des intervalles de temps tr s courts Ce courant est effectivement un courant de conduction qui produit une dissipation de puissance dans la d charge et a une amplitude plus importante que celui fourni par l alimentation sinuso dale 400 Tension Courant 200 Tension KV Courant mA 400 0 5 10 15 Temps Us Figure 1 19 Forme d onde du courant et de la tension dans une DBD excilampe avec une alimentation impulsionnelle Avec cette alimentation le transfert d nergie vers la charge s effectue dans les moments o il y a une circulation de courant Cependant cette nergie d pend de l amplitude du courant qui est 26 Etat de l art des DBDs difficile a contr ler vu que c est le dv dt comme nous all
60. 1 3 Tableau 1 3 Caract ristiques physiques de l excilampe utilis pendant la th se Xe et Clz pourcentages confidentiels 164 mbar 123 Torr 16 4 kPa 0 162 atm Diam tre interne barri re interne 20 mm Diam tre externe barri re interne 23 mm Le Chapitre 1 1 6 Alimentations lectriques pour les DBD A pr sent nous introduisons un ensemble d alimentations destin es aux DBDs toutes se caract risent par des formes d onde courant et tension alternatives a cause du comportement capacitif inh rent a ce type de d charges sch matis pr c demment sur la figure 1 16 Avec une alimentation en tension continue au bout d un certain temps les capacit s barri res di lectriques seraient charg es au potentiel impos emp chant le passage du courant Avec une alimentation en courant continu les di lectriques se chargeraient de plus en plus conduisant des tensions qui vont endommager un composant de l alimentation ceci oblige a imposer un courant moyen nul Pour la lampe utilis dans cette th se les grandeurs typiques sont puissance lectrique autour de 100 W amplitude de la tension de l ordre de 5 kV fr quence de plusieurs dizaines de kHz et courant de plusieurs dizaines de mA Cependant dans l industrie nous pouvons trouver des lampes plus grandes qui peuvent atteindre une longueur de 2 m avec une consommation de plusieurs kW 1 7 1 6 1 Source de tension sinusoidale La
61. 800 200 10 40 1000 5724 Cette m thode nous indique aussi si l alimentation est instable ceci se produit quand les cercles d crivent une caract ristique divergente comme dans la figure 3 20 Ici nous conservons les m mes valeurs des composants que pour les exemples pr c dents et nous avons continu d augmenter Es 25 cycles trac s Nous avons remarqu que syst me devient instable si la tension continue d entr e Es ramen e au secondaire est sup rieure ou gale la tension de claquage en r gime permanent Vin Cette condition sera retrouv e analytiquement dans la section suivante Nous devons assurer alors que E lt V 3 23 S 76 Synth se des convertisseurs 25 Y 15 Y i q 15 15 0 15 X 25 5 0 25 Figure 3 20 Exemples d instabilit trouv s avec le plan de phase les trajectoires ont un comportement divergeant 3 7 4 Application au dimensionnement Si cette condition de stabilit est satisfaite nous pouvons d crire la trajectoire dans le plan de phase en r gime permanent comme l indique la figure 3 21 deux solutions possibles Figure 3 21 Deux trajectoires possibles du plan de phase en r gime permanent pour l alimentation en courant Nous pouvons utiliser le triangle en gris visible sur la trajectoire de gauche pour exprimer la relation X X 3 24 De cette quation nous pouvons d duire 77 C
62. D est objet d tude dans la destruction des gaz d chappement toxiques comme le monoxyde de carbone CO les oxydes d azote NO et dans la r duction des missions effet de serre comme le dioxyde de carbone CO responsables du r chauffement de la plan te 1 9 En outre la DBD sert aussi dans le domaine acad mique pour le moment produire de Hydrog ne partir d hydrocarbures ou afin de faciliter leur transport faire la synth se de combustibles liquides comme le m thanol partir de gaz produits dans l extraction p troli re 1 10 1 4 3 Traitement de surfaces Grace la caract ristique homog ne des DBDs elles sont utilis es dans la modification de surfaces un exemple est le traitement des plastiques pour leur permettre de coller facilement ou d tre r ceptifs l encre d impression 1 11 La DBD peut tre facilement introduite dans le processus industriel de production de papier en effectuant la d charge entre un rouleau qui fait tourner le papier et une lectrode parfois plusieurs recouverte par un di lectrique comme le montre la figure 1 10 Electrode Barri res m tallique di lectriques p r r OX Rouleau m tallique Film plastique Rouleau m tallique Alimentation lectrique Figure 1 10 Utilisation d une DBD dans le traitement surfacique de plastiques Les DBDs sont amplement tudi es pour l industrie des composants micro lectroniques
63. INK R f rence web http www mathworks com 4 3 Manuel d utilisateur PSIM R f rence web http www powersimtech com 4 4 R VAN DE PLASSCHE CMOS Integrated Analog to digital and Digital to analog Converters 2nd edition Kluwer Academic Publishers Boston U S A 2003 pp 244 256 4 5 B RAZAVI Principles of Data Conversion System Design IEEE Press NY 1995 4 6 N MOHAN T M UNDELAND W P ROBBINS Power Electronic Converters Applications and Design John Wiley and Sons second edition 1995 New York U S A 4 7 A M URLING V A NIEMELA G R SKUTT T G WILSON Characterizing high frequency effects in transformer windings a guide to several significant articles Fourth IEEE APEC pp 373 385 1989 J A COLLINS An accurate method for modeling transformer winding capacitances 16th IEEE IECON pp 1094 1099 vol 2 1990 4 9 M A PEREZ C BLANCO M RICO F F LINERA A new topology for high voltage high frequency transformers 10th IEEE APEC pp 554 559 vol 2 1995 4 10 M J PRIETO A FERNANDEZ J M DIAZ J M LOPERA J SEBASTIAN Influence of transformer parasitics in low power applications 14th IEEE APEC pp 1175 1180 vol 2 1999 4 11 H YAN LU J GUO ZHU S Y RON HUI Experimental Determination of Stray Capacitances in High Frequency Transformers IEEE Transactions on Power Electronics Vol 18 No 5 pp 1105 1112 Sept 2003 4 12 A MASSARINI MK KAZIMIERC
64. Igaz ces variables seront tr s utiles dans l analyse des r sultats effectu e dans les chapitres suivants 49 Chapitre 2 Conductance gaz LUS Courant gaz mA Temps us Figure 2 17 Similitude entre la conductance du gaz et la valeur absolue du courant de gaz confirmant le r gime normal de d charge Tension gaz kV 2 60 40 20 0 20 40 60 Courant gaz mA Figure 2 18 Caract ristique tension courant du gaz 2 8 Modele simplifie de la DBD Nous pouvons simplifier le mod le de la DBD en exploitant le fait que la tension aux bornes du gaz reste quasi constante pour la plage de fonctionnement de la lampe Ce mod le tr s simple affich sur la figure 2 19 nous permet d effectuer des calculs approximatifs sans avoir besoin 50 Mod lisation de la lampe du simulateur il va servir justifier le choix d alimentation et dans le prochain chapitre l tude dans le plan de phase l lampe Lampe DBD gaz Figure 2 19 Mod le simple de la lampe DBD Dans ce mod le nous pouvons supposer que la capacit Cyaz reste charg e a Vin et que le courant dans le gaz est gal au courant de la lampe une fois que la tension de claquage a t atteinte 2 9 Changement dans la configuration des lectrodes La configuration de la lampe pr sent e pr c demment profite de la r flexion de quelques rayons UV dans l lectrode externe pour augmenter la quantit de pui
65. J 4 Ga LC Universit de Toulouse TH SE En vue de l obtention du DOCTORAT DE L UNIVERSIT DE TOULOUSE D livr par L Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou sp cialit G nie Electrique Pr sent e et soutenue par Rafael DIEZ MEDINA Le 16 octobre 2008 Titre A imentation de puissance d une lampe exciplexe d charge barri re di lectrique en vue du contr le du rayonnement JURY MM Sounil BHOSLE Membre Jean Marie CORMIER Rapporteur Jean Francis LOISEAU Membre Hubert PIQUET Directeur de these G rard ROJAT Rapporteur Georges ZISSIS Pr sident Ecole doctorale G nie Electrique Electronique T l communications Unit de recherche Laboratoire Plasma et Conversion d Energie UMR5213 CNRS INPT UPS Directeur s de Th se M Hubert PIQUET Remerciements Les travaux pr sent s dans ce m moire ont t r alis s au sein du groupe G ENESYS du Laboratoire Plasma et Conversion d Energie LAPLACE unit mixte de recherche CNRS INPT UPS n 5213 Je tiens remercier Messieurs G rard ROJAT et Jean Marie CORMIER pour avoir accept d tre rapporteurs de cette th se Monsieur Jean Francis LOISEAU pour avoir accept d tre membre du jury de cette th se Monsieur Georges ZISSIS pr sident du jury et aussi la personne nous ayant permis de r aliser nos tudes exp rimentales sur un dispositif de type industriel Monsieur Sounil BHOSLE pou
66. Les r sultats obtenus dans cette section font appara tre la corr lation qui semble m me tre une relation de proportionnalit entre le rayonnement UV et le courant du gaz Ceci ouvre la possibilit dans le cadre de travaux futurs de contr ler la dur e et l amplitude du rayonnement notre guise Nous pouvons m me envisager de maintenir le rayonnement une valeur presque constante pendant toute la p riode en utilisant une source de courant unidirectionnelle qui fonctionne en mode de conduction continu c est dire en injectant dans la lampe un courant quasi rectangulaire 5 2 3 Temps de r ponse du rayonnement Afin d tudier le temps de r ponse de la lampe nous avons impos un changement abrupt dans la consigne de courant Ig avec une variation du temps de charge et nous avons relev simultan ment le rayonnement r solu en temps mesur par le photod tecteur Le r sultat obtenu l oscilloscope pr sent la figure 5 12 nous indique que la r ponse de l mission UV est imm diate Fichier Vertical Base detemps D clenchement Affichage Curseurs Mesure Math Analyse Utilitaire Aide CT AT NA TA M Tl Wi dtu LL a E A LA U UV Measure Piimean C3 PZpkpk C 3 P3 Pdi Pie P value 21 7 mv 539 mi status a w LeCroy 9 1 2008 3 58 10 PM Figure 5 12 Rapidit de r ponse du rayonnement UV par rapport aux variations dans la consigne de courant Io 135 Chapitre 5 5 3 Puret
67. Mod lisation de la lampe Bibliographie 2 1 H FOCH M METZ T MEYNARD H PIQUET F RICHARDEAU Des dip les la cellule de commutation Les techniques de l ing nieur Dossier D 3075 09 2008 2 2 A A PIKULEV V M TSVETKOV Simulation of the Discharge Process in a Barrier Discharge Cell Based on a Three Parameter Models Technical Physics 2007 Vol 52 No 9 pp 1121 1126 2 3 S BHOSLE Influence du mode d alimentation sur des d charges barri re di lectrique dans du x non pour la production d ultraviolets Th se de l Universit Paul Sabatier Toulouse III 2006 2 4 K OLEG M SERGEY M NAKAOKA Frequency characteristics analysis and switching power supply designing for dielectric barrier discharge type load Power Electronics Congress 2002 Technical Proceedings CIEP 2002 VIII IEEE International pp 222 227 2 5 S VONGPHOUTHONE H PIQUET H FOCH Model of the homogeneous electrical discharge Eur Phys Journal AP 15 2001 123 133 2 6 A M CASSIE Th orie Nouvelle des Arcs de Rupture et de la Rigidit des Circuits CIGRE Report 102 1939 2 7 P H SCHAVEMAKER L VAN DER SLUIS An Improved Mayr Type Arc Model Based on Current Zero Measurements IEEE Transactions on Power Delivery vol 15 no 2 pp 580 584 Apr 2000 2 8 S BHOSLE G ZISSIS J J DAMELINCOURT A CAPDEVILA K GUPTA F P DAWSON V F TARASENKO Electrical modeling of an homogeneous dielect
68. UX de l id e du thyristor rapide J ai beaucoup appr ci sa vision et ses connaissances en lectronique Dans le m me sens je remercie Zhifeng DOU qui avec Marc a r alis la version optimis e de ce composant de synth se Je remercie galement Guillaume GATEAU et Olivier DURRIEU pour l aide apport e sur le FPGA Je tiens remercier le d partement de G nie Electrique et Automatique de l ENSEEIHT ainsi que sa directrice Mme Maria DAVID pour m avoir donn l opportunit d tre moniteur De la m me mani re Fr d ric RICHARDEAU et Henri SCHNEIDER pour leur aide et leur collaboration pendant le monitorat Je remercie de mani re plus conviviale et avec quelques mots en espagnol mes amis du laboratoire que je n ai pas cit ci dessus Bernardo y Meriem pour leur compagnie tr s agr able et leur amiti inconditionnelle Muy buena gente los esperamos sin falta en nuestra casa Si toda la gente fuera tan servicial como Bernardo quizas los demas seriamos mas perezosos aun Nicolas MARTINEZ avec ce nom il ne parle pas Espagnol Muchas gracias por la ayuda al final de la tesis y sobre todo por el espiritu de companerismo Estamos esperando al profesor Martinez Los viejos del laboratorio Markos Marcus Bayram Ali Valentino Rockys je t attends pour t amener Cali capitale mondiale de la salsa Cristobal alias Titou Mateo COUDERC Adan el brasilero falso Cedric Eric Oliverio Vicent
69. Un ion positif de Xe Xe est cr produit d une collision entre un lectron nerg tique g n r par le courant lectrique et un atome de Xe Cet ion peut tre g n r aussi partir d une Xe excit Xe ou d un Xe doublement excit Xe e Un lectron nerg tique va dissocier la mol cule de chlore en produisant un ion n gatif de chlore Cl e Les deux ions pr alablement produits vont s associer formant l exciplexe XeCI e L exciplexe XeCl se d sassocie en un atome de Xe plus un atome de Cl lib rant le exc s d nergie 4 03 eV correspondant une longueur d onde de 308 nm 20 Etat de l art des DBDs Le tableau 1 2 pr sente l ensemble des longueurs d onde exploitables dans la g n ration d UV par l interm diaire des excim res et des exciplexes Tableau 1 2 Diff rents excim res et exciplexes 1 5 3 G om trie des excilampes Les excilampes utilis es exclusivement dans la g n ration des UV ont normalement une g om trie coaxiale similaire a celle de la figure 1 9 avec le m lange gazeux enferm entre le deux barri res di lectriques N anmoins d autres configurations de DBD sont possibles comme les DBD planaires ou celles avec un seul di lectrique 1 26 1 7 La figure 1 14 pr sente plusieurs configurations d excilampes Electrodes m talliques Gaz confin e i dans le Tube di lectrique Di lectriques di lect
70. ZUK Self Capacitance of Inductors IEEE Transactions on Power Electronics vol 12 No 4 pp 671 676 Jul 1997 4 13 B TALA IGHIL Utilisation des l ments parasites des transformateurs haute et tr s haute 4 8 _ tension dans les convertisseurs statiques a r sonance fonctionnant a fr quence variable Th se de l universit de Montpellier 2 1992 4 14 Altera ACEX 1K Programmable Logic Device Family Data Sheet version 3 4 R f rence web 2008 http www altera com literature ds acex pdf 4 15 Manuels d utilisateur dSPACE 1104 R amp D Controller Board ControlDesk 123 Chapitre 4 124 Chapitre Etude des Interactions Courant Rayonnement Afin d valuer les cons quences produites par le nouveau concept d alimentation sur le rayonnement UV de la lampe nous avons r alis plusieurs types de mesures optiques Pour des facilit s de contr le valeurs faibles de la puissance lectrique dans la lampe cette tude a t effectu e uniquement avec l alimentation en puissance Cependant des r sultats similaires peuvent tre attendus dans l alimentation en courant Initialement nous utilisons un radiom tre qui capte la lumi re a 308 nm pour effectuer les mesures de puissance optique en fonction de l nergie envoy e la lampe Ici nous v rifions que le contr le de la puissance lectrique de la lampe d montr dans le chapitre pr c dent peut se traduire en contr le du r
71. a 2 Puissance UV relative W cm N gt N NO Un U9 Un EN Un 5 10 15 20 25 30 35 40 Puissance lectrique lampe W Figure 5 3 Puissance rayonn e en fonction de la puissance lectrique inject e dans la lampe Variation du rendement de la lampe avec la fr quence sup rieur 50 kHz par rapport aux autres fr quences Cette derni re figure fait aussi apparaitre un rendement quasi constant pentes des lignes presque constantes De cette section nous pouvons retenir qu effectivement l alimentation contr le la puissance UV rayonn e par la lampe avec deux degr s de libert fr quence et temps de charge ceci est 127 Chapitre 5 tr s int ressant car la lampe peut pr senter un meilleur rendement une fr quence donn e pour la gamme de fr quences tudi es 50 kHz semble tre la fr quence de fonctionnement optimale Comme la puissance lectrique dans le gaz est troitement corr l e au courant igaz comme cela a t tabli au chapitre pr c dent nous avons d cid d effectuer des mesures r solues en temps comme il sera montr dans la section suivante 5 2 Mesures r solues dans le temps 5 2 1 Mesures au photod tecteur Nous avons utilis un photod tecteur 308 nm qui nous donne la forme d onde de la puissance misse Ce syst me constitu d une photodiode et d un amplificateur rapide est pr sent la figure 5 4 Il pr sente l avantage d une visualisa
72. acement ceci est repr sent par la capacit Cyaz Dans le deuxi me cas le claquage du gaz provoque un courant de conduction Igaz 32 Mod lisation de la lampe Cette situation de conduction dans le gaz est gouvern e par la caract ristique tension courant de la d charge Afin de respecter la causalit du point de vue lectrique nous avons choisi de mod liser cette caract ristique par la conductance du gaz Gyaz ainsi le courant du gaz igaz est d duit des valeurs de la conductance et de la tension impos e par la capacit Cgaz Ce point sera d taill dans la section suivante Nous remarquons que les capacit s Caieiexr et Caieunr Sont en s rie De ce fait elles peuvent tre simplifi es sous la forme d une seule capacit quivalente Ca comme le montre la figure 2 2 droite l lampe Lampe DBD l lampe Cx dielINT Lampe DBD C dielEx T Figure 2 2 Mod le lectrique de l excilampe Repr sentation de tous les l ments physiques impliqu s gauche Mod le utilis en simulation avec une seule capacit pour les deux di lectriques droite 2 1 1 Mod le de la conductance Le ph nom ne de conduction dans le gaz est repr sent par un mod le de conductance variable qui est plac en parall le avec Cgaz Cette conductance est gouvern e par l quation 2 1 dans ce mod le comportemental elle comporte trois termes dans son membre de droite que nous d taillons maintenant 1
73. aicinisseaiisvaisisiininarinuindisennnanaiidmnnnienien 49 raps lars I E a E re a oran 50 2 9 Changement dans la configuration des IECTOMES nnninenminisnaiusonnitisanainasta 51 2 10 Forme d onde ad quate pour contr ler la puissance par l interm diaire de l alimentation see cece xcept ke gc RN AN NA EANA N EE NE O E T AE 92 ame en AEE EO E A E E NE A N OT EEA E ene 56 E a aR T E E E ee een 57 Chapitre 3 Synth se des CONVertisSSeUTS sise 59 Table des mati res id ey ET IS OU POP SU na E 60 nt aout a in 61 er ver 64 a A Orna OR oo am dot 64 3 9 S0Urce uUnidirectionnelle de COT EP Lan munaeneenemmummmmunmonmmntm 65 30 Alimentation e Courant mremmmnaumnmmumanenmmaenmarmnanadmnainnmncuonmnunitint 66 S Lutein e phon eT aan see 71 EE T E EATE a EA E E E NA AE E A A AE EE E 79 3 9 Etude dans le plan de phase pour l alimentation en puissance 82 O EEA AA 86 RE E a EE 88 Chapitre 4 R alisations pratiques nr 89 Le ee A A 90 4 4 Algorithme de CIES ICONE men nee es aan 99 4 3 D termination des caract ristiques parasites du transformateur 106 4 4 R alisation exp rimentale de l alimentation en courant gt nn 115 4 5 R alisation exp rimentale de l alimentation en puissance nn 117 4 6 Contr le de la puissance lectrique de la lampe enr 119 4 7 Syst me de gestion et pilotage des CONVErTISSEUTS si scrsisr nisssinsinniensnniemnenntessus 121 Conchueion st pers DOC mme ineniions Lae Para yeaa ee ee ee eee
74. ait la surface du plasma s largissait Si nous continuons augmenter le courant la surface du plasma couvre la totalit des lectrodes Pour monter plus haut en courant il est n cessaire de r aliser une augmentation de la densit de courant ainsi la charge d espace augmente entrainant le renforcement du champ lectrique ceci se traduit par un accroissement dans la tension de d charge Ce r gime correspond au secteur VI dans la figure 1 4 1 2 7 Arc non thermique Avec l augmentation de la densit de courant la cathode se chauffe jusqu au point d incandescence et produit par effet thermo onique des lectrons suppl mentaires Ces lectrons cr ent un ph nom ne d avalanche et font chuter de fa on discontinue la tension dans la d charge Si la densit de courant continue d augmenter la tension est de plus en plus faible cause de la g n ration d lectrons par le m me effet Ceci donne une caract ristique de r sistance n gative correspondant la zone VII dans la figure 1 4 Le r gime d arc non thermique peut appara tre l il comme une d charge luminescente N anmoins dans le r gime d arc les densit s de courant sont de l ordre de quelques A cm alors que dans les d charges normales elles sont habituellement inf rieures 50 mA cm2 11 Chapitre 1 1 2 8 Arc thermique Dans ce r gime nous avons une temp rature similaire pour toutes les esp ces dans le gaz en d au
75. ampe kV Tension lam NO 0 5 Temps us 15 0 5 Temps us 10 Figure 2 15 V rification du mod le identifi avec des formes d onde exp rimentales diff rentes a celles utilis es pendant l identification 48 Mod lisation de la lampe 2 7 Commentaires sur le mod le de la conductance Nous pouvons observer la figure 2 16 la contribution temporelle de chacun des trois termes du membre de droite de l quation de la conductance Comme c tait pr visible le terme du claquage est le plus important en amplitude et de type impulsionnel d une dur e d environ 10 ns puis le terme de proportionnalit du courant et le terme de disparition agissent 40 Claquage je sy NO Courant Contribution termes S s 0 2 4 6 8 10 Temps us Figure 2 16 Contribution des trois termes du membre de droite de l quation 2 1 La similitude entre la forme d onde du courant dans le gaz et celle de la conductance du gaz peut tre constat e la figure 2 17 Ceci signifie que la tension dans le gaz est presque constante confirmant l hypoth se d un fonctionnement en r gime de d charge luminescente normal Cette propri t est confirm e par la caract ristique tension courant du gaz affich e sur la figure 2 18 Soulignons aussi que ce mod le de la lampe DBD nous permet de r aliser l observation de variables qui ne sont pas mesurables C est en particulier le cas des grandeurs Ggaz Vgaz et
76. ansformateur est r parti entre deux capacit s la capacit parasite du transformateur et la capacit de la lampe cette derni re change de valeur avant et apr s le claquage 107 Chapitre 4 Avant le claquage du gaz la capacit de la lampe est l quivalent s rie entre la capacit des di lectriques et la capacit du gaz donnant pour notre cas particulier une valeur proche de 10 pF Apr s le claquage la capacit est celle du di lectrique 56 pF Le changement de capacit est perceptible au moment du claquage et se traduit par une rupture de pente dans la forme d onde frampe Sur les courbes de la figure 4 16 La capacit parasite de l enroulement secondaire nous oblige injecter un courant plus important au niveau du primaire afin d obtenir le courant souhait dans la lampe Nous devons tenir compte de cela pendant le dimensionnement du convertisseur c bles primaire et secondaire interrupteurs inductance et puissance de l alimentation E Comme la capacit globale du circuit r sonant est modifi e le d passement partir de Top et la dur e de d charge sont plus importants Ce dernier point peut tre critique Pour une capacit parasite trop lev e nous pouvons tre oblig s d effectuer un blocage forc des interrupteurs pour satisfaire la contrainte sur la dur e de d charge Pour viter cela les configurations des transformateurs sont rejet es dans l outil de dimensionnement quand ell
77. ante Vy est choisie arbitrairement de fa on travailler avec des valeurs sans dimensions et proches de l unit y 3 10 j Vy Cette seconde transformation transforme une variable de courant quelconque en variable de courant normalis e Ro est la r sistance propre du syst me r sonant c est dire la moiti de la r sistance critique d finie par un coefficient d amortissement de 1 Re 3 11 Nous d finissons aussi la pulsation propre du syst me r sonant ou pulsation de r sonance COMME 3 12 Maintenant nous pouvons r crire pour la phase de d charge positive les quations 3 6 et 3 7 de la fa on suivante 2y 3 13 at T X X X 3 14 0 X Xs Xin et Y sont les variables normalis es correspondantes a Vcaie Es Vin et its respectivement en combinant ces deux quations nous pouvons arriver l quation diff rentielle du deuxi me ordre d X arta X 0 X X 0 3 15 La solution de cette quation est donn e par X t R cos 1 0 A 3 16 73 Chapitre 3 Y t R sin t 8 3 17 Avec R X X X 7 3 18 A X X 3 19 mee 0 arosine 3 20 Xo et Yo sont respectivement les conditions initiales pour la tension et le courant pendant la phase de d charge c est dire que e Y correspond au courant o auquel nous arr tons la phase de charge de l inductance Ls e Xo est la valeur la plus n gative de la te
78. ation de la lampe C AV iampe diel licmpe a 2 22 Nous pouvons en conclure que le courant dans la lampe va d pendre uniquement des variations de la tension impos e comme le montre la figure 2 21 n cessitant alors une source de tension qui varie avec le temps Nous allons aussi d couvrir ult rieurement que la tension aux bornes de la lampe atteint des valeurs tr s lev es ce qui rend n cessaire l utilisation d un transformateur l vateur qui son tour n cessite l usage d une tension avec une valeur moyenne nulle pour viter la saturation du noyau magn tique Tension impos e kV Courant lampe A 10 Temps Us Figure 2 21 Formes d onde de tension impos e et courant retourn dans une DBD avec une alimentation en tension impulsionnelle N Le principal inconv nient avec ce type de source est la difficult maitriser les pentes montantes et descendantes de la tension impos e car elles d pendent fortement des l ments parasites du transformateur et des caract ristiques dynamiques des interrupteurs param tres qui sont m connus au moment de la conception de l alimentation engendrant un dimensionnement de la structure difficile et une incertitude quant la valeur de l nergie envoy e pendant chaque phase de d charge Source de courant A cause de la nature capacitive de la DBD nous ne pouvons pas y faire circuler un courant unidirectionnel car la tension aux bornes
79. avec la configuration initiale Nous observons que l intervalle de temps entre le passage par z ro du courant et le blocage du MOSFET est d environ 600 ns respectant la consigne de temps de blocage maximum 1 Us impos e 15 r fa 10 _ D FT 7 m 1 5 E lt 0 Vos i E O 5 Re chili E hap An paa 5 WTS 2 10 i h ee ee LCL 1 Temps us Figure 4 4 Formes d onde qui valident la fonction thyristor avec un temps de blocage d environ 600 ns A noter des sources de tension ind pendantes pr sentant une bonne isolation galvanique sont n cessaires pour alimenter les circuits int gr s de contr le du thyristor 10 V et 5V 4 1 2 Configuration d finitive Une am lioration significative a t apport e par rapport la configuration initiale pendant le stage de Master de M Dou ZI FENG encadr par MM Marc COUSINEAU et Hubert PIQUET 4 1 dont l objectif tait pr cis ment l am lioration des performances et de la compacit de ce thyristor de synth se Dans cette nouvelle configuration au lieu de bloquer le MOSFET a partir de la d tection de la mesure n gative de la tension Vax nous le faisons a partir d une d tection d une valeur n gative du courant iar Dans la configuration initiale le blocage du thyristor est complet d s que la tension a l anode devient n gative pour cela il faut attendre la fin du temps de recouvrement de la diode Dz une 93
80. ayonnement UV Ensuite nous effectuons des mesures r solues dans le temps afin de comparer les formes d onde du rayonnement UV avec celles du courant dans la lampe et du courant dans le gaz Ces mesures sont r alis es dans un premier temps avec un photod tecteur puis avec un montage purement optique afin d viter les perturbations lectromagn tiques A l aide la spectrom trie nous v rifions que la densit spectrale de puissance de l mission UV n est pas affect e par le concept d alimentation pr sent dans ce travail avec une raie centr e pr s de 308 nm correspondant au m lange gazeux dont sont remplies les lampes Pour finir nous r alisons une imagerie r solue en temps pour mettre en vidence la possibilit d tudier la dynamique d une seule microd charge dans la lampe Ici nous remarquerons que l anode est plus lumineuse que la cathode et que la microd charge est visible lors d une circulation de courant 125 Etude des Interactions I UV Chapitre 5 5 1 Contr le de la puissance rayonn e Dans cette section nous pla ons un radiometre 5 cm de la lampe comme le montre la figure 5 1 Ce capteur per oit les rayons dans une surface circulaire de 1 cm et donne une valeur moyenne de la puissance capt e durant chaque seconde sous la forme de puissance relative en mW cm2 La valeur affich e correspond uniquement la longueur d onde mise par l exciplexe XeCl 308 nm F
81. claquage au d marrage qui est plus lev e Vin correspond a la tension de claquage une fois que la lampe est en r gime tabli 2 4 3 Estimation initiale du coefficient d extinction K2 Apr s avoir calcul la tension du gaz l quation 2 14 nous permet de reconstituer le courant dans le gaz de C 2 14 gaz Lampe gaz d t j La conductance est ensuite d crite par l quation 2 15 41 Chapitre 2 G 2 15 La figure 2 10 pr sente ces deux variables les fronts raides observ s sont des singularit s num riques quand la tension du gaz passe par z ro La valeur initiale de Kz est retrouv e en calculant la constante de temps de l exponentielle d croissante de la conductance une fois le claquage atteint Cette valeur est calcul e graphiquement 2 7x10 s t elle para t raisonnable d apr s la litt rature 2 11 Courant conduction mA Conductance gaz US Temps Us Figure 2 10 Courant et conductance du gaz la constante d extinction est d termin e avec le temps de d croissance 2 4 4 Estimation du coefficient de proportionnalit k3 Nous observons galement a la figure 2 10 la similitude entre la valeur absolue du courant et la conductance du gaz ceci est en accord avec l hypoth se d un fonctionnement en r gime de d charge luminescente normal suppos pr c demment A priori l ionisation cr e par le claquage est un v nement instantan en cons
82. d charge Cette d charge lectrique provoque des collisions entre les lectrons mis depuis la cathode vers l anode et les esp ces du gaz Ces collisions g n rent des esp ces nouvelles dans le gaz lesquelles leur tour peuvent produire des changements temporaires ou d finitifs dans la structure du gaz ou d un autre mat riau expos la d charge Chapitre 1 Le tableau 1 1 pr sente les collisions produites par des lectrons les plus communes dans une d charge lectrique A et B sont deux atomes du gaz Tableau 1 1 Collisions induites par un lectron dans un plasma de d charge Dome eme Les collisions o d autres esp ces Ions Radicaux etc interviennent sont aussi tr s importantes dans la physique du plasma N anmoins l tude approfondie de ce sujet n est pas l objet de cette th se 1 2 R gimes de d charge dans un gaz Un gaz soumis une d charge de laboratoire peut se trouver dans diff rents r gimes de fonctionnement Afin d identifier ces r gimes nous consid rons une d charge de type continu nous connectons une source de tension continue Varm qui poss de une r sistance interne r glable Raim deux lectrodes anode et cathode s par es par le gaz basse pression et confin qui sera ionis la distance entre les lectrodes est not e d ech Nous consid rons le cas o les lectrodes sont des plaques m talliques parall les ainsi nous
83. de l algorithme de dimensionnement 4 2 2 Valeur initiale de la tension d alimentation continue Avec le choix initial de l inductance et les consignes correspondantes la puissance et la p riode de fonctionnement de la lampe nous pouvons trouver la valeur initiale de E tension continue d entr e ramen e au secondaire qui permet de fournir la puissance n cessaire a la lampe Pour ce faire nous abandonnons un degr de libert concernant la dur e de la phase de charge qui doit toujours remplir la condition 4 2 Ainsi nous introduisons la constante de rapport de charge Ken grandeur qui reste inf rieure 1 et repr sente le rapport de la dur e de la phase de charge par rapport la dur e de relaxation 4 3 Cette constante sera une entr e additionnelle de l algorithme de dimensionnement 100 R alisations pratiques lampe Le lt gt l tech 4 2 lon on K 4 3 rel lampe __ fs 2 Choix de la valeur initiale de E pour l alimentation en puissance ici la puissance dans la lampe d pend directement de Io nous employons donc l quation 4 4 pour permettre d envoyer l nergie requise pendant chaque demi p riode Pe T lampe A 4 L initial a puiss L S Ainsi nous pouvons calculer E par l interm diaire de l quation 4 5 L initiale I 0 initial E initial a puiss T 4 5 lampe K ch 2 Choix de la valeur initiale de E pour l alimentation e
84. dimensionnel dans notre cas Y fC X fD U 2 5 e les parametres du modele 2 3 1 Variable d entr e La variable exp rimentale d entr e du syst me lampe est le courant mesur en entr e d une des lectrodes de la lampe Elle peut tre rep r e dans le mod le de la DBD sur la figure 2 2 Deux formes d onde de ce signal correspondantes l alimentation sinuso dale et l alimentation impulsionnelle sont pr sent es sur la figure 2 6 2 3 2 Param tres Les param tres qui vont tre ult rieurement identifi s sont les suivants Caiel Cgaz Vin A V Ki K2 et K3 Ces param tres sont introduits avec leurs valeurs initiales dans l outil d identification travers l interface montr e dans la figure 2 4 Ici nous fixons galement les valeurs limites bornes sup rieure et inf rieure que peut atteindre chaque param tre il est aussi possible de garder un param tre fig duret gale z ro Etablir la liste des param tres jo x Valeur initiale Ajouter RS Minit Maximum 1000 1760 2500 Enlever Durete 1 El Effectu Annuler Figure 2 4 Interface de l outil d identification Insertion des param tres de leur valeur initiale et de leurs limites de variation 36 Mod lisation de la lampe 2 3 3 Variables d tat Les variables d tat qui d crivent le comportement dynamique du syst me sont la tension du gaz Vyaz et la conductance du gaz Ggaz il fa
85. e la d charge 145 Conclusion g n rale 146 Bibliographie 1 1 A M POINTU J PERRIN J JOLLY Plasmas froids de d charge Propri t s lectriques Les techniques de l ing nieur Dossier D 2 830 02 2007 1 2 T LEHNER L tat de plasma le feu de l univers Vuibert Paris France 2004 1 3 R f rence web Texte de vulgarisation scientifique http www plasmas org 1 4 P FAUCHAIS Plasma thermiques Aspects fondamentaux Les techniques de l ing nieur Dossier D 2 810 02 2007 1 5 A M POINTU J PERRIN J JOLLY Plasmas froids de d charge Applications et diagnostic Les techniques de l ing nieur Dossier D 2 835 02 2007 1 6 J REECE ROTH Industrial Plasma Engineering Principles Institute of Physics Publishing London U K 1995 1 7 U KOGELSCHATZ Dielectric Barrier Discharges Their History Discharge Physics and Industrial Applications Plasma Chemistry and Plasma Processing Vol 23 No 1 March 2003 1 8 U KOGELSCHATZ E KILLER B ELIASSON Decomposition of Hydrogen Sulfide in a Dielectric Barrier Discharge American Physical Society Gaseous Electronics Conference October 5 8 1999 Norfolk VA 1 9 T IKEMATSU N HAYASHI S IHARA S SATOH C YAMABE Advanced oxidation processes AOPs assisted by excimer lamp Vacuum 73 2004 579 582 1 10 K OKAZAKI T KISHIDA K OGAWA T NOZAKI Direct conversion from methane to methanol
86. e gr ce la variation du temps de charge comme le montre la figure 4 26 qui pr sente le r sultat d une variation brusque de la consigne Io Fichier Vertical Base detemps D clenchement Affichage Curseurs Mesure Math Analyse Utilitaires Aide LeCroy 91 2008 4 10 53 PM Figure 4 26 R glage de la puissance avec une variation du temps de charge variation de I De plus l alimentation en puissance nous permet d obtenir un intervalle de puissance comprenant des valeurs tr s faibles caract ristique qui sera exploit e dans le dernier chapitre 119 Chapitre 4 Afin de caract riser le contr le de la puissance dans la lampe nous nous pla ons une fr quence choisie et nous faisons varier la dur e du temps de charge ce qui modifie l nergie envoy e la lampe Puis nous suivons la m me proc dure pour d autres fr quences Le r sultat est pr sent la figure 4 27 ces courbes d montrent que le contr le de la puissance dans la lampe est r alis gr ce la phase de charge r glage de Io Cette figure nous montre aussi les deux degr s de libert que cette alimentation poss de pour le contr le de la puissance l nergie contr l e par la phase de charge et la fr quence de fonctionnement 40 35 Th orie Exp rience 30 60 kHz 25 20 15 Puissance lectrique lampe W 10 1 6 1 8 2 22 2 4 2 6 temps de charge Us 50 kHz t 55 kHz 60 kHz O
87. e los 2 Jer nimos MAVIER y FAUCHER los 3 Franciscos PIGACHE BONNET y DEFAY Merci aux deux derniers Francois pour l aide avec le dSPACE et le FPGA Aux plus jeunes todavia les queda tiempo por sufrir Silvio Celina Mateo el breton Lauriana Marwan de los angeles Federico Makara Delfina Rubinho e familia Miguel Batista Labo Antonio ex presidente Lowinsky Damian Clemente Sebastian Merci beaucoup pour ton aide aussi Nadia Rafael mi tocayo con ph y Hoan muy amable y Djibrillah mil gracias et bon courage Les deseo a todos muchos xitos en su doctorado Je remercie tous les autres doctorants et permanents du laboratoire que j ai pu rencontrer au long de ces trois ann es inoubliables et que j aurais oubli s Remerciements Ramiro y familia ya nos veremos en tierras suramericanas Quiz s en Carcarafia o por qu no en Colombia que como dicen ustedes los argentinos es lindo El doctorado representa una etapa importante de mi vida un sue o realizado gracias a la ayuda y el soporte de muchas personas solo cito algunas sin embargo agradezco a todas aquellas que puedan sentirse alegres y que comparten conmigo este logro Juan Carlos y Tatiana quienes me hicieron venir a Toulouse a Claudia Gustavo y Hernan por la compania durante el primer ano en Francia A mis suegros y mi cu ada que ahora hacen parte de mi familia A Ofelia Jairo y Adriana quienes me ayudaron y me soportaron durante ta
88. e claquage ne correspondent pas pour cette raison nous avons incr ment manuellement la valeur de Viz et nous l avons fig e avant de relancer l algorithme d identification Les r sultats obtenus sont affich s dans la troisi me ligne du tableau d identification Il est important de remarquer que les valeurs trouv es pour les capacit s sont en accord avec la capacit quivalente de la lampe quand il n y a pas de claquage dans le gaz 46 Mod lisation de la lampe Les r sultats obtenus approchent tr s bien la courbe simul e de la courbe exp rimentale n anmoins nous augmentons manuellement la constante d ionisation Kz afin de diminuer le temps d ionisation 10 ns valeur propos e dans la litt rature 2 12 Finalement seules les constantes Kz et K3 sont d clar es modifiables les autres param tres sont fig s dans l outil d identification et le programme d identification est relanc Nous obtenons alors les r sultats d finitifs d identification pr sent s la derni re ligne du tableau d identification Les diff rences entre les simulations et les courbes exp rimentales pour des alimentations en tension sinuso dale et en tension puls e sont pr sent es la figure 2 13 3 Exp A f 100 kHz f 145 kHz Id 3 pd rl R C 60 gt gt 4 a y 1 o D CO E 0 P 5 ol a Th S OU 0 5 Temps us 15 20 0 3 Temps us 9 12 Figure 2 13 R sul
89. e de Levenberg Marquardt Une autre m thode pour changer les param tres est celle de Newton 2 19 qui au lieu de faire l incr ment ou d cr ment du param tre en utilisant la valeur du gradient utilise la valeur inverse du Hessien le Hessien H est la d riv seconde de l erreur par rapport chacun des param tres Si les deux m thodes sont combin es nous pouvons crire la variation du jeu des param tres travers l quation 2 20 1 Pira Pig 4 Vf p 2 19 Pia l pa H b D Vfl 2 20 Avec 44 Mod lisation de la lampe e la matrice identit e bun coefficient qui permet de pond rer les deux m thodes donnant plus de poids la m thode de Newton ou celle du gradient 2 5 2 Proc dure it rative Dans notre cas particulier l algorithme de la figure 2 11 assure l identification des param tres Les valeurs initiales des param tres trouv es dans la section pr c dente sont plac s dans la premi re ligne du tableau de r sultats d identification tableau 2 1 Jeu initial de param tres Cie Coaz K K3 K3 Vin AV Simulation du modele G n rer nouveau Estimation de R jeu de param tres l erreur Choix manuel des param tres Erreur acceptable ou nombre maximum d it rations Tous les param tres estim s OUI R sultats Figure 2 11 Algorithme it ratif utilis pour l identification de param tres du mod le de la lampe DBD
90. e des convertisseurs Le contr le de l nergie se fait pendant que SO est l tat passant s quence dor navant appel e phase de charge Le circuit quivalent est affich dans la figure 3 12 L quation qui d crit le comportement lin aire du courant dans l inductance pendant cette phase est la suivante lop 3 1 ten est le temps employ pour faire cro tre de 0 jusqu Ip le courant dans I inductance A la fin de cette s quence l nergie stock e dans inductance est gale a nergies a 3 2 2 loh Figure 3 12 Circuit quivalent de l alimentation en courant pendant la phase de charge Une fois que l on arrive a la valeur d nergie d sir e on passe la phase de d charge en bloquant SO au m me moment o l on amorce 1 SO et S1 forment une cellule avec K1 passant le raisonnement d velopp ici est bas sur l utilisation d interrupteurs SO et S1 fonctionnels dont la synth se sera effectu e plus loin Ainsi le circuit quivalent devient celui pr sent sur la figure 3 13 Dans cette s quence apparait le circuit r sonant form de l inductance de charge L et de la lampe qui pr sente un caract re capacitif capacit gale Caie une fois que le claquage s est produit 67 Chapitre 3 Figure 3 13 Circuit quivalent de l alimentation en courant pendant la phase de d charge Dans cette s quence le courant dans l inductance pr sente donc une
91. e en noir que la nouvelle microd charge ne peut se produire qu au del de la distance dmin de la premi re microd charge Cette propri t de la barri re di lectrique d viter le passage l arc est la motivation essentielle de son utilisation Ainsi au fur et mesure que nous augmentons le courant dans la DBD nous allons augmenter progressivement le nombre de microd charges En cons quence avec un nombre important de microd charges et le comportement diffus que chacune d entre elles pr sente en surface l ensemble de la DBD peut tre consid r e comme une d charge homog ne ce r gime de fonctionnement pour lequel la densit de courant est homog ne sur toute la surface de la d charge est particuli rement recherch pour les proc d s relatifs aux surfaces 13 Chapitre 1 Tension kV 0 1 2 3 Distance mm Figure 1 8 Profil de tension produit par une microd charge qui emp che une deuxi me microd charge de se former pr s de la premi re Dans les DBDs deux di lectriques le gaz est compl tement s par des lectrodes ce qui rend cette d charge tr s utile pour viter la contamination d un proc d Par exemple dans le cas des lampes une dur e de vie beaucoup plus importante est obtenue Si la caract ristique capacitive de la d charge donne beaucoup d avantages par rapport au proc d elle n cessite cependant une alimentation particuli re qui assure un courant alterna
92. e peut tre trouv en 2 7 Nous allons d crire ici de mani re succincte la m thode du mod le employ par cet outil M thode du mod le Pour notre cas concret initialement le syst me est simul en utilisant les quations d tat et les param tres initiaux pr sent s pr c demment La sortie du syst me qui est dans notre cas la tension simul e de la lampe est compar e a la tension r elle mesur e Si l erreur entre les deux courbes est sup rieure une limite fix e nous devons changer les param tres et simuler le syst me nouveau jusqu trouver une diff rence acceptable Ce processus est effectu de mani re it rative jusqu retrouver le bon jeu des param tres ou jusqu une certaine limite dans le nombre d it rations Calcul de l erreur L erreur est la diff rence quadratique entre la simulation et la mesure comme le montre l quation 2 16 S m erreur 2 f p 2 16 Cette erreur est la somme sur tous les points de l chantillonnage de la diff rence entre la simulation S et la mesure M et elle peut tre d finie comme une fonction f qui d pend du jeu des param tres fp Cette vision transforme le probl me d identification en un probl me de minimisation d une fonction La variation des param tres peut se faire des plusieurs fa ons l outil d identification employ dans cette th se utilise seulement deux approches euristiques la m thode du gradient et la
93. e theoretical approach The degrees of freedom of these converters are exploited to analyze the correlation between the lamp current and the UV emission
94. elopp e ses bornes atteint des niveaux d environ 5 KV il s agit d une valeur tr s lev e pour la technologie actuelle des semiconducteurs 2008 Pour cette raison nous sommes oblig s d inclure un transformateur l vateur entre le pont et la lampe celui ci sera caract ris par son rapport de transformation not n Ainsi la structure du pont devient celle de la figure 3 8 64 Synth se des convertisseurs edue7 Figure 3 8 Transformateur l vateur n cessaire pour amener une tension supportable aux interrupteurs du pont et la source unidirectionnelle de courant L introduction d un transformateur permet de construire une configuration avec deux enroulements primaires et un enroulement secondaire ce qui r duit le nombre d interrupteurs a deux et permet de commander plus facilement la structure car les deux interrupteurs restants sont en configuration a cathode commune Cet arrangement est illustr sur la figure 3 9 odwe Figure 3 9 R duction du nombre d interrupteurs dans l inverseur de courant avec l utilisation d un transformateur a trois enroulements 3 5 Source unidirectionnelle de courant J Il y a plusieurs possibilit s pour construire la source unidirectionnelle de courant nous allons nous inspirer des hacheurs survolteur et d volteur survolteur en mode de conduction discontinu 3 1 Dans ces deux types d alimentation une inductance est charg e pendant un certain tem
95. emple en bas de la figure 4 17 avec 10 fois la valeur de Ls Lm 230 mH Dans l outil de dimensionnement la valeur de l inductance magn tisante est calcul e avec l quation 4 19 qui utilise et le nombre de tours au secondaire Ns et l inductance sp cifique du circuit magn tique Les configurations pour lesquels la valeur de Lm est inf rieure 20 fois la valeur de Ls sont rejet es par l algorithme de dimensionnement L N ean 4 19 e 4 3 3 Inductance de fuites Le dernier des composants parasites identifi s est l inductance de fuites Lj Si cette inductance a une valeur lev e des ondulations ind sirables alt rent le courant pendant la phase de d charge De la m me fa on qu avec une valeur de Lm tr s faible ces ondulations emp chent la relaxation du gaz et obligent a un blocage forc des interrupteurs S1 et 1 diminuant le rendement de l alimentation et provoquant un grand di dt dans l inductance de charge ce qui peut devenir dangereux pour les interrupteurs En cons quence cette inductance de fuites doit tre minimis e afin de conserver des formes d onde satisfaisantes dans le cas contraire nous obtenons des formes d onde comme celles de la simulation de la figure 4 18 Cependant dans la pratique les techniques pour minimiser l inductance de fuites am nent g n ralement l augmentation de la capacit parasite 4 13 pour cette raison nous sommes amen s r aliser un compromi
96. er une DBD et plus particuli rement une excilampe elle consiste fondamentalement contr ler le courant dans la d charge au lieu d imposer la tension du dispositif et obtenir un contr le pr cis des caract ristiques de ce courant fr quence amplitude dur e de d charge et dur e de relaxation Cette technique permet d obtenir un meilleur contr le par rapport a une alimentation en tension de la puissance d livr e la lampe elle permet de d finir la quantit d nergie envoy e chaque demi p riode Nous avons propos deux convertisseurs possibles pour alimenter la lampe le premier appel Alimentation en courant et le deuxi me Alimentation en puissance L tude dans le plan de phase effectu e pour chacune de ces deux structures nous permet 86 Synth se des convertisseurs e decomprendre et d crire le fonctionnement p riodique des architectures e de calculer d s la phase de conception la puissance transmise la lampe e de conna tre les contraintes sur les composants des convertisseurs e d exprimer les conditions de stabilit pour l alimentation en courant Nous avons aussi bri vement pr sent un composant essentiel pour l alimentation le thyristor haute fr quence de synth se qui pourrait galement trouver d autres applications que l alimentation des DBD pourvu qu elles soient basse puissance et haute fr quence 87 Chapitre 3 Bibliographie 3 1 N
97. es pr sentent une capacit calcul e sup rieure 10 pF Le calcul de la capacit parasite est effectu de la fa on suivante pour les configurations plusieurs couches au secondaire avec l quation 4 17 o C1 2 C2 3 Cm 1 n Sont les capacit s entre deux couches successives chaque capacit est calcul e partir de la surface des couches et de l paisseur d isolant qui les s pare 1 1 1 1 _ 4 17 C C 2 C33 Coen pour les configurations a une seule couche au secondaire nous exploitons l quation 4 18 propos e dans 4 12 o f estlalongueur d un tour amp est la permittivit di lectrique du vide o amp estla constante di lectrique de l isolant plac autour du cuivre o Destle diam tre du fil de cuivre sans le vernis isolant o Dexle diam tre externe du cable avec l isolant Nous ne prenons pas en compte la capacit des enroulements primaires n gligeable une fois ramen e au secondaire cause de la valeur lev e du rapport de transformation 108 R alisations pratiques 1432 e fn pe 2 arctan 2 3 En De 2 6 in D D D in Cru 1 366 1 gt 4 18 1 parasite l lampe Courant mA 0 5 10 15 20 Temps us 400 parasite Tampe 200 oN i n prim Courant mA 200 400 0 5 10 15 20 Temps Us Figure 4 16 Inconv nient d une capacit parasite lev e
98. exes pr sentent des avantages par rapport aux techniques classiques de production d UV 1 21 1 22 e elles n utilisent pas le mercure dans le m lange gazeux vitant des cons quences graves pour la sant et l environnement e elles n ont pas besoin d un syst me de chauffage du gaz mercure et peuvent tre employ es dans des applications basse temp rature r gime luminescente au lieu du r gime d arc e leur spectre d mission peut tre r gl avec le m lange gazeux avec multiples choix voir tableau 1 2 avec une largeur de raie de l ordre de la dizaine de nanom tres 1 5 1 Excim re L excime re qui doit son nom la contraction en anglais de excited dimmer est une mol cule excit e et instable form e par deux atomes d un gaz rare Cette mol cule lib re une nergie en forme de photon lors de son retour l tat fondamental deux atomes avec une longueur d onde qui d pend du gaz 1 23 1 24 Si nous prenons le cas du Xe les r actions pr sent es en figure 1 12 sont celles qui vont cr er l excim re et ensuite rayonner dans l UV e Xe gt e Xe Xe Xe gt Xe Xe2 gt Xe Xe hv Figure 1 12 R actions pr sentes dans le Xe pour la production de PUV 172 nm e Initialement un lectron nerg tique g n r par le courant lectrique de d charge rentre en collision avec un atome de Xe produisant un Xe excit ou Xe pr sentant une
99. fa on la plus facilement r alisable et peut tre la plus ancienne d alimenter une DBD est d utiliser un g n rateur de tension sinuso dale 1 27 1 28 Dans ce type de configuration il est n cessaire de placer un transformateur l vateur en sortie du g n rateur quand la tension du g n rateur n est pas suffisante pour faire claquer le gaz Les alimentations sinusoidales permettent un r glage de la fr quence et de l amplitude de la tension Pour ce type d alimentation nous avons relev exp rimentalement sur une excilampe les formes d onde de tension et courant affich es sur la figure 1 17 Le g n rateur a 100 kHz fait claquer le gaz quand la tension cr te de la lampe est autour de 4 kV Suite au claquage cette tension redescend a 3 kV avec un courant cr t d environ 50 mA Nous pouvons remarquer le d phasage de 90 entre la tension et le courant ce qui signifie que le courant fourni par le g n rateur est un courant de d placement qui ne participe pas a la dissipation de puissance dans le gaz Typiquement avec ce type d alimentation le courant de conduction ne circule dans le gaz que de fa on instantan e aux moments du claquage du gaz il s agit des pics que l on peut observer sur le courant fourni 24 Etat de l art des DBDs Tension Courant Tension KV Courant mA Courant conduction 0 5 10 15 Temps us Figure 1 17 Forme d onde du courant et de la tension dans
100. for high efficiency energy system with exergy regeneration Energy Conversion and Management 43 2002 1459 1468 1 11 F MASSINES G GOUDA N GHERARDI M DURAN E CROQUESEL The Role of Dielectric Barrier Discharge Atmosphere and Physics on Polypropylene Surface Treatment Plasmas and Polymers Vol 6 Nos 1 2 June 2001 1 12 R SEEBOCK H ESROM M CHARBONNIER M ROMAND U KOGELSCHATZ Surface modification of polyimide using dielectric barrier discharge treatment Surface and Coatings Technology 142 144 2001 455 459 1 13 Z FALKENSTEIN J J COOGAN Photoresist etching with dielectric barrier discharges in oxygen J Appl Phys 82 6273 1997 1 14 J Y ZHANG I W BOYD Lifetime investigation of excimer UV sources Applied Surface Science 168 2000 296 299 1 15 T SHIGA S MIKOSHIBA S SHINADA Mercury Free High Luminance and High Efficacy Flat Discharge Lamp for LCD Backlighting Electronics and Communications in Japan Part 2 Vol 84 No 8 2001 1 16 T J SOMMERER D A DOUGHTY Radiometric characterization of xenon positive column discharges J Phys D Appl Phys 31 1998 2803 2817 147 Bibliographie 1 17 N N GUIVAN J JANCA A BRABLEC P STAHEL P SLAVICEK L L SHIMON Planar UV excilamp excited by a surface barrier discharge J Phys D Appl Phys 38 2005 3188 3193 1 18 J P BOEUF Plasma display panels physics recent developments and key issues
101. forme d onde sinuso dale avec une valeur initiale gale Top Les conditions pour d terminer si le courant cro t ou d cro t en suivant cette sinuso de seront expos es plus tard dans l tude avec le plan de phase Au moment du passage par z ro du courant l interrupteur S1 est bloqu commutation douce terminant ainsi la phase de d charge On maintient SO l tat bloqu pendant le temps de relaxation souhait Pour compl ter une p riode enti re il est n cessaire de r aliser un autre cycle de charge et d charge en revanche cette fois K1 est l tat passant De cette fa on le courant circule dans le sens n gatif dans la lampe Les quatre cycles complets en n gligeant la s quence o tous les interrupteurs sont ouverts sont illustr s dans la figure 3 14 D sormais nous ramenons tous les composants de l alimentation au secondaire du transformateur et nous utilisons le mod le simplifi de la lampe afin de faciliter la repr sentation sch matique et l tude analytique 68 Synth se des convertisseurs lis 7 Phase de Phase de Phase de Phase de charge positive d charge positive charge n gative d charge n gative a A Figure 3 14 Les quatre s quences de charge et d charge correspondantes l alimentation en courant I faut noter que le courant circulant par la lampe comporte uniquement les parties sinusoidales du courant dans l inductance rame
102. ge lamp using short pulsed excitation J Phys D Appl Phys 34 No 1 2001 L1 L6 1 31 S LIU M NEIGER Double discharges in unipolar pulsed dielectric barrier discharge xenon excimer lamps J Phys D Appl Phys 36 2003 1565 1572 1 32 M PONCE SILVA J AGUILAR RAMIREZ E BEUTELSPACHER J M CALDERON C CORTES Single Switch Power Supply based on the Class E Shunt Amplifier for Ozone Generators IEEE PESC 2007 pp 1380 1385 2007 1 33 C ORDIZ J M ALONSO M A DALLA COSTA J RIBAS A J CALLEJA Development of a high voltage closed loop power supply for ozone generation IEEE APEC 2008 pp 1861 1867 2008 30 Chapitre Mod lisation de la lampe Dans la phase de conception d une alimentation de puissance il est essentiel de conna tre les caract ristiques de la charge alimenter cela permet de synth tiser la structure et de dimensionner les diff rents composants du syst me 2 1 Dans cette optique nous avons choisi de r aliser une mod lisation lectrique de excilampe sur la base de sch mas quivalents afin d tudier ais ment ses interactions avec le convertisseur Pour construire cette repr sentation lectrique de la lampe nous consid rons le mod le structurel pour une DBD issu de la litt rature 2 2 que nous compl tons avec une quation qui r git la conductance du gaz Le mod le r sultant comporte plusieurs param tres qui doivent tre correctement identifi
103. hapitre 3 y E T a E 3 25 4 Xn X Ainsi la tension maximale aux bornes du di lectrique est gale Lil Vi _ ___ 3 26 i 4 Ciel V E Et la tension maximale aux bornes de la lampe bale Viampe gg Va 3 2 7 4 Ciel V E Le courant maximum d pend de la condition suivante Y gt 2 X X 3 28 Si cette condition est satisfaite la trajectoire de d charge commence avec la partie montante du cercle comme le montre la partie gauche de la figure 3 21 ainsi Y X n X X 3 29 max Dans le cas contraire comme le montre la partie droite de la figure 3 21 le courant maximum de la lampe sera le courant fix pendant la phase de charge Y Y 3 30 3 31 Quant au temps de d charge tdech nous le retrouvons en mesurant l angle de parcours de la s quence B en sachant qu un tour complet correspond une p riode naturelle l ARNE T z arcsin 3 2 3 32 max si 3 28 est valable sinon i Y N L Coj i arcsin z ier 3 33 max th S 78 Synth se des convertisseurs L nergie fournie la lampe pendant une phase de d charge peut tre calcul e comme A 20 Energie V Le DES dt 3 34 T 0 Y tas De cette fa on la puissance de la lampe vaut f is ee 2 Siamp l Vin Le V L C jiel COS LC 1 3 35 S diel Les contraintes lectriques concernant les interrupteurs du convertisseur sont Pour l interru
104. igure 5 1 Montage utilis pour mesurer la puissance UV moyenne mise par la lampe Le radiometre est plac 5 cm de la lampe Nous avons fig la fr quence de fonctionnement de l alimentation une valeur constante et fait varier le courant Jo par l interm diaire du temps de charge ten en relevant les valeurs donn es par le radiom tre Ensuite la m me op ration a t effectu e pour des fr quences diff rentes Les courbes de la figure 5 2 pr sentent les r sultats de cette exp rience Le r sultat obtenu est int ressant puisque il apparait que le convertisseur contr le de mani re tr s efficace la puissance rayonn e Nous remarquons cependant une diff rence par rapport aux courbes de la figure 4 27 correspondant la puissance lectrique transmise la lampe la courbe relev e 50 kHz se rapproche de celle 55 kHz on peut attribuer ceci au fait que le rendement de la lampe varie avec la fr quence pr sentant apparemment une l g re augmentation 50 kHz comme le montre la figure 5 3 126 Etude des Interactions I UV 6 5 50 kHz 6F 5 kHz 55 60 kHz p 65 kHz 2 5 2 D 4 5 At amp 4 2 gt 3 5 D 8 3 5 25 5 2 1 59 1 1 6 1 8 2 2 2 2 4 2 6 2 8 3 3 2 temps de charge Us Figure 5 2 Variation de la puissance UV mise en fonction du temps de charge ou de l nergie envoy e 6 5 50 kHz t 55 kHz 60 kHz O 65 kHz A n
105. is e Ceg tant la capacit s rie quivalente de Cgaz et Caier 2 12 Avec les valeurs pr c dentes Cegin 11 9 pF l pr Viampe Le dt 2 11 eq EL or C diel ie ee 2 12 Cou C jiel Nous avons ajust la capacit quivalente de la lampe afin d obtenir un bon accord entre la tension simul e et la tension exp rimentale comme le montre la figure 2 8 ici Ceqmes 8 9 pF Figure 2 7 Dimensions de la cuve utilis e dans la lampe DBD Les unit s sont en mm Tension lampe kV 0 5 10 15 20 Temps Us Figure 2 8 Estimation initiale de la capacit quivalente de la lampe 40 Mod lisation de la lampe 2 4 2 Estimation initiale de la tension de claquage Vin Une fois la capacit du di lectrique estim e la tension aux bornes du gaz peut tre calcul e l aide de l quation 2 13 l V saz Viampe un C diel finpe dt 2 13 Pour des essais en condition de claquage du gaz nous observons figure 2 9 que cette tension gaz reste presque constante tant qu il y a passage du courant dans le gaz Tension gaz KV 0 5 10 15 20 Temps Us Figure 2 9 Estimation initiale de la tension normale Vin en r gime permanent A partir de plusieurs relev s exp rimentaux nous avons d termin la tension Vin 1500 V cette valeur sera utilis e comme valeur initiale dans le processus d identification Il est important de souligner que cette tension est diff rente de la tension de
106. is thyristors a cathode commune en cons quence nous pouvons utiliser dans la pratique la m me carte de puissance que pour l alimentation en courant 81 Chapitre 3 Pour maintenir le fonctionnement correspondant cette configuration il faut assurer que la tension continue ramen e au secondaire E soit plus petite que la tension maximale retourn e par la lampe convertisseur fonctionnement survolteur Dans le cas contraire nous passons a des formes d onde qui donnent pour S0 amor age et blocage command comportement transistor pour S1 amor age et blocage naturels comportement diode Par cons quent la structure devient celle de la figure 3 26 nous n avons pas mis en uvre cette configuration gt odure T Figure 3 26 Configuration de l alimentation en puissance pour Es sup rieure la tension maximale de la lampe non impl ment e 3 9 Etude dans le plan de phase pour l alimentation en puissance Pour l alimentation en puissance nous faisons les m mes approximations que pour l alimentation en courant en consid rant que la tension aux bornes du gaz est rectangulaire mod lisation simplifi e de la lampe et en n gligeant la diff rence entre le courant du gaz et le courant dans la lampe Les 4 premi res phases du convertisseur correspondantes aux sch mas quivalents de la figure 3 23 suivent la m me philosophie que celles de l alimentation en courant sauf que dans le plan
107. l s agit de lampes phosphorescentes sont utilis es pour produire les pixels dans les crans plasma 1 18 elles ont une structure et un principe de fonctionnement similaire celui des excilampes qui seront pr sent es au paragraphe suivant Elles sont de plus dot es d un rev tement de poudre phosphorescente l int rieur de la paroi externe La d charge dans le gaz conduit la production de photons dans la r gion UV ces photons entrent en collision avec la substance phosphorescente g n rant ainsi de la lumi re visible Dans ces lampes DBD le di lectrique externe et parfois l lectrode externe qui est transparente filtre UV ne permettant que le passage de la couleur correspondante a une longueur d onde visible Cette longueur d onde peut tre choisie avec la substance fluorescente ce qui est exploit dans la construction des crans plats pour la t l vision Un cran plat est constitu e par un grand nombre de cellules ou pixels par exemple 1280 en largeur par 1024 en hauteur chacune constitu e par trois mini lampes phosphorescentes l une rayonnant dans le rouge l autre dans le vert et la troisi me dans le bleu La configuration de la cellule peut tre avec des lectrodes parall les ou coplanaires comme le montre la figure 1 11 17 Chapitre 1 Lumi re vert Lumi re vert Electrode E o transparente Di lectrique transparent Alimentation Substance phosph
108. le s tale proximit du di lectrique comportement diffus Chaque microd charge peut tre a priori consid r e comme une d charge normale en r gime transitoire plasma hors quilibre 1 7 12 Etat de l art des DBDs Figure 1 7 Microd charges dans une configuration deux barri res di lectriques Les microd charges ont une g om trie cylindrique dans la plupart du volume et elles s talent en surface gauche Plusieurs microd charges dans la surface d un di lectrique droite Une particularit de la DBD est d viter le passage au r gime d arc dans la d charge et donc de maintenir le plasma dans un tat hors quilibre Chaque microd charge tant un plasma poss de en effet un champ lectrique r duit par rapport au volume restant du gaz En effet si nous tra ons en 2 D le profil de potentiel produit par une microd charge dans une DBD plaques parall les nous obtenons la courbe de la figure 1 8 ligne bleu au milieu de l image Tant qu il y a de la surface libre de microd charges sur le di lectrique en cas d augmentation de la tension aux bornes du gaz suite une variation de la tension de l alimentation externe le claquage se produit pr f rentiellement dans une zone de champ lectrique fort cr ant ainsi une nouvelle microd charge au lieu d augmenter la densit de courant dans les microd charges d j pr sentes En effet nous observons dans la figure 1 8 profil gauch
109. lectrique dans le gaz comme cela a t tabli dans le chapitre pr c dent Nous remarquons dans l exemple pr sent la figure 5 10 65 kHz et 2us de temps de charge une troite corr lation entre le courant du gaz et le rayonnement l mission de la lumi re se produit uniquement lors de la circulation de courant dans le gaz 133 Chapitre 5 300 200 100 0 100 65 kHz 2 us UV UA 200 laz mA 300 0 5 10 15 20 temps Us Figure 5 10 Corr lation entre le rayonnement UV produit par la lampe et le courant du gaz Il nous semble ici qu il est possible d affirmer qu il y a une proportionnalit entre la puissance rayonn e et le courant circulant dans le gaz Cette corr lation est maintenue pour l ensemble des points de fonctionnement que nous avons choisis Cependant si l nergie envoy e est tr s faible temps de charge tr s court la similarit des deux formes d onde est moins bonne Une explication a cette disparit est que le mod le de la lampe reste valable tant que la d charge couvre toute la surface de la lampe ce qui n est pas le cas pour les valeurs faibles de Io c est a dire pour les faibles valeurs d nergie comme le montre la photo de la figure 5 11 Figure 5 11 Lampe avec une faible nergie La surface de d charge ne couvre pas la totalit de la lampe Pour ces conditions le mod le de la lampe est inexact 134 Etude des Interactions I UV
110. les calculs sont d taill s au paragraphe 4 3 Si leur valeur exc de une limite dont la valeur sera pr sent e plus loin la solution de dimensionnement du transformateur est rejet e Leur prise en compte dans le processus d optimisation qui n est pas incluse dans l outil pr sent ici correspondrait la boucle externe de l algorithme en pointill s sur la figure 4 11 104 R alisations pratiques Concernant l exploitation des possibilit s offertes par la base de donn es nous s lectionnons les cables les moins encombrants pour bobiner le primaire et le secondaire nous tenons compte de l effet de peau pour s lectionner ventuellement des fils divis s et consid rons une densit de courant maximale de 5 A mm 4 6 Nous ne prenons pas en compte l effet de proximit 4 7 nous tudions une par une les configurations magn tiques de la base des donn es nous calculons le nombre maximum de spires susceptibles d tre log es dans la fen tre de bobinage en tenant compte des restrictions g om triques l isolant entre couches est aussi pris en compte le cas ch ant Nous nous sommes limit s au cas des bobinages a spires jointives Le nombre minimum de spires pour chaque configuration magn tique est calcul avec deux criteres le premier consiste a viter la saturation du noyau et le deuxi me a maintenir la valeur de l inductance magn tisante a une valeur suffisamment lev e La saturation du n
111. n e au secondaire Ls s quences B et D Les transformations quivalentes utilis es pour repr senter le circuit sont E n E 3 3 L n L 3 4 I h 3 5 La synth se des interrupteurs dans la source de courant s effectue de fa on semblable celle du pont en H avec les formes d onde pour la tension et le courant pr sent es la figure 3 15 69 Chapitre 3 Courant Tension Temps Figure 3 15 Formes d onde de tension et courant pour les deux interrupteurs de la source unidirectionnelle de courant dans l alimentation en courant Pour les deux interrupteurs de la source de courant unidirectionnelle e la caract ristique statique est unidirectionnelle en courant et bidirectionnelle en tension e l amorcage est command et le blocage spontan Ces propri t s permettent de conclure que ces interrupteurs sont nouveau du type thyristor haute fr quence Nous pouvons r duire encore le nombre d interrupteurs car S1 est en s rie avec K1 pendant les phases positives et avec K1 durant les phases n gatives En cons quence la structure exp rimentale de l alimentation en courant pr sent e sur la figure 3 16 comporte seulement trois interrupteurs tous du type thyristor de synth se Les interrupteurs sont associ s dans une structure a cathode commune ce qui facilite la r alisation de la commande Remarque Dans cette configuration l abandon d un degr de libert la
112. n issu de la commande des interrupteurs du convertisseur statique pour l oscilloscope et pour la camera rapide De cette fa on nous assurons le synchronisme entre tous les signaux courant dans la lampe puissance UV du photod tecteur et puissance UV par spectrom trie 132 Etude des Interactions I UV Nous mesurons ainsi le courant dans la lampe frampe qui est ensuite utilis comme entr e du mod le identifi sur le simulateur lectrique afin de reconstituer les variables non mesurables comme le courant du gaz Igaz la tension du gaz Vgaz et la conductance Ggaz Sur la figure 5 9 nous pr sentons le courant mesur dans la lampe et le courant simul dans le gaz nous pouvons noter que le courant dans le gaz suit celui de la lampe mais pr sente au d but de chaque impulsion un palier nul d a l inversion de signe de la tension Vgaz qui n cessite la charge de la capacit Cgaz 300 100 i AT Palier nul inversion v Courant mA ga Pr UW 200 300 0 5 10 15 20 25 30 temps Us Figure 5 9 Reconstitution du courant du gaz a partir du courant mesur dans la lampe Exemple pris avec une fr quence de 65 kHz et 2 us de temps de charge Cette reconstitution du courant dans le gaz par l interm diaire du mod le identifi de la lampe permet de r aliser une comparaison entre la puissance UV rayonn e et le courant du gaz qui est galement l image de la puissance
113. n courant nous consid rons le cas de la figure 4 12 partir duquel nous pouvons approximer l nergie envoy e au gaz pendant chaque phase de d charge par l interm diaire de l quation 4 6 e 2 T Energie nina Vin Lo initial inl 2 dt Va d ie Lee Cae 4 6 0 0 La puissance dissip e par la lampe est alors donn e par pe initial T lampe En utilisant la condition de la phase de charge quation 3 1 nous pouvons remplacer Io et crire 2 V E initial i t K DT i C th dech ch s initial diel L initial 2 4 8 pe initial T lampe D o la valeur initiale de E 101 Chapitre 4 P s initial a courant lampe l 1 l L initiale 4 9 2 t dech J C iiei Vn Ken T ampe s initiale 4 2 3 Simulation de la puissance dissip e dans le gaz et de la dur e de d charge Afin de prendre en compte les ph nom nes non lin aires dans la d charge et les l ments parasites des composants qui modifient sensiblement les formes d onde dans la lampe nous effectuons une simulation compl te du syst me avec le mod le identifi de la lampe et le maximum d l ments parasites identifiables dans le convertisseur A l issue de cette simulation nous r cup rons la valeur de la dur e de d charge et la puissance dissip e dans le gaz cette derni re est calcul e l aide de l quation 4 10 1 ee Yeas iga dt 4 10 lampe Dans la premi
114. nce 168 2000 29 36 1 22 E A SOSNIN M V EROFEEV V F TARASENKO Capacitive discharge exciplex lamps J Phys D Appl Phys 38 2005 3194 3201 1 23 J B BIRKS Excimers Rep Prog Phys 1975 Vol 38 pp 903 974 1 24 U KOGELSCHATZ B ELISASSON W EGLI From ozone generators to flat television screens history and future potential of dielectric barrier discharges Pure amp Appl Chem Vol 71 No 10 pp 1819 1828 1999 1 25 M PLANK On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum Annalen der Physik vol 4 p 553 ff 1901 1 26 M I LOMAEV V S SKAKUN E A SOSNIN V F TARASENKO D V SHITTS Sealed efficient excilamps excited by a capacitive discharge Technical Physics Letters Vol 25 No 11 1999 1 27 F MASSINES A RABEHI P DECOMPS R B GADRI P SEGUR C MAYOUX Experimental and theoretical study of a glow discharge at atmospheric pressure controlled by dielectric barrier Journal of Applied Physics Vol 83 No 6 1998 1 28 H E WAGNER R BRANDENBURG K V KOZLOV A SONNEFELD P MICHEL J F BEHNKE The barrier discharge basic properties and applications to surface treatment Vacuum 71 2003 417 436 1 29 M LAROUSSI X LU Power consideration in the pulsed dielectric barrier discharge at atmospheric pressure Journal of Applied Physics Vol 96 No 5 2004 1 30 R P MILDREN R J CARMAN Enhanced performance of a dielectric barrier dischar
115. nous allons d velopper dans cette th se nous allons d abord faire une mod lisation ad quate de la lampe afin de conna tre et d crire avec pr cision son comportement et d finir son mode d alimentation ad quat Conclusion Dans ce chapitre nous avons introduit le concept de d charge barri re di lectrique et les l ments physiques qui la caract risent Les grandeurs lectriques importantes ont t pr sent es comme la capacit des barri res di lectriques et la tension de claquage du gaz Nous avons montr bri vement la grande vari t des applications pour la DBD envisageables pour appliquer dans le futur les r sultats de cette th se Nous avons inventori les alimentations utilis es aujourd hui pour les DBDs et en particulier celles qui sont utilis es par les excilampes 28 Etat de l art des DBDs Bibliographie 1 1 A M POINTU J PERRIN J JOLLY Plasmas froids de d charge Propri t s lectriques Les techniques de l ing nieur Dossier D 2 830 02 2007 1 2 T LEHNER L tat de plasma le feu de l univers Vuibert Paris France 2004 1 3 R f rence web Texte de vulgarisation scientifique http www plasmas org 1 4 P FAUCHAIS Plasma thermiques Aspects fondamentaux Les techniques de l ing nieur Dossier D 2 810 02 2007 1 5 A M POINTU J PERRIN J JOLLY Plasmas froids de d charge Applications et diagnostic Les techniques de l ing
116. ns la lampe qui apparaissent sym triques Fichier Vertical Base detemps D clenchement Affichage Curseurs Mesure Math Analyse Utilitaires Aide ji 100 maior Sl 0 0 mA ofst Figure 4 23 Formes d onde obtenues pour l alimentation en courant L allure unidirectionnelle correspond au courant dans l inductance le courant dans la lampe est bidirectionnel L tude du rendement des structures n est pas le but de cette th se N anmoins nous pr sentons la puissance mesur e dans chaque l ment du convertisseur autour du point de fonctionnement nominal dans le tableau 4 2 Tableau 4 2 Distribution des pertes dans l alimentation en courant iia 638 W 51W 07W 2 2 2 6 48W 116 R alisations pratiques Nous obtenons un rendement d environ 73 avec environ 10 de la puissance totale perdue dans les composants du primaire interrupteurs et inductance les 17 restants sont perdus dans le transformateur qui est pour l instant le maillon faible du convertisseur Nous nous sommes rendus compte que les pertes dans les interrupteurs S1 et 1 sont principalement dues la commutation lors de l amor age Une optimisation du temps de commutation avec une variation de la r sistance de grille du MOSFET reste a effectuer afin d augmenter le rendement 4 5 R alisation exp rimentale de l alimentation en puissance Pour la configuration d alimentation en puissance illustr e dans la figure 4 24 nous avons
117. nsion d entr e Es n a aucune cons quence sur la stabilit des trajectoires 83 Chapitre 3 6 5 0 5 Figure 3 28 Trajectoires dans le plan de phase pour l alimentation en puissance Le r gime tablie est toujours retrouv 3 9 2 Application au dimensionnement Nous r sumons les deux trajectoires possibles en r gime tabli sur la figure 3 29 Le cas de droite correspond la condition o le courant maximum de l inductance ramen e au secondaire est gal Lo Le cas de gauche r pond la situation o le courant dans la lampe commence dans la s quence B par une partie montante de la sinuso dale Figure 3 29 Deux trajectoires possibles du plan de phase en r gime permanent pour l alimentation en puissance A l aide de ces constructions nous retrouvons les valeurs maximales de tension et courant en fonction des param tres de l alimentation Nous prenons d abord l quation du triangle gris trajectoire de gauche 84 Synth se des convertisseurs Yy Xi Xa X imax Xin 3 40 max Nous retrouvons la tension maximale aux bornes de la capacit di lectrique Y Xo 3 41 4X n Ainsi L I l aor 3 42 ds C aier Vin La tension maximale aux bornes de la lampe est gale Leal Viampe Vin 3 43 a Caier Vin La condition suiva
118. nsion sur Caiet Si l on fait la trac dans le plan cart sien Y en fonction de X plan de phase nous obtenons un cercle de rayon R centr en Pour la phase de d charge n gative nous obtenons un r sultat similaire avec la m me valeur du rayon pour le cercle sauf que son centre sera en 4 X X 3 21 Et Y 0 arsin z 3 22 R 3 7 2 Trajectoires de d marrage Nous pouvons tracer le plan de phase d s le d marrage de l alimentation et suivre les trajectoires dessin es la figure 3 18 74 Synth se des convertisseurs Figure 3 18 Les quatre premi res phases de charge et d charge durant le d marrage du convertisseur A La phase de charge positive fait monter le courant dans l inductance jusqu Yo sans aucune cons quence sur la tension dans la capacit du di lectrique B La s quence de d charge positive d crit une trajectoire circulaire partir du point final de la premi re trajectoire A le cercle est centr en A Xs Xth La trajectoire s arr te quand le courant arrive z ro C Le cycle de charge n gative fait descendre le point final de la phase B une valeur de courant gale 0 D La s quence de d charge n gative trace le cercle centr en A Xth Xs partir du point final de la phase C jusqu ce que le courant s annule Ensuite nous recommencons avec la phase A partir du point final de la s quence D 3 7 3 Stabilit de l
119. nte permet de distinguer lequel des cas de la figure 3 29 nous concerne Vie 2s 3 44 Si elle est vraie partie gauche de la figure 3 29 ARE 0 3 45 Sinon partie droite de la figure 3 29 Y wax r 3 46 Le temps de d charge peut tre calcul avec 3 32 si 3 44 est v rifi e dans le cas contraire Y AE L Cx i arcsin 2 3 47 max th L nergie envoy e dans la lampe pendant un cycle de d charge sera gale a L 1 S 3 48 Nile Energie De cette fa on la puissance fournie la lampe peut tre crite de fa on beaucoup plus simple que dans le cas de l alimentation en courant 85 Chapitre 3 1 Piy 2 l lie l L l 3 49 Les contraintes lectriques subies par les interrupteurs du convertisseur seront Pour l interrupteur SO V Vso Aux Xy FX 3 50 n o n 3 51 Pour les interrupteurs S1 et 1 Vy Vsisr 2 X max X n Pa 3 52 a V la laa n 3 53 R Le d veloppement th orique effectu pour les deux types de convertisseurs dans le chapitre actuel sert effectuer le dimensionnement initial de l alimentation et initialiser l outil de calcul it ratif gr ce auquel nous calculons les param tres pr cis Cette proc dure utilisera le mod le identifi complet de la lampe elle est d taill e dans le chapitre suivant Conclusion Dans ce chapitre nous avons pr sent une approche argument e pour aliment
120. ntos anos mil gracias Quiero dedicar este trabajo a mi mama que debe estar incluso mas orgullosa que yo con el titulo obtenido a mi hermano a quien le deseo mucho xito en su vida y a mi papa la persona que seguir admirando siempre por su ingenio versatilidad y empuje a la hora de hacer las cosas Finalizo agradeciendo a mi esposa Margarita el motor de mi vida Me llena de orgullo estar a tu lado espero que tengamos una larga vida juntos No te parece maravilloso Running over the same old ground what have we found Home home again Table des mati res a ee ni 1 Chapitre 1 Les d charges barri re di lectrique tat de l art 3 RP a E 0b a ok 4 4 EEE ne PA A A ENO EEA A eee ate eee ec ee eee see eer 4 1 2 Regimes de d charge dans Un cr nee emma non 6 RE ME On ed e 0 18 a nai non 12 te a AAE A 14 te 18 1 6 Alimentations lectriques pour les DD sunmmaminis 24 C A O E 28 On te CR CO a ad E EE E A E E E A 29 Chanie s Mod iaon de a a aa 31 LL Formian gu modde de a DR caa 32 2 2 Proc dure d identification des param tres du mod le 35 2 3 Description de l espace d tat se snrssnneorunsrronrronnnornnsnnennuonnnonnnonnnonnionnnonnnnnonnnonnnnnronnnonnnonntonneonnnnnnennnnennennenn nes 35 2 4 Calcul initial des param tres du mod le ns mmememumssoanmmmm sam 38 PT en Re es ne no netne per te 43 ee a n on nerve 47 2 7 Commentaires sur le mod le de la conductance si sississ
121. nus pendant le processus de mod lisation sont maintenant exploit s pour proposer un mode d alimentation pour les DBD en particulier pour celles qui op rent dans le r gime normal de d charge Nous recherchons la forme d onde imposer la charge afin de contr ler de mani re ad quate la puissance inject e Ce mode d alimentation doit offrir la possibilit de r gler le point de fonctionnement et satisfaire les caract ristiques typiques de l excilampe en termes de fr quence de fonctionnement dizaines de kHz et puissance consomm e autour de 100 W 2 10 1 Consid rations de causalit Nous avons remarqu deux points importants pendant le processus de mod lisation le comportement capacitif de la lampe DBD et le r gime normal de d charge dans le gaz pour l intervalle nominal de puissance de la lampe Le premier point nous impose une alimentation alternative comme nous l expliquons maintenant pour une source de tension et pour une source de courant Source de tension Si l on alimente avec une source de tension continue les capacit s de la lampe vont se charger a la m me valeur que la source de tension et elles vont emp cher le passage du courant En effet ce courant dans la lampe est d crit par l quation 2 21 d v V _ mpe gaz Lampe 7 C diel l dt 2 21 Comme la tension dans le gaz est quasi constante nous pouvons r crire cette expression dans l quation 2 22 52 Mod lis
122. od charge pendant le cycle o le courant circule de l ext rieur vers l int rieur La dur e de chacune des s quences montr es pr c demment est d environ 2 3 us cet intervalle correspond la dur e de chaque s quence de d charge dans le courant du gaz Sur la figure 5 18 nous illustrons la correspondance entre l existence de la microd charge et les cycles positifs et n gatifs des courants dans la lampe et dans le gaz Si le mod le de la lampe tait absolument adapt aux conditions exp rimentales l instant d amorcage de la microd charge devrait correspondre au moment pr cis o le courant du gaz 139 Chapitre 5 devient non nul toutefois comme l aire de la d charge ne remplit pas la totalit de la surface de la lampe les valeurs des param tres sont certainement entach es d inexactitude elles ont t identifi es partir de relev s exp rimentaux qui correspondent au cas o la d charge couvre toute la surface des lectrodes Cependant la concordance entre les formes d onde et les images reste satisfaisante 100 50 Courant mA 100 temps Us Figure 5 18 Courant mesur dans la lampe et courant simul dans le gaz pour un seul filament dans la lampe L intervalle en vert a gauche correspond a la s quence anodique interne celui en bleu droite a la sequence anodique externe Conclusion Nous avons d montr que le concept d alimentation pr sent dans cette
123. ons l expliquer ult rieurement qui g re cette grandeur Le contr le de la puissance dans ce type d alimentation peut se faire e parle rapport cyclique e par la fr quence Dans les formes montr es pour l alimentation impulsionnelle nous remarquons de fortes ondulations dans la tension par rapport aux formes th oriques carr es obtenues dans un hacheur d volteur classique Ceci est un effet des l ments parasites de l alimentation et de la nature capacitive de la charge 1 6 3 Alimentation a r sonance Les alimentations a r sonance a diff rence des alimentations impulsionnelles tiennent compte de la caract ristique de la charge la DBD permettant de maitriser les ordres de grandeur des variables lectriques Des calculs th oriques pendant la conception du convertisseur permettent ainsi de dimensionner correctement les composants vitant le surdimensionnement ou la destruction d un composant au moment de l impl mentation Le sch ma de base des alimentations r sonance destin es aux DBDs illustr sur la figure 1 20 est compos d une source de tension suivie d un inverseur d une inductance et d un transformateur l vateur L inductance et la capacit quivalente de la DBD vont d finir la fr quence de r sonance voir nature capacitive de la DBD sur la figure 1 16 Une capacit suppl mentaire peut tre rajout e en parall le comme le montre la figure 1 20 Elle permet de maintenir la fr q
124. onvertisseurs Dans ce chapitre nous utilisons les r sultats du chapitre pr c dent concernant la forme d onde d sir e pour alimenter la lampe ainsi que les mod les de la lampe mod le identifi et mod le simplifi afin de d finir deux structures d alimentation qui utilisent une philosophie similaire et permettent de contr ler le point de fonctionnement de la d charge Le principe de l alimentation propos associe une source unidirectionnelle de courant et un convertisseur type pont en H ce dernier sert inverser le sens de circulation du courant dans la lampe chaque demi p riode Deux possibilit s pour construire la source unidirectionnelle de courant ont t d velopp es la premi re est inspir e d un hacheur survolteur et la deuxi me d un hacheur d volteur survolteur Nous allons nous rendre compte que l utilisation d un transformateur l vateur s av re n cessaire cause de la haute tension retourn e par la lampe pour les valeurs du courant correspondantes au cahier de charge Nous allons profiter de cet l ment pour minimiser le nombre d interrupteurs dans les convertisseurs La synth se des interrupteurs de chaque convertisseur est r alis e en utilisant les formes d onde simul es l aide du mod le lectrique Les caract ristiques de ces interrupteurs correspondent des comportements du type thyristor Les thyristors commerciaux n existant pas pour la gamme de fr
125. orescente vert Di lectrique Figure 1 11 La DBD dans les crans plats a plasma DBD lectrodes parall les gauche DBD a lectrodes coplanaires droite Cellule l mentaire ou pixel bas Dans la r alit chaque cellule est construite de mani re beaucoup plus complexe entre autres avec un rev tement de MgO sur les lectrodes Ce mat riau prot ge les di lectriques du bombardement ionique et augmente le coefficient d mission secondaire de telle sorte que la tension de claquage diminue La tonalit finale de la couleur pour chaque DBD est obtenue par le nombre de d charges effectu es pendant un cycle de rafraichissement de l cran Une derni re application des DBDs est d velopp e plus en d tail dans la section suivante Les excilampes Ces dispositifs ont en effet servi de support exp rimental au cours de cette th se 1 5 Excilampes Une application sp cifique des DBD concerne les dispositifs destin s produire un rayonnement UV 1 19 cr par des excim res ou des exciplexes que nous pr senterons plus loin dans cette section 18 Etat de l art des DBDs Parmi les applications les plus courantes de ces lampes bas es sur l utilisation du rayonnement UV produit nous trouvons les traitements dermatologiques la st rilisation de l eau et les proc d s pour la micro lectronique 1 20 Les lampes esp ces excit es excim res ou excipl
126. orme d onde d intensit en fonction du temps 130 Etude des Interactions I UV monochromateur Ni _ y Figure 5 7 Montage utilis pour r aliser la spectrom trie r solue en temps De la m me fa on qu avec le radiometre nous s lectionnons plusieurs valeurs du temps de charge et donc de l nergie envoy e chaque p riode une fr quence donn e pour relever le chronogramme de la puissance lumineuse puis nous avons r p t la m me proc dure pour plusieurs fr quences La figure 5 8 pr sente les relev s correspondant 50 kHz et 65 kHz Ces formes d onde d montrent qu il n y a pas d mission UV pendant que le courant est nul cela confirme bien comme cela avait t suppos dans la section pr c dente lors des mesures en temps r el que les relev s r alis s avec le photod tecteur sont entach s de perturbations d origine lectrique 131 Chapitre 5 7000 6000 5000 4000 3000 Puissance UV U A 2000 1000 10 15 temps us 20 25 4000 3500 3000 2500 2000 1500 Puissance UV U A 1000 500 5 10 temps us 15 20 Figure 5 8 Rayonnement UV produit en fonction du temps pour plusieurs temps de charge variation de l nergie envoy e la lampe Afin de mettre en relation les relev s optiques et les chronogrammes mesur s l oscilloscope nous synchronisons les deux chaines de mesure en utilisant un signal de d clenchement commu
127. orne sup rieure de l alimentation travers un c ble qui vient se connecter l lectrode conductrice repr sent e dans le sch ma lectrique de la figure 1 16 comme conducteur 1 Ensuite le courant traverse le di lectrique externe que nous repr sentons avec la capacit C1 puis le courant passe travers le gaz qui pr sente une caract ristique courant tension comme celle de la figure 1 4 Finalement nous trouvons la deuxi me barri re di lectrique Cz dans le sch ma et le c ble de retour l alimentation conducteur 2 La caract ristique courant tension du gaz est dessin de forme bidirectionnelle pour prendre en compte les deux polarit s possibles de l alimentation 22 Etat de l art des DBDs Di lectrique interne 7 Conducteur 1 7 7 Di lectrique v externe Electrodes Conducteur 2 Figure 1 16 Caract ristique lectrique d une DBD deux barri res di lectriques Si nous n gligeons les l ments r sistifs des c bles et des lectrodes les caract ristiques physiques importantes qui fixent les valeurs lectriques sont la surface l paisseur et la constante di lectrique de chaque barri re afin de d terminer les capacit s le type et la pression du gaz confin ainsi que la distance entre les deux barri res pour d terminer la tension de claquage et la caract ristique lectrique du gaz Dans notre cas particulier ces valeurs cl s sont cit es dans le tableau
128. oyau magn tique est vit e quand le nombre de spires au secondaire d passe la valeur donn e par l quation 4 15 L int grale de la tension de la lampe est calcul e a partir de la forme d onde obtenue en simulation Bmax est la densit de flux magn tique support e par le noyau et Ae la section de ce noyau x _ 02 dt 4 15 min Sat 2 B A La forme d onde du courant pendant la phase de d charge n est pas alt r e si l inductance magn tisante Lm est beaucoup plus grande que l inductance de charge Ls les deux grandeurs tant ramen es au secondaire d apr s nos r sultats de simulation un rapport de 20 entre les deux valeurs est n cessaire ce sujet sera d taill dans la section suivante Ainsi nous avons fix une limite minimale du nombre de spires en posant l quation 4 16 La deuxi me parenth se du membre de droite de cette quation correspond inductance sp cifique du circuit magn tique Ae est la section de la ferrite le la longueur effective du circuit magn tique 4 la perm abilit magn tique du vide et 4 la perm abilit relative du mat riau ferrite 4 16 Le nombre des spires choisir pour chaque configuration magn tique varie ainsi entre 105 Chapitre 4 le maximum fourni par les quations 4 15 et 4 16 la limite d finie par la capacit de la fen tre de bobinage compte tenu des calibres des cables et de l paisseur des isolants
129. ps afin de stocker une valeur d termin e d nergie pour ensuite d livrer cette nergie a la charge Nous allons d velopper ces deux configurations que nous appelerons 65 Chapitre 3 e alimentation en courant pour celle qui utilise le hacheur survolteur e alimentation en puissance celle qui emploie le d volteur survolteur Le choix de ces noms vient du fait que les deux alimentations imposent leur courant la charge toutefois celle qui utilise le hacheur d volteur survolteur contr le de mani re plus directe la puissance dans la lampe comme cela sera expliqu ult rieurement 3 6 Alimentation en courant Le sch ma de base de ce convertisseur illustr sur la figure 3 10 est constitu d un hacheur survolteur ou Boost en anglais suivi du convertisseur d velopp pr c demment qui inverse le signe du courant dans la lampe CVS Inversion du courant Figure 3 10 Sch ma de base de l alimentation en courant Un hacheur survolteur en r gime de d magn tisation compl te est en cascade avec l inverseur de courant Avec ce type d alimentation en r gime de d magn tisation compl te nous obtenons une forme d onde pour le courant unidirectionnel J qui se rapproche de la forme d onde id ale comme le montre la figure 3 11 nt Coura Temps Figure 3 11 Courant unidirectionnel obtenue avec le convertisseur propos en forme de train d impulsions 66 Synth s
130. pteur SO X 3 36 Io Iy n 3 37 Pour les interrupteurs S1 et 1 le courant cr te reste le m me que pour inductance et leur tension cr te est doubl e par rapport l interrupteur S0 a cause de la configuration a double primaire du transformateur V Voisr 2 X x Xi 3 38 a V I sisr Ymax gt n 3 39 3 8 Alimentation en puissance La deuxi me configuration propos e pour r aliser la source de courant unidirectionnelle en aval du pont est con ue partir d un hacheur d volteur survolteur et est illustr e la figure 3 22 Cette structure sera appel e partir de maintenant alimentation en puissance pour des raisons d taill es plus loin La synth se de cette structure s effectue de fa on similaire celle employ e pour l alimentation en courant 79 Chapitre 3 CVS Inversion du courant Figure 3 22 Sch ma de principe de l alimentation en puissance Les s quences de charge et d charge se font avec les m mes interrupteurs que dans l alimentation en courant elles sont pr sent es la figure 3 23 Les phases A et C assurent la charge de l inductance une certaine valeur de courant Top Les phases B et D sont les s quences de d charge positive et n gative respectivement elles correspondent un comportement r sonant entre l inductance et la capacit di lectrique de la lampe D O Phase de Phase de Phase de Phase de
131. quence si l on consid re une condition quasi statique de r gime permanent le deuxi me et troisi me terme a droite de l quation 2 1 peuvent tre consid r s de m me amplitude de cette fa on la valeur initiale de K3 est de 1835 Vist 2 4 5 Estimation des param tres d ionisation AV et K1 Comme mentionn plus haut le processus d ionisation est pr sum instantan Si cette hypoth se est confirm e le coefficient d approximation de la fonction de Heaviside AV doit tendre vers une valeur tr s faible Nous le fixons initialement a 20 V et nous autorisons le 42 Mod lisation de la lampe programme d identification le faire varier dans le deux sens avec une valeur limite inf rieure de 2 9 V limitation de convergence du simulateur Le coefficient d ionisation Kz est initialis en calculant num riquement la d riv e de la conductance par rapport au temps et en prenant la valeur maximale ainsi il vaut initialement 130 S s 2 5 Algorithme d identification L algorithme utilis est bas sur la m thode du mod le dans cette approche l entr e exp rimentale le courant mesur est utilis e pour simuler le syst me la sortie simul e la tension aux bornes de la lampe est ensuite compar e avec la forme d onde exp rimentale Les param tres sont ajust s afin de minimiser l cart entre les deux formes d onde 2 5 1 Outil d identification Le d tail du fonctionnement de cet algorithm
132. qui communique constamment et de fa on it rative avec le simulateur de sch mas lectriques PSIM 4 3 Entr es du syst me P lampe Tiampe Liech Kaech L initial Simulation du systeme Diminuer E Augmenter E P lampe simul e lampe demand e F ampe trop faible P lampe trop forte Diminuer L tiecnh trop long Augmenter L liech simul t 2 dech demand tjech trop court lech OK Conception du J transformateur El ments parasites Figure 4 11 Algorithme utilis pour le dimensionnement des convertisseurs 99 Chapitre 4 4 2 1 Valeur initiale de l inductance Dans cet algorithme nous prenons une valeur initiale pour l inductance ramen e au secondaire Ls en assumant que le temps de d charge va correspondre un quart de la p riode naturelle d oscillation ou de r sonance entre inductance et la capacit du di lectrique Ceci est formul dans l quation 4 1 Cette valeur th orique correspond la situation limite plan de phase pour que le courant dans la phase de d charge commence juste au sommet de la sinusolde avec une valeur gale a Io comme le montre la figure 4 12 2 L initial nu tu 4 1 TT C diel Aire proportionnelle l nergie dissip e dans le gaz rel Figure 4 12 Cas sp cifique trait pour trouver les valeurs initiales de Ls et Es avant d entrer dans les boucles
133. r l interm diaire de leur alimentation Th se de l INP de Toulouse 2005 pp 95 116 web http ethesis inp toulouse fr 2 10 C T CHEN Linear system theory and design Oxford university press New York U S A 1999 2 11 F ADLER S MULLER Formation and decay mechanisms of excimer molecules in dielectric barrier discharges J Phys D Appl Phys 33 2000 1705 1715 2 12 RJ CARMAN RJ MILDREN Computer modelling of a short pulse excited dielectric barrier discharge xenon excimer lamp A 172 nm J Phys D Appl Phys 36 2003 19 33 2 13 R f rence Web Manuel d utilisateur de PSIM http www powersimtech com 2008 2 14 A ODA H SUGAWARA Y SAKAI H AKASHI Estimation of the light output power and efficiency of Xe barrier discharge excimer lamps using a one dimensional fluid model for various voltage waveforms J Phys D Appl Phys 33 2000 1507 1513 2 15 S BHOSLE G ZISSIS J J DAMELINCOURT A CAPDEVILA K GUPTA F P DAWSON V F TARASENKO Implementation of an efficiency indicator in an electrical modeling of a Dielectric Barrier Discharge Lamp Record of the 41st IEEE IAS Annual Meeting Conference vol 4 pp 1784 1790 2006 3 1 N MOHAN T M UNDELAND W P ROBBINS Power Electronic Converters Applications and Design John Wiley and Sons second edition 1995 New York U S A 3 2 Y CHERON La commutation douce dans la conversion statique de l nergie
134. r avoir accept d tre membre du jury mais avant tout pour la collaboration importante dans le cadre de l action transversale OSDP entre les quipes G ENESYS et Lumi re et Mati re qu il nous a apport e De plus je le remercie pour sa grande disponibilit durant ces trois ann es Je voudrais exprimer ma grande reconnaissance a Monsieur Hubert PIQUET directeur de cette th se qui est finalement la personne qui a apport la plupart des id es qui sont d velopp es dans ce manuscrit Je tiens le remercier pour la confiance qu il ma t moign e lors de l attribution et du d roulement de cette th se Je le remercie aussi pour la m thodologie rigoureuse qu il m a transmise par ses conseils J esp re sinc rement pouvoir continuer cette collaboration dans le futur Je remercie aussi Messieurs Christian LAURENT et Maurice FADEL respectivement directeur et directeur adjoint du laboratoire pour avoir accept de me recevoir au sein du LAPLACE Je remercie Monsieur Xavier ROBOAM responsable du groupe G ENESYS pour son accueil au sein d une tr s bonne quipe de recherche Je remercie les permanents Nicolas ROUX Bruno Remerciements SARENI Christophe TURPIN St phane ASTIER et Didier GINIBRIERE J ajouterai une pens e particuli re a Jean Marc BLAQUIERE pour son aide dans la mise en uvre des convertisseurs Je remercie Marc COUSINEAU du groupe Convertisseurs Statiques l origine avec Nicolas RO
135. r le deux primaires Pendant le dimensionnement le calcul de la capacit parasite nous donne 6 pF approximativement pour l inductance magn tisante nous obtenons environ 700 mH Malheureusement comme on peut le pr voir le couplage magn tique n est pas id al et inductance de fuites est lev e Nous constatons aussi dans la pratique que l inductance magn tisante est plus faible que pr vu Les formes d onde obtenues en pratique avec une alimentation en courant quip e de ce transformateur sont illustr es la figure 4 20 Nous pouvons constater l apparition des probl mes pr sent es dans la derni re section le courant n est pas nul pendant la dur e de relaxation ceci est d aux ondulations produites par une inductance magn tisante trop faible Nous observons aussi des ondulations haute fr quence occasionn es par l inductance de fuite lev e qui nous obligent bloquer de mani re forc e les interrupteurs 1 et 1 avant que le courant dans l inductance ne passe par z ro ce palliatif est destin contr ler la dur e de d charge 113 Chapitre 4 4 Ne AT Wir Sy t P y ii i i fj fl be 4 aey i o 500 mAldiv 40 mAfdiv 1us div L 0 mA offset 0 mA offset li lan pe Figure 4 20 Formes d onde de courant dans l inductance et dans la lampe obtenues avec le transformateur a deux bobines s par es Les l ments parasites ne permettent pas au bon moment le retour
136. r le driver du transistor MOS Ce syst me est essentiel afin d utiliser ais ment cet interrupteur dans des applications o il doit tre flottant par exemple dans la partie haute d un bras d un commutateur de courant cf figure 3 6 Il permet aussi de consid rer l ensemble du thyristor rapide comme un dispositif trois bornes anode cathode et g chette sans avoir se soucier de lui fournir des alimentations auxiliaires Les caract ristiques lectriques de l auto alimentation n cessaires pour alimenter correctement le driver du transistor et la logique sont les suivantes e Tension positive driver V 10 V e Tension n gative driver V 5V e Puissance 200 mW approximativement Le syst me d auto alimentation illustr sur la figure 4 8 profite des variations rapides de tension front montant entre drain et source du MOSFET pour charger la capacitance Cep une tension positive V 10 V dans notre cas avec un syst me de pompe de charge C D Consommation de la logique cp du thyristor rapide LCcp Lh Pr l vement er Vas LCcp Ron V Clamp actif Pompe de charge Figure 4 8 Sch ma de la source positive de tension dans le syst me d auto alimentation Dans notre syst me la tension V est n gligeable par rapport aux variations de la tension Vas ainsi nous pouvons tracer le courant dans la capacit Cep comme le montre la figure 4 9 Vmax d signe la
137. re boucle nous maintenons le temps de charge constant pour ne pas affecter Ken si la puissance calcul e apr s simulation est inf rieure celle demand e par l utilisateur nous augmentons la valeur de Es Si elle est sup rieure nous diminuons la valeur de Es Cette variation est op r e par une proc dure de convergence qui utilise des approximations successives d marche d taill e dans la section 4 2 4 Une fois que la puissance dans la lampe atteint la valeur souhait e avec une marge d erreur d finie dans l algorithme par exemple 2 nous effectuons une op ration similaire dans la deuxi me boucle avec linductance Ls afin de r gler le temps de d charge t ecn la valeur demand e En sortie de cette boucle nous avons les valeurs des composants de l alimentation ramen s au secondaire Nous d tenons aussi les formes d onde de tension et courant au secondaire du transformateur 4 2 4 M thode d approximations successives L algorithme pr sent la figure 4 13 est utilis pour faire varier incr menter ou d cr menter les valeurs de Es et Ls Il est inspir d une m thode utilis e dans les CAN convertisseurs analogique num rique qui est la plus simple pour trouver une valeur que l on ne conna t pas a partir d un point initial en sachant a chaque fois si l on doit augmenter ou diminuer la valeur 4 4 4 5 102 R alisations pratiques variable Var et ordre d incr menter ou
138. revanche si K1 et K2 sont bloqu s et K2 et K1 sont passants le courant vu par la lampe sera gal J Les formes d onde de tension et courant retrouv es dans les interrupteurs pour deux sources de courant impos es continue et discontinue sont pr sent es dans la figure 3 4 5 Temps us 15 5 temps us 15 Figure 3 4 Formes d onde dans les interrupteurs du pont Pour une source de courant continue haut et une source de courant discontinue bas Les comportements pour K2 et K1 sont identiques ceux de K1 et K2 respectivement 62 Synth se des convertisseurs Si l on consid re les variables courant et tension pour l interrupteur K1 d marche identique pour K2 on constate que la tension est positive avant l amor age puis que le courant reste positif d s que l interrupteur conduit Une fois l interrupteur bloqu la tension ses bornes devient n gative Pour les interrupteurs K2 et K1 nous effectuons le m me raisonnement pour ceux ci la tension est n gative avant l amorcage le courant est n gatif en phase de conduction et la tension devient positive une fois l interrupteur bloqu Les propri t s d crites dans ces derniers paragraphes nous permettent de dessiner dans la figure 3 5 les caract ristiques courant tension concernant les quatre interrupteurs du pont Ces caract ristiques correspondent au comportement du type thyristor Figure 3 5 Caract
139. ric barrier discharge DBD Industry Applications Conference 2005 vol 4 no pp 2315 2319 2 9 J P SALANNE Contr le du point de fonctionnement des d charges lectriques par l interm diaire de leur alimentation Th se de l INP de Toulouse 2005 pp 95 116 web http ethesis inp toulouse fr 2 10 C T CHEN Linear system theory and design Oxford university press New York U S A 1999 2 11 F ADLER S MULLER Formation and decay mechanisms of excimer molecules in dielectric barrier discharges J Phys D Appl Phys 33 2000 1705 1715 2 12 RJ CARMAN RJ MILDREN Computer modelling of a short pulse excited dielectric barrier discharge xenon excimer lamp A 172 nm J Phys D Appl Phys 36 2003 19 33 2 13 R f rence Web Manuel d utilisateur de PSIM http www powersimtech com 2008 2 14 A ODA H SUGAWARA Y SAKAI H AKASHI Estimation of the light output power and efficiency of Xe barrier discharge excimer lamps using a one dimensional fluid model for various voltage waveforms J Phys D Appl Phys 33 2000 1507 1513 2 15 S BHOSLE G ZISSIS J J DAMELINCOURT A CAPDEVILA K GUPTA F P DAWSON V F TARASENKO Implementation of an efficiency indicator in an electrical modeling of a Dielectric Barrier Discharge Lamp Record of the 41st IEEE IAS Annual Meeting Conference vol 4 pp 1784 1790 2006 57 Chapitre 2 58 Chapitre Synth se des c
140. rieurement dans l tude consacr e l imagerie L inconv nient de cette mesure est la surface restreinte du capteur qui est d limit e par la section de la photodiode comme cela apparait sur la photo de la figure 5 4 de ce fait on effectue une mesure sur un chantillon peu repr sentatif l gard des dimensions de la lampe 129 Chapitre 5 Anode 4 l ext rieur de la lampe Anode l int rieur de la lampe Figure 5 6 La concordance entre le rayonnement UV et le courant dans la lampe est aussi valable pour l alimentation en courant Diff rence entre les s quences o l anode se trouve l int rieur ou l ext rieur de la lampe 5 2 2 Spectrom trie r solue en temps Afin d viter les perturbations lectriques qui apparaissent sur la forme d onde de la radiation UV et de r aliser des mesures beaucoup plus fiables nous r alisons une spectrom trie r solue en temps l aide d une cam ra rapide et dun monochromateur qui filtre l mission de la lampe et ne retient uniquement que la longueur d onde correspondante l exciplexe XeCl 308 nm Entre le monochromateur et la lampe nous pla ons un diffuseur afin de moyenner spatialement le rayonnement qui n est pas homog ne du fait du comportement filamentaire de la d charge Ce montage est illustr sur la figure 5 7 Les images prises par la camera sont envoy es vers un ordinateur o elles sont trait es une par une afin de donner une f
141. rique transparent ferm Figure 1 14 Diff rentes configurations des excilampes pour le rayonnement UV De gauche droite configuration planaire un seul cylindre di lectrique et g om trie coaxiale 21 Chapitre 1 Toutes ces configurations emp chent le contact direct entre le gaz et les lectrodes Ceci contribue augmenter leur dur e de vie dans le cas contraire le gaz est contamin avec les impuret s issues de l rosion des lectrodes 1 14 La figure 1 15 nous montre que suivant le sens souhait du rayonnement une des lectrodes est transparente ou en forme de filet Egalement le choix du di lectrique est important car il peut filtrer de fa on ind sirable la longueur d onde mise l int rieur du gaz le plus souvent du verre de silice est utilis constante di lectrique gal 4 Di lectrique Electrode Di lectrique Electrode transparent transparente transparent transparente Radiation UV vers l ext rieur Figure 1 15 Vue frontale d une DBD coaxiale Rayonnement UV vers l ext rieur et vers l int rieur de la lampe 1 5 4 Caract ristique lectrique de la DBD Afin de sch matiser lectriquement la DBD nous pouvons suivre travers tous les mat riaux physiques le courant lectrique impos par l alimentation Ceci est fait pour la configuration coaxiale utilis e dans cette th se cependant le processus peut tre g n ralis toutes les DBDs Le courant sort de la b
142. s 82 6273 1997 1 14 J Y ZHANG I W BOYD Lifetime investigation of excimer UV sources Applied Surface Science 168 2000 296 299 1 15 T SHIGA S MIKOSHIBA S SHINADA Mercury Free High Luminance and High Efficacy Flat Discharge Lamp for LCD Backlighting Electronics and Communications in Japan Part 2 Vol 84 No 8 2001 1 16 T J SOMMERER D A DOUGHTY Radiometric characterization of xenon positive column discharges J Phys D Appl Phys 31 1998 2803 2817 1 17 N N GUIVAN J JANCA A BRABLEC P STAHEL P SLAVICEK L L SHIMON Planar UV excilamp excited by a surface barrier discharge J Phys D Appl Phys 38 2005 3188 3193 1 18 J P BOEUF Plasma display panels physics recent developments and key issues J Phys D Appl Phys 36 2003 R53 R79 29 Chapitre 1 1 19 U KOGELSCHATZ Silent discharges for the generation of ultraviolet and vacuum ultraviolet excimer radiation Pure amp Appl Chem Vol 62 No 9 pp 1667 1674 1990 1 20 M I LOMAEV E A SOSNIN V F TARASENKO D V SHITS V S SKAKUN M V EROFEEV A A LISENKO Capacitive and Barrier Discharge Excilamps and Their Applications Review Instruments and Experimental Techniques 2006 Vol 49 No 5 pp 595 616 1 21 U KOGELSCHATZ H ESROM J Y ZHANG I W BOYD High intensity sources of incoherent UV and VUV excimer radiation for low temperature materials processing Applied Surface Scie
143. s entre ces deux grandeurs 111 Chapitre 4 Hil _ Hil i AAAAnnnnnnns AA AAAA ANAAAAD AAA AAA AVATAAY IAA AAA AAA VY Courant mA Courant mA 0 5 10 15 20 Temps Us Figure 4 18 Probleme d une inductance de fuites importante Avec une inductance de 1 mH les ondulations ne s observent qu au secondaire et le passage par z ro du courant primaire reste au moment attendu en haut Avec une inductance de l ordre de grandeur de l inductance de charge en bas le courant au primaire est modifi et le blocage doit se faire de mani re forc si l on veut conserver la dur e de d charge 4 3 4 Configurations exp riment es pour le transformateur Nous avons exp riment plusieurs configurations pour la r alisation du transformateur la structure classique est une configuration ou les deux primaires et le secondaire sont bobin s sur deux jambes s par es afin de minimiser le couplage capacitif entre primaire et secondaire Cette solution illustr e sur la figure 4 19 a t choisie par l outil de 112 R alisations pratiques dimensionnement elle poss de en th orie une longueur de jambe suffisante pour obtenir une inductance magn tisante lev e et pour ne pas saturer le noyau avec une seule couche au secondaire ce qui minimise aussi la capacit parasite Figure 4 19 Une des configurations de transformateur deux bobines s par es une pour le secondaire et l autre pou
144. seur utilis dans le traitement d eau Initialement l oxyg ne a son tat fondamental est dissoci par une collision lectronique cons quence du courant lectrique de l alimentation produisant deux atomes d oxyg ne e 0270 0 e 1 6 Un atome O s associe dans un tat excit avec une mol cule O2 l aide d une troisi me esp ce M ce troisi me composant peut tre par exemple O2 O3 O ou Nz L tat excit g n r O3 revient l tat stable le plus proche correspondant l ozone O3 0O0 O M0 M0 M 1 7 Ci dessus nous montrons seulement la r action initialement d sir e toutefois dans la d charge il y a une multitude de r actions quelques unes contribuent une g n ration suppl mentaire d ozone tandis que d autres sont ind sirables car elles provoquent la destruction de l ozone ou simplement un surplus de consommation de puissance Toutefois nous n allons pas approfondir cet aspect car il est loin de l objectif de cette th se pour plus d information lire 1 7 1 4 2 Traitement des gaz La configuration de DBD mise au point pour la production d ozone est galement appliqu e la d composition des gaz toxiques entrant dans l ozoniseur au lieu de l oxyg ne comme le 15 Chapitre 1 sulfure d Hydrog ne H2S 1 8 par des collisions avec des lectrons des radicaux des ions ou des photons rayonnement UV e HS gt H S e 1 8 Aujourd hui la DB
145. ssance optique mise dans une direction particuli re Bien que cette astuce soit importante pour une application industrielle nous avons modifi la g om trie des lectrodes pour tudier plus facilement les interactions entre l alimentation et le rayonnement de la lampe La nouvelle configuration de la lampe est illustr e la figure 2 20 A l int rieur du cylindre interne est plac un cylindre m tallique qui est en contact avec la silice et qui constitue l lectrode interne Afin de permettre que les rayons UV sortent de la lampe l lectrode externe est construite l aide d un filet m tallique qui recouvre la paroi externe du cylindre ext rieur Nous avons effectu une identification du mod le de la lampe avec la nouvelle disposition des lectrodes Les seuls param tres qui sont chang s par rapport la configuration initiale sont les deux capacit s pour Caie nous obtenons 95 pF et pour Cgaz 45 pF 51 Chapitre 2 Vue lat rale Vue frontale Gaz confin Electrode externe Gaz confin Electrode interne D sevice Barri res di lectriques pi ce m tallique grillage m tallique Barri res di lectriques Electrode interne Figure 2 20 Variation dans les lectrodes de la lampe Cette nouvelle configuration permet un rayonnement similaire dans toutes les directions 2 10 Forme d onde ad quate pour contr ler la puissance par l interm diaire de l alimentation Les r sultats obte
146. t l gard de nombreux proc d s technologiques et son contr le est un enjeu tr s important Un syst me de g n ration de plasma de d charge est g n ralement constitu d une alimentation lectrique d un applicateur et d un gaz L applicateur comporte les lectrodes conductrices et ventuellement des mat riaux isolants La g om trie de l applicateur contribue d finir l endroit o le courant lectrique fourni par l alimentation est inject dans le gaz L objet de cette th se est l tude de la conception de l alimentation lectrique de puissance destin e des d charges barri re di lectrique capable de contr ler les transferts de puissance vers la d charge Les r alisations exp rimentales concernent des lampes DBD exciplex utilis es pour la g n ration de rayons ultraviolets Ce travail situ au c ur de l action transversale du laboratoire Laplace Optimisation Source D charge Proc d s s est d velopp avec le soutien conjoint des quipes G ENESYS Energie Electrique et Syst mique et LM Lumi re et Mati re Introduction Dans le premier chapitre de cette th se nous allons faire une introduction la d charge barri re di lectrique ainsi d nomm e car son applicateur comporte un isolant entre les lectrodes et le gaz Nous illustrons son int r t et ses multiples applications ainsi que les diff rents types d alimentations g om tries et vari t s de gaz
147. tats d finitifs de la phase d identification 2 6 Validation du mod le lectrique Le mod le identifi plus haut est impl ment dans des simulateurs de circuits lectriques PSIM SABER ou PSpice A la figure 2 14 nous pr sentons le mod le impl ment dans le logiciel PSIM dans ce simulateur lectrique l entr e exp rimentale le courant mesur provient du logiciel MATLAB Simulink par l interm diaire d un SimCoupler 2 13 La v rification de ce mod le s effectue avec plusieurs signaux correspondants a des valeurs diff rentes de fr quence et de rapport cyclique pour la source de tension impulsionnelle tous diff rents de ceux utilis s pendant le processus d identification 47 Chapitre 2 Approximation l Coefficient claquage fonction Heaviside i H EL Tension lampe simul e Viampe_ Z lampe Ciel en dite Mesure exp rimentale Terme extinction L Figure 2 14 Impl mentation du mod le identifi sur le simulateur PSIM La comparaison entre les formes d onde simul es et exp rimentales est pr sent e la figure 2 15 Les r sultats obtenus sont satisfaisants et permettent d envisager l utilisation du mod le dans la phase de conception de l alimentation pour l excilampe as TS gt gt o or O g Ss cS 5 5 A A D D H E 0 5 Temps us 15 pe kV f 145 kHz R C 20 Tension l
148. tension maximale support e par l interrupteur Le courant icep sert charger la capacit Cep qui joue finalement le r le de source de tension Pour limiter la tension dans la capacit Cep qui aurait naturellement tendance cro tre un clamp actif est utilis celui ci consomme l exc s du courant qui lui est envoy 97 Chapitre 4 T Figure 4 9 Courant dans la capacit Cep produite par les variations de tension au drain du MOSFET de puissance La r alisation de l ensemble du thyristor rapide est illustr e la figure 4 10 Cirontde Transistor MOS d tection Driver Diode rapide Auto alimentation Figure 4 10 R alisation CMS du thyristor rapide 98 R alisations pratiques 4 2 Algorithme de dimensionnement Dans cette section nous pr sentons la proc dure de dimensionnement qui a t mise au point afin de d terminer les valeurs des composants des convertisseurs pour un cahier des charges donn Ces sp cifications pr cisent la puissance lectrique fournir la lampe Piampe la p riode ou la fr quence de fonctionnement de la lampe Tiampe et le temps de d charge t ecn Le temps de relaxation est implicite apr s le choix des deux derniers param tres Pour les deux types d alimentation courant et puissance nous utilisons l algorithme de dimensionnement d crit la figure 4 11 Cette proc dure a t automatis e dans un outil informatique sous MATLAB 4 2
149. tif Nous reviendrons en d tails sur les alimentations lectriques pour ce type de d charges dans la section 1 6 1 4 Applications des DBDs Dans cette section nous allons voquer quelques usages des DBD en commen ant par la plus ancienne la production d ozone La grande diversit d applications offertes par les DBD est un point motivant qui ouvre le spectre des perspectives aux r sultats obtenus dans cette th se 1 4 1 Production d Ozone L ozone sert essentiellement au traitement de l eau en liminant les bact ries les virus et les odeurs d sagr ables La production d ozone O3 a pression atmosph rique est r alis e a DN partir de lair 4N2 O2 de l oxyg ne mol culaire son tat fondamental O2 ou d autres m langes gazeux compos s d oxyg ne et d azote Nz mol culaire son tat fondamental 14 Etat de l art des DBDs La figure 1 9 pr sente le sch ma de principe d un ozoniseur aliment en oxyg ne Ici la DBD est constitu e de deux barri res di lectriques coaxiales la d charge est effectu e dans le volume par lequel le gaz circule Le courant lectrique va convertir une partie du gaz entrant en ozone Barri res Electrodes di lectriques m talliques Sortie ozoniseur I LA i NN 0 03 Alimentation 0 lectrique Ozoniseur Entr e ozoniseur 02 trait e Ozoniseur DBD Figure 1 9 Sch ma de principe d un ozoni
150. tion directe du rayonnement sur l oscilloscope ce qui permet de le comparer en temps r el avec les signaux lectriques notamment avec le courant dans la lampe Photod tecteur Figure 5 4 Montage avec photod tecteur pour mesurer le rayonnement en fonction du temps Nous observons la figure 5 5 que le rayonnement se produit essentiellement pendant qu il y a une circulation du courant dans la lampe Nous avons v rifi que ce principe se conserve avec l alimentation en courant comme le montre la figure 5 6 128 Etude des Interactions I UV Fichier Vertical Base detemps ODe clenchement Affichage Curseurs Mesure Math Analyse Ulilitaires Aide l lampe Ca Fy 2 i 100 mA div per woe Perturbations 125k8 256 Positive be 9 1 2008 3 43 01 PM lectromagn tiques Figure 5 5 Concordance entre le courant dans la lampe et le rayonnement UV pour une alimentation en en puissance La puissance UV rayonn e est en unit s arbitraires Des perturbations lectriques nous reviendrons sur ce point dans la prochaine section apparaissent lors des commutations des semi conducteurs ainsi que dans les phases pendant lesquelles le courant est nul I est remarquer que le rayonnement est plus important pendant le demi cycle o le courant circule de l lectrode externe vers l lectrode interne courant positif quand l anode se trouve l ext rieur ce r sultat sera expliqu ult
151. tres termes nous sommes pr s de l quilibre thermodynamique plasma chaud Cette zone est caract ris e par une tension tr s faible et une faible augmentation de la tension avec le courant r sistance locale positive Egalement le niveau de courant est tr s lev normalement sup rieur a 50 A Il s agit de la zone VIII de la caract ristique statique de la d charge sur la figure 1 4 1 3 D charge barri re di lectrique La d charge barri re di lectrique DBD ou d charge silencieuse pr sente en r gle g n rale au moins un di lectrique intercal entre les lectrodes comme le montre la figure 1 6 Initialement con ue par W SIEMENS en 1857 elle avait comme objectif la g n ration d ozone 1 7 Electrode m tallique Gaz Barri re di lectrique Gaz Electrode m tallique Figure 1 6 Possibles configurations d une DBD Au moins un di lectrique intercal entre les lectrodes Electrode m tallique Gaz Barri re di lectrique Electrode m tallique Electrode m tallique Barri re di lectrique Gaz Barri re di lectrique Electrode m tallique La DBD est g n ralement constitu e par des filaments cylindriques ces filaments appel s aussi microd charges ou streamers ont une caract ristique sch matis e la figure 1 7 La microd charge pr sente un diam tre faible dans la plupart du volume 200 um pression atmosph rique el
152. tudier pendant la phase de conception les interactions entre le convertisseur et la lampe gr ce des simulations num riques au niveau circuit lectrique A travers le mod le identifi nous avons tabli la nature capacitive de la lampe et la caract ristique de type source de tension pr sent e par le gaz Ces deux aspects expliquent le choix d une alimentation en courant comme source id ale pour contr ler la puissance dans la lampe Cette conclusion peut tre g n ralis e l ensemble des DBDs qui travaillent en r gime normal de d charge L alimentation a t con ue comme deux blocs associ s en cascade une source unidirectionnelle de courant et un inverseur de courant Ce dernier permet de maintenir un courant moyen nul dans la DBD condition n cessaire pour garantir le bon fonctionnement du convertisseur L inverseur de courant a t r alis partir d un pont en H et d un transformateur l vateur le nombre d interrupteurs a pu tre r duit a deux gr ce a une configuration de transformateur a trois enroulements 143 Conclusion g n rale Pour la source de courant nous avons choisi un fonctionnement en mode de conduction discontinu tenant compte d un temps d attente entre deux impulsions de courant a priori n cessaire pour la relaxation des esp ces du gaz Deux solutions ont t retenues pour la source de courant la premi re utilise un hacheur survolteur la deu
153. uence de r sonance d sir e avec une valeur d inductance plus faible 1 32 be l Caral Figure 1 20 Configuration de base d une alimentation a r sonance pour une DBD ddd 27 Chapitre 1 Les convertisseurs r sonance g n rent normalement une tension sinuso dale 1 33 La diff rence par rapport aux alimentations sinuso dales classiques est une nette am lioration dans le rendement car dans les alimentations classiques non commut es il y a une r sistance s rie en sortie du g n rateur qui dissipe la plupart de la puissance De plus avec les alimentations r sonance il est possible d obtenir une commutation douce des interrupteurs de l inverseur diminuant les pertes 1 6 4 Alimentation en courant Si nous r fl chissons la fa on correcte de contr ler la puissance dans la d charge il suffit d tudier la caract ristique lectrique du gaz priori pour les DBDs le gaz se trouve dans le r gime normal de d charge 1 7 comme nous le d montrerons dans le prochain chapitre pour le cas de l excilampe Ce r gime est caract ris par une tension constante zone V sur la figure 1 4 ainsi la seule fa on de contr ler efficacement la puissance est travers le courant En plus le fait d imposer le courant garantit le respect des r gles de causalit dans les composants capacitifs de la lampe Ce nouveau concept d alimentation en courant pour les DBDs est le sujet que
154. uivant puissance de la lampe 50 W fr quence de fonctionnement lampe 50 kHz temps de d charge 5 us rapport de charge 50 temps de charge 2 5 us 12 odue Figure 4 22 Sch ma de l alimentation en courant test e avec les valeurs utilis s Dans la figure 4 23 nous pr sentons les formes d onde obtenues elles sont en accord avec la th orie le courant dans l inductance courbe unidirectionnelle pr sente e larampe de la phase de charge e la partie sinuso dale correspondante la phase de d charge La valeur calcul e pour 15 coincide avec la valeur affich e l oscilloscope fin de la rampe 80 V 2 5 80V 2 5 us _ 125A 4 20 160 uH Dans le courant de la lampe courbe bidirectionnelle nous percevons l influence de la capacit parasite du transformateur qui alt re la forme d onde au moment du claquage comme cela a t expliqu auparavant palier au d part de la phase de d charge D apr s les formes d onde nous pouvons estimer que cette capacit parasite est du m me ordre de grandeur que la 115 Chapitre 4 capacit du gaz 12 pF ce qui n affecte pas le bon fonctionnement du convertisseur mais r duit in vitablement la puissance lumineuse produite Nous v rifions que le courant dans la lampe est quasi nul pendant les temps de relaxation et nous validons le fonctionnement de inverseur de courant avec les cycles positifs et n gatifs du courant da
155. une caract ristique de type thyristor Etant donn qu actuellement 2008 nous ne pouvons pas trouver dans le commerce de thyristors qui puissent commuter aux fr quences requises par notre dispositif de l ordre de la centaine de kHz il a fallu construire un thyristor synth tis avec des l ments semi conducteurs rapides L id e g n rale du thyristor rapide repose sur un transistor en s rie avec une diode rapide Nous avons choisi un MOSFET car il est plus rapide que les bipolaires ou les IGBTs et parce que les valeurs de courant au primaire nous le permettent typiquement moins de 5 A Nous devons placer aussi un circuit de contr le pour piloter la grille du MOSFET Un diagramme initial du thyristor rapide est illustr dans la figure 4 1 o nous pouvons apercevoir dans le circuit de contr le un comparateur et une bascule Set Reset le comparateur maintient la bascule son tat bas en sortie pour les valeurs n gatives de tension anode cathode ne permettant pas d amorcer la structure dans cette condition Anode A O Comparateur Bascule K Set Reset m Cathode K Figure 4 1 Diagramme de base du thyristor rapide Le circuit de contr le de la grille du MOSFET est impl ment ici avec un comparateur et une bascule Set Reset La s quence d amorcage command de cette structure est la suivante avec une tension anode cathode positive la sortie du comparateur est l tat bas
156. une DBD avec une alimentation sinuso dale 1 6 2 Alimentation impulsionnelle Les alimentations impulsionnelles pour les DBD pr sentent g n ralement une tension carr e avec une amplitude de l ordre de 10kV des temps de mont e de l ordre de la centaine de ns et une fr quence de fonctionnement de l ordre de plusieurs dizaines de kHz 1 29 Ces sources de tension sont actuellement utilis es dans les excilampes en raison de leur efficacit sup rieure en termes de puissance rayonn e par rapport aux alimentations sinusoidales La cause de cette am lioration a t attribu e aux dv dt plus importants dans la forme d onde de la tension impos e 1 30 Il faut noter que ces variations de tension sont d termin es par les temps de commutations des interrupteurs dans l alimentation Des alimentations de ce type ont t con ues exclusivement pour alimenter les excilampes permettant le r glage non seulement de l amplitude et de la fr quence mais aussi du rapport cyclique Ce dernier aurait une influence sur le rendement du rayonnement de la lampe 1 31 Nous pr sentons dans la figure 1 18 un convertisseur du type impulsionnel utilis dans des applications commerciales pour les traitements dermatologiques Il est compos d une source de tension continue et d un hacheur d volteur qui permet de r gler le rapport cyclique Les niveaux de tension n tant pas suffisants pour faire claquer le gaz un transformateur l
157. ur ce dernier change le signe du courant chaque demi p riode de fa on synchronis e aux moments o le courant est nul 60 Synth se des convertisseurs Il faut noter que la source unidirectionnelle de courant doit fonctionner en r gime de conduction discontinu pour permettre le temps de relaxation Cette configuration est illustr e sur la figure 3 2 J lompe I a I a gt Lis f l l nr T lampe Figure 3 2 G n ration du courant bidirectionnel a partir d une source unidirectionnel en mode de conduction discontinu 3 2 Pont en H Initialement nous allons supposer que la source unidirectionnelle est id ale et constante de cette fa on avec un pont en H id al nous inversons le signe du courant comme le montre la figure 3 3 A partir de cette structure nous pouvons simuler la tension et le courant dans chacun des interrupteurs id aux et identifier quel est le dispositif semiconducteur a utiliser Figure 3 3 Structure de pont en H pour inverser le signe de courant dans la lampe Dans ce pont en H nous choisissons de commander K1 en m me temps que K2 et K2 avec K1 cette option revient a perdre au profit de la simplicit un des degr s de libert que comportent les deux cellules K1 K2 et K1 K2 61 Chapitre 3 De cette fa on si K1 et KZ sont l tat passant pendant que K2 et K1 sont bloqu s le courant dans la lampe sera gal a J En
158. urant mA Tension kV N N N EN IN 5 Temps us 15 5 Temps us 15 Figure 2 6 Formes d onde relev es exp rimentalement utilis es pour identifier les param tres du mod le Le courant servant d entr e l algorithme d identification gauche et la tension exp rimentale droite pour une alimentation sinuso dale haut et pour une alimentation impulsionnelle bas 2 4 1 Estimation initiale des capacit s Cyaz et Caiel Les capacit s du di lectrique du gaz sont calcul es avec la formule classique pour les capacit s cylindriques 2 10 en consid rant la constante di lectrique Kaie1 du gaz gale 1 et celle de la silice gale a 4 Les variables Fint et rext correspondent respectivement aux rayons interne et externe de chaque condensateur Le param tre Long repr sente la longueur de chaque capacit qui tient compte de la longueur de la lampe 130 mm ou de la longueur de la fen tre d mission 50 mm 2 7 k gg Eg Long 2 10 nf Fint Nous effectuons ce calcul initial en utilisant les dimensions de la lampe figure 2 7 telles que C la figure les pr sente nous obtenons les valeurs suivantes Cyaz 13 07 pF j Caiel 136 pF 39 Chapitre 2 Ces valeurs sont affin es en utilisant les donn es exp rimentales de courant et tension de la lampe quand le claquage n est pas atteint Dans cette condition l quation 2 11 peut tre util
159. urs Cet outil reste compl ter avec l inclusion du calcul des l ments parasites du transformateur et leur prise en compte dans la simulation incluse dans la proc dure it rative Nous avons enfin v rifi le fonctionnement correct des deux types des structures alimentation en courant et alimentation en puissance Nous nous sommes servis de cette derni re pour d montrer le contr le de la puissance dans la lampe gr ce l nergie emmagasin e dans l inductance nous avons aussi tabli que la puissance dans la lampe est contr l e par son courant conform ment aux hypoth ses formul es au d but de cette th se L int r t commercial des nouveaux concepts d alimentations reste v rifier elle n cessiterait que le transformateur soit optimis dans une comparaison avec les alimentations disponibles sur le march en termes de rendement et de puissance maximale fournie la lampe Cependant nous pouvons assurer que notre concept permet le contr le et la variation avec deux degr s de libert de la puissance inject e dans la DBD Nous sommes aussi convaincus que la d marche de conception et de dimensionnement pr sent e ici est applicable d autres types de DBDs 122 R alisations pratiques Bibliographie 4 1 D ZHIFENG Synth se de Thyristor Haute Fr quences pour alimentation de puissance de lampes DBD Rapport de stage Master Recherche LAPLACE 2008 4 2 Manuels de MATLAB et de SIMUL
160. urs de l inverseur de courant en configuration de pont en H soit la moiti de la tension de 1 et S1 dans la configuration a trois interrupteurs en cathode commune En cons quence le rapport de transformation n est choisi avec l quation 4 11 Pour le cas de l alimentation en puissance en ce qui concerne l interrupteur SO le rapport de transformation minimum est trouv avec l quation 4 12 _ Viampemax E g D 4 12 Sem Avec la valeur du rapport de transformation nous retrouvons facilement les valeurs de l inductance L et de la source de tension E au primaire en utilisant les relations 4 13 et 4 14 E E 4 13 n L pez 4 14 n 4 2 6 Dimensionnement du transformateur A ce stade de l algorithme nous d tenons les valeurs n cessaires issues de la derni re simulation pour la conception du transformateur le rapport de transformation le courant efficace primaire le courant efficace secondaire et la forme d onde de la tension au secondaire Nous avons mis en place un outil de conception de ce transformateur o nous parcourons une base des donn es de c bles et de noyaux disponibles Ensuite nous s lectionnons la meilleure option en termes de rendement nerg tique minimum des pertes qui n alt re pas le principe de fonctionnement du convertisseur Cette derni re contrainte concerne les valeurs de l inductance magn tisante et des l ments parasites du transformateur dont
161. us appelons thyristor rapide n cessaire pour le fonctionnement correct de l alimentation propos e Cet interrupteur peut ventuellement trouver une utilisation dans d autres applications du domaine de l lectronique de puissance Pour finir afin d valuer les performances des alimentations mises au point vis a vis de la finalit du proc d la g n ration de rayonnement UV une tude de la corr lation entre le courant impos la lampe et le rayonnement UV obtenu est r alis e en exploitant les degr s de libert offerts par le nouveau concept d alimentation Celle ci permet de v rifier que ces alimentations contr lent efficacement le rayonnement de la lampe jusqu l chelle de temps de leur p riode de fonctionnement Chapitre Les d charges barri re di lectrique tat de l art Dans ce premier chapitre nous nous proposons d introduire le lecteur aux d charges barri re di lectrique et a leurs diverses applications actuelles et futures dans le monde de l industrie et dans la vie quotidienne Chaque fois que cela sera possible nous mentionnerons les caract ristiques de ces d charges que l on retrouve dans les lampes DBD excim res que nous avons utilis es comme support d exp rimentation Nous commen ons par une br ve et simple introduction de l ensemble des plasmas froids de d charge en insistant en particulier sur les diff rents r gimes de d charge possibles dans un ga
162. ut noter que ces deux variables ne sont pas mesurables Nous pouvons les voir une fois qu elles ont t d clar es dans l outil d identification sur la figure 2 5 2 3 4 Equations d tat Les quations d tat d finissent les d riv s des variables d tat Pour la conductance du gaz nous r utilisons la relation 2 1 d taill e plus haut Nous exprimons le courant du gaz en fonction des variables d tat en utilisant 2 3 ainsi nous obtenons la premi re quation d tat 2 6 1 dG Vin K 1 exp a 7 G 2 6 gaz K Gy Ky v gaz La deuxi me quation d tat 2 8 correspond la d riv e de la tension aux bornes du gaz Elle est issue de la loi des n uds KIRCHHOFF qui exprime que le courant fourni par l alimentation est gal la somme du courant circulant dans la capacit Cgaz et du courant dans le gaz courant de conduction GC Dax G 2 Lampe X gaz Vaz J oaz 7 dt Soit sous une autre forme dv l v G gaz lampe gaz gaz 2 3 5 Equation de sortie L quation de sortie permet de calculer la tension aux bornes de la lampe partir de la connaissance du vecteur d entr e et du vecteur d tat Cette relation est d termin e partir de la loi des mailles KIRCHHOFF de l alimentation b f V lampe V gaz _ dt 2 9 diel L interface graphique de l outil d identification qui permet d ins rer l quation de sortie de m me
163. utilis s dans ce type de d charge Au deuxi me chapitre nous d veloppons la mod lisation et l identification exp rimentale du dispositif de d charge Le mod le lectrique issu de cette tape est destin a la simulation de la lampe l aide de simulateurs de type circuit Les propri t s de la lampe DBD tudi e d gag es au cours de la mod lisation nous am nent d finir un nouveau concept pour alimenter lectriquement la d charge respectant les principes de causalit Nous pr sentons ensuite au troisi me chapitre le d veloppement raisonn de deux structures de convertisseurs diff rents satisfaisant les contraintes impos es par le concept d alimentation souhait Le syst me alimentation lampe exhibe un comportement r sonant en cons quence nous l tudions th oriquement avec l outil appropri le plan de phase Le quatri me chapitre pr sente la mise en uvre et la validation du fonctionnement des deux convertisseurs r alis s avec l aide d un outil de dimensionnement qui utilise des simulations lectriques du syst me convertisseur lampe complet Nous y prenons en compte certains l ments parasites du convertisseur dont la pr sence s av re d terminante afin de d terminer la meilleure solution du point de vue nerg tique et d obtenir une simulation tr s proche de la r alit De plus nous pr sentons le d veloppement et l impl mentation d un interrupteur que no
164. vec la temp rature Accomplir exp rimentalement la transformation entre ces quatre tats est un exercice difficile voire impossible cause de l norme diff rence de temp rature requise pour passer de l tat solide jusqu au plasma Si nous prenons par exemple un gla on 0 C sont n cessaires pour passer l tat liquide eau 100 C l tat gazeux et 100 000 C au plasma 1 3 En cons quence dans la pratique les plasmas sont g n r s partir d un gaz en le soumettant une d charge lectrique plasmas de d charge ou un champ magn tique plasmas RF Dans cette th se nous ne consid rons uniquement que les plasmas de d charge Un plasma proprement dit ne poss de ni mol cules ni atomes il contient seulement des ions et des lectrons libres De plus de m me que pour le corps qui lui a donn naissance sa charge lectrique globale est nulle la somme alg brique totale des charges qu il contient doit donc tre nulle Nous retrouvons le plasma l tat naturel dans divers milieux dans la couronne solaire le soleil l int rieur des toiles l ionosph re etc 1 4 Cependant en laboratoire nous retrouvons plut t un gaz ionis m lange d atomes d ions et d lectrons comme l illustre la figure 1 2 les densit s d ions et d lectrons peuvent varier raison pour laquelle le terme de degr d ionisation est introduit Etat de l art des DBDs Atomes
165. xi me un hacheur d volteur survolteur Pour chaque alimentation nous avons r duit le nombre d interrupteurs lors de la mise en cascade avec l inverseur ce qui a donn naissance respectivement l alimentation en courant et l alimentation en puissance Le syst me alimentation lampe pr sente un comportement r sonant pour les deux cas de convertisseur L tude th orique de ces structures a t effectu e avec le plan de phase qui aide la compr hension du fonctionnement des alimentations et au choix des conditions limites dont la connaissance permet d assurer un fonctionnement satisfaisant des convertisseurs Le bon fonctionnement des convertisseurs n cessite l utilisation d interrupteurs de type thyristor cependant la plage des fr quences de fonctionnement choisies les situent des valeurs beaucoup trop lev es pour les dispositifs commerciaux Pour r soudre ce probl me nous avons con u et mis en uvre un thyristor rapide composant synth tis partir d un MOSFET d une diode et d une logique de contr le pour g rer l tat du MOSFET L utilisation de ce dispositif peut tre tendue d autres applications de l lectronique de puissance Le nouveau concept d alimentation a t mis en uvre et test de mani re satisfaisante pour les deux convertisseurs tudi s au cours de cette th se Les formes d onde obtenues sont en accord avec la th orie Le contr le de la puissance
166. z ro du courant emp chant le blocage naturel de S1 et 1 Bien que le courant dans la lampe soit bidirectionnel et que le fonctionnement de la lampe semble correct le fonctionnement de l alimentation reste bien loin de ce qui tait pr vu nous avons donc mis en uvre la solution d crite la section suivante 4 3 5 Configuration du transformateur retenue Le probleme de la valeur trop faible de l inductance magn tisante a t r solu avec un transformateur construit a partir de deux ferrites cylindriques tr s longues 24 5 cm qui forment les jambes et avec deux ferrites en I pour fermer le circuit magn tique Les primaires sont bobin s au dessus du secondaire pour minimiser l inductance de fuites Ce transformateur pr sent dans la figure 4 21 nous a permis de garantir un blocage spontan des interrupteurs S1 et 1 Figure 4 21 Transformateur qui permet le blocage spontan des interrupteurs S1 et 1 Avec ce transformateur nous avons pu valider exp rimentalement les deux types d alimentation expos es dans cette th se qui seront pr sent es dans les sections suivantes 114 R alisations pratiques 4 4 R alisation exp rimentale de l alimentation en courant Dans cette section nous pr sentons le fonctionnement exp rimental de l alimentation en courant Les valeurs des composants du sch ma de la figure 4 22 ont t calcul es pour satisfaire le cahier des charges s
167. z sous l influence d un champ lectrique Nous avons choisi d adopter une approche simple dans une vision orient e vers les besoins d ing nieurs ou d tudiants en g nie lectrique en apportant ponctuellement le compl ment de connaissances de la physique qui nous semble n cessaire pour mieux comprendre les ph nom nes qui interagissent dans une d charge Ensuite nous expliquons les concepts fondamentaux des d charges barri re di lectriques leurs diff rentes configurations physiques possibles et leurs applications les plus courantes Nous terminons le chapitre par une application sp cifique de la DBD les lampes excim res ou exciplexes Ce type de lampe sera l l ment exp rimental d tude dans cette th se Nous pr sentons les alimentations existantes jusqu aujourd hui pour ce type de d charges 3 Etat de l art des DBDs Chapitre 1 1 1 Introduction aux plasmas Si nous prenons un l ment de la mati re son tat solide et nous commen ons le chauffer nous retrouverons son volution comme le montre le sch ma de la figure 1 1 Cet l ment passe graduellement par son tat liquide ensuite l tat gazeux puis au plasma Pour cette raison le plasma est appel souvent le quatri me tat de la mati re 1 1 et constitue environ 99 de la masse visible de l univers 1 2 Solide Liquide Gazeux _ Plasma Temp rature Figure 1 1 Evolution de l tat de la mati re a

Alimentation de puissance d`une lampe exciplexe à décharge à

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