Décharges à Barrière Diélectrique (DBD) et leurs alimentations

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Les régimes de décharges

Nous pouvons distinguer chaque décharge par sa caractéristique courant/tension qui dépend de la géométrie des électrodes, du gaz utilisé… Cette caractéristique est fortement non linéaire. En effet, avant de devenir conducteur, le gaz peut être considéré en première approche comme un isolant. Afin d’expliquer la transition entre ces différents états, nous prendrons l’exemple d’une décharge alimentée en continu. Cette expérience a été initialement réalisée avec une alimentation en tension continue connectée à deux électrodes entre lesquelles était confiné un gaz à basse pression ; le schéma est présenté en Figure 1-1. Cette expérience étant réalisée à basse pression et dans des conditions bien particulières, la succession d’états observés nous permet de passer en revue les différents modes de décharge existantes, mais ne donne en aucun cas une « chronologie » de l’évolution d’une décharge.
Nous passerons d’un type de décharge à un autre en suivant l’évolution croissante du courant. Nous distinguerons trois principaux types de décharges à partir de la caractéristique courant/tension (Figure 1-2). Chaque couleur représente un type de décharge caractéristique. Chaque zone peut être encore divisée en sous zones.
Une étude détaillée de ces différentes zones et du mécanisme d’établissement d’une décharge dans un gaz peut être trouvée dans la littérature [1.1], [1.2], [1.3]. Cependant nous allons présenter brièvement ces régimes et montrer les phénomènes mis en jeux.

Décharge obscure

On comprend par son nom que c’est une décharge invisible à l’œil. Nous pouvons découper la zone en sous zones allant de a à e.
a-b : La tension d’alimentation aux bornes du dispositif présenté Figure 1-1 est initialement nulle. Cette tension est augmentée progressivement, un très faible courant de décharge est alors mesuré. Le champ électrique uniformément réparti permet de mettre en mouvement les électrons germes initialement présents dans l’espace inter-électrodes. Ces électrons germes sont générés par le rayonnement cosmique. Il est important de noter qu’en absence de charge « germes », cette phase ne peut pas exister: il est donc impossible d’allumer une décharge. A ce stade, les électrons n’ont pas suffisamment d’énergie pour ioniser les atomes neutres du gaz.
b-c : La tenson augmente mais le courant sature à un certain niveau. En effet toutes les charges libres sont accélérées, cependant le champ électrique reste encore trop faible pour que les électrons acquièrent l’énergie suffisante à l’ionisation du gaz.
Décharges à Barrière Diélectrique (DBD) et leurs alimentations : Etat de l’Art
c-d : On franchit le seuil de champ suffisant pour que les électrons puissent ioniser certains atomes par collision inélastique. Cette ionisation s’accompagne logiquement de la création d’électrons, d’où l’augmentation du courant.
d-e : zone dite de la décharge de Townsend. Les ions produits sont à leur tour accélérés par le champ électrique. Certains acquièrent suffisamment d’énergie pour créer des électrons par émission secondaire. On peut donc à ce stade avoir une décharge auto-entretenue : le nombre d’électrons extraits à la cathode est suffisant pour fournir les électrons créés par ionisation et captés à l’anode. Cependant la densité ionique est encore trop faible pour déformer le champ géométrique. Le gaz est alors clairement conducteur. La tension de ce type de décharge n’évolue pas avec le courant et correspond à la tension de claquage du gaz. A la pression atmosphérique, cette tension est de l’ordre de plusieurs kilovolts et le courant de quelques milliampères. Ce type de décharge peut être obtenu dans les DBD homogènes dans l’azote ou l’air.

Décharge luminescente

On peut séparer ce type de décharge en différents « sous-régimes ». Nous avons d’abord la décharge luminescente sub-normale dans laquelle il n’y a pas encore de plasma mais le champ géométrique se déforme petit à petit par la charge d’espace ionique qui se forme à la cathode : zone allant de e à f. Ce régime est extrêmement instable du fait de la caractéristique courant tension à pente négative. Un générateur ne peut donc maintenir ce régime mais il est préalable à la décharge luminescente normale dans laquelle la tension de décharge reste constante pour plusieurs ordres de grandeur du courant de décharge : zone allant de f à g de la Figure 1-2. Du fait de la faible mobilité des ions par rapport à celle des électrons, une zone de charge d’espace apparait, déformant le champ géométrique: elle ne recouvre donc pas la totalité de la surface des électrodes. La densité de courant est même constante dans cette zone. On observe alors une charge d’espace positive proche de la cathode, appelée gaine cathodique, où se concentre le champ électrique et une zone de plasma quasi neutre entre la gaine cathodique et l’anode appelée colonne positive. La particularité de cette zone plasma est sa luminosité ; c’est pourquoi elle est privilégiée pour les applications d’éclairage et notamment dans les lampes à décharge à barrières diélectriques. Il est à noter que dans le régime normal, c’est la déformation du champ électrique qui permet de travailler à tension plus faible. Nous passons ensuite en décharge luminescente anormale où le plasma recouvre la surface de la cathode: zone allant de g à h Figure 1-2. Dans cette partie la densité de courant dans la gaine cathodique augmente

Arc

L’augmentation de la densité de courant implique une augmentation de l’ionisation ; la cathode chauffe et émet des électrons. On appelle ce phénomène thermo-ionisation. La tension de décharge baisse alors que le courant de décharge augmente ; on transite alors au régime d’arc. La tension est alors de quelques dizaines de volts et le courant peut atteindre plusieurs milliers d’Ampères. Ce régime se caractérise par des températures très élevées et par une consommation du métal de la cathode.

Notion de claquage dans le gaz

Comme on vient de le voir, lorsqu’un courant électrique traverse un gaz, on peut générer un plasma. Les gaz sont des isolants et deviennent conducteurs lorsqu’un nombre suffisant de porteurs de charge est généré. En effet, lorsque nous reprenons le dispositif de la Figure 1-1, un électron primaire va être accéléré par le champ électrique et peut ioniser un atome du gaz. Un électron supplémentaire va alors être libéré puis accéléré et va acquérir une énergie suffisante afin d’ioniser lui aussi une autre particule. Ce phénomène d’ionisation successive est appelé l’avalanche électronique. Ce phénomène se poursuit jusqu’à ce que l’avalanche arrive à l’anode. Cette avalanche trace le chemin au claquage du gaz. Sur le dispositif de la Figure 1-1, la tension de claquage ne dépend que de deux paramètres : la pression du gaz et la distance inter-électrodes, selon la loi de Paschen. A une pression donnée, plus la distance inter-électrodes diminue, plus faible est la tension nécessaire pour produire un claquage du gaz. Ceci est vrai jusqu’à une valeur appelée minimum de Paschen en dessous de laquelle la tension disruptive remonte. La formule de la tension de claquage est donnée par :
V B.P.d
claquage= ln( A.P.d ) ln(ln(1+1/γ )) (1-2)
A et B sont des constantes propres à chaque gaz dans cette équation.
ɤ représente le coefficient d’émission d’électrons secondaires à la cathode.
P la pression dans le gaz et d la distance inter électrodes.
Vclaquage est donc la tension minimum à atteindre pour « allumer » une décharge. Elle dépend comme nous venons de le voir, et comme le montre la Figure 1-3, du produit pression distance mais aussi de la nature du gaz.

Note relative aux décharges à pression atmosphérique

Les mécanismes de décharge décrits plus haut sont principalement observés à faible produit pression-distance. Lorsque la pression augmente, les mécanismes de claquage diffèrent pour des distances inter-électrodes supérieures à quelques centaines de micromètres. Les mécanismes d’amorçage ont alors tendance à se localiser et à former un amorçage de type streamer. Si le courant local n’est pas limité, on transite alors facilement à l’arc électrique. Pour cela on peut jouer sur l’alimentation électrique en utilisant des alimentations limitées en courant (décharge couronne DC) ou en utilisant des alimentations nano-pulsées afin de ne pas laisser le temps à la décharge de se développer complètement. On peut aussi simplement rajouter un diélectrique entre les deux électrodes comme pour les décharges à barrières diélectriques.

Propriétés des Décharges à Barrières Diélectriques (DBD)

En 1847, Siemens faisait la première utilisation industrielle des DBD dans le cadre de la génération d’ozone. Leur principe consistait à soumettre de l’air ou de l’oxygène, confiné entre deux tubes de verre, à un champ électrique suffisamment élevé, afin de produire des molécules d’ozone. Aujourd’hui, beaucoup d’études sont menées dans le but de comprendre les décharges à barrière diélectrique, et de plus en plus d’applications les utilisant voient le jour.
Le principe de la décharge à barrière diélectrique consiste à ajouter un diélectrique entre les électrodes. Plusieurs géométries peuvent être utilisées, comme présenté en Figure 1-4. La disposition plan-plan, Figure 1-4-a, permet d’éviter le contact entre le plasma et les électrodes. Cet arrangement est intéressant lorsqu’on travaille avec un plasma corrosif [1.4] qui pourrait user les électrodes. Lorsqu’on a besoin de traiter un matériau qui est un diélectrique, on peut l’utiliser comme barrière, et l’arrangement Figure 1-4-b est le plus adéquat puisqu’une décharge peut être obtenue de part et d’autre du matériau. L’arrangement Figure 1-4-e est utilisé pour les DBD de configuration cylindrique permettant la production d’UV (lampe exciplexe par exemple).
La présence de diélectrique permet de limiter le courant local passant à travers la décharge et donc d’éviter le passage à l’arc. Comme nous l’avons vu plus haut, une fois la tension de claquage atteinte, un courant s’établit. Imaginons maintenant que la décharge s’établisse dans un filament de faible diamètre. Le courant charge les diélectriques à cet endroit, augmentant ainsi le champ électrique local sur les diélectriques. Ce champ est opposé au champ appliqué par la source d’alimentation ; il va donc s’opposer au passage du courant et éteindre le filament. De par sa nature, le diélectrique empêche donc la transition vers l’arc électrique. Tant que la tension imposée par la source est suffisamment élevée, la décharge se réamorce à une autre position où le diélectrique n’est pas encore chargé.
La présence de ce diélectrique conduit à la formation d’un grand nombre de micro-décharges de durée de plusieurs dizaines de nanosecondes [1.5] ; elle permet aussi une répartition plus uniforme, dans le temps et dans l’espace, des micro-décharges sur toute la surface du diélectrique [1.6]. Le diélectrique vis-à-vis des micros décharges, se comporte comme un condensateur dont les armatures sont d’une part la décharge et d’autre part une électrode : on pourra donc le modéliser par une capacité.
En obtenant une pré-ionisation du gaz, il est possible d’obtenir une décharge répartie de manière homogène sur tout le diélectrique. Pour cela, il faut travailler dans des conditions d’alimentation bien particulières. Par exemple, dans l’azote, il est préférable de travailler à basse fréquence, alors que dans l’hélium une décharge homogène peut être obtenue à haute fréquence [1.7], [1.8]. Les mécanismes conduisant à ce type de décharge sont bien entendu différents dans les deux cas mais ne seront pas détaillés dans ce manuscrit [1.9].

Modèles électriques des DBD

Il est très important de pouvoir modéliser la DBD afin de concevoir son alimentation électrique. Nous ne cherchons pas à représenter finement le comportement du plasma mais plutôt à décrire le comportement macroscopique électrique de la DBD. De plus, il est préférable d’avoir un modèle de type circuit électrique, pour sa simplicité d’implantation dans un logiciel de simulation de circuits. Plusieurs modèles ont été proposés selon les applications visées. Lorsque nous considérons le schéma de la Figure 1-4, nous pouvons naturellement déduire la présence de capacités dans la modélisation électrique, à cause de la présence des diélectriques mais aussi de l’espace du gaz (qui est un isolant avant l’allumage de la décharge). Nous aurons la présence de Cdiel1 et Cdiel2 représentant les capacités des deux diélectriques comme nous le voyons sur la Figure 1-5. Cdiel1 sera relié à la haute tension et Cdiel2 à la masse. La capacité de l’espace gazeux est Cgaz.
Ce qui diffère entre les différentes représentations électriques c’est la description du mécanisme de claquage du gaz. Celui-ci étant fortement non linéaire comme décrit en Figure 1-2, plusieurs types de modèles existent en fonction de la nature de la décharge. Nous allons en donner quelques exemples.

Modèle d’Udit Narayan Pal

Dispositif modélisé et conditions de fonctionnement
Udit Narayan Pal [1.10] propose une modélisation (Figure 1-6) d’une lampe DBD de configuration cylindrique. Ce dispositif est rempli d’argon pur à 99,9%, les parois de quartz forment les barrières diélectriques. Une haute tension alternative allant jusqu’à 2,4kV à une fréquence pouvant aller de 20kHz à 100kHz est appliquée sur les électrodes afin de générer des micro-décharges.
Modèle
Dans la modélisation de la DBD, nous avons la présence des deux capacités des diélectriques mais la capacité gaz (Cgaz) est variable. Cela s’explique par le fait qu’après le claquage du gaz, le niveau d’ionisation varie et cela conduit à la modification de la valeur de la permittivité relative du gaz. L’auteur rajoute Zd qui représente l’impédance des micro-décharges, en parallèle de Cgaz. Cette impédance est constituée d’une résistance Rdis en série avec une capacité Cdis. Rdis représentant la puissance dissipée et Cdis la gaine cathodique. Lorsqu’il n’y pas de décharge, nous avons un circuit purement capacitif et Sw est ouvert. Sw est fermé lorsque la décharge est allumée et donc l’impédance Zd (Cdis et Rdis) est introduite dans le circuit. Rdis représente la résistance des micro-décharges filamentaires alors que Cdis représente le nuage de charges d’espace formée par la dissociation des porteurs de charges durant l’allumage de la décharge va varier en raison de la variation de la permittivité relative du gaz au cours de l’ionisation. La source de courant représente le courant de décharge.

Modèle de Raphael Diez

Dans son modèle, Figure 1-7, Raphael Diez [1.11] propose une modélisation où il y a toujours la présence des capacités diélectriques et gaz. Cependant, il place en parallèle de Cgaz un modèle de conductance variable afin de représenter le phénomène de conduction dans le gaz donc de claquage.
L’équation (1-3) ci-dessous gouverne ce modèle de conductance.
Dans cette équation nous pouvons distinguer trois termes. Diez introduit Ggaz qui est la conductance du gaz ; Vgaz est la tension du gaz ; igaz est le courant (de conduction) du gaz et Vth est la tension de claquage du gaz en régime permanent. Le processus d’ionisation lié au claquage du gaz est mis en évidence par le premier terme. Ce dernier agit lorsque la tension du gaz atteint la tension de claquage ; K1 est le coefficient de claquage et ∆V le coefficient d’approximation de la fonction de Heaviside. L’extinction des porteurs de charge est déterminée par le second terme. Cette disparition des porteurs de charges suit une loi exponentielle une fois le claquage passé et une fois que tout phénomène susceptible d’entretenir l’ionisation a cessé ; K2 est le coefficient d’extinction. Enfin, le troisième terme met en évidence une création impliquant une relation de proportionnalité entre le courant du gaz et la conductance en régime permanent lorsque dGgaz/dt est égale à zéro. L’hypothèse émise lors de l’introduction de ce terme est qu’en régime permanent, le gaz peut être maintenu conducteur par le courant gaz sans qu’il ne soit nécessaire qu’un claquage ne se produise à chaque demi-période ; K3 est le coefficient de proportionnalité (entre le courant gaz et la conductance).

Modèle de Nicolas Naudé

Nicolas Naudé [1.12] propose le modèle de la Figure 1-8 ; la capacité des diélectriques C et celle du gaz Cgaz sont toujours présentes. Naudé rajoute en parallèle de la capacité gaz deux diodes zener tête bèche en série avec un circuit RmemCmem parallèle. Naudé prend en compte dans son modèle l’effet mémoire. Il utilise deux diodes zeners tête bèche afin de modéliser le claquage du gaz, en effet il montre que le phénomène d’avalanche qui se produit dans le gaz lors d’un claquage de type Townsend est comparable au phénomène d’avalanche observé dans les semi-conducteurs. La tension de claquage des diodes représente la tension de claquage du gaz. Rmem et Cmem permettent de modéliser l’influence de la variation de l’émission secondaire. La constante de temps RmemCmem représente la durée de l’effet mémoire lié à la présence des métastables entre deux décharges successives alors que la variation de l’émission secondaire pendant la décharge est caractérisée par la variation de la tension aux bornes de Rmem-Cmem. Pendant la décharge, Cmem se charge à une tension Vmem qui augmente jusqu’à ce que le courant traversant les diodes zeners devienne trop faible pour charger Cmem. A ce moment, la capacité Cmem se décharge dans la résistance Rmem jusqu’à ce que la tension gaz soit assez élevée pour initier une nouvelle décharge sur la prochaine alternance. Le modèle a été validé par Naudé pour une décharge de Townsend à pression atmosphérique dans de l’azote.

Modèle de circuit retenu pour notre approche de conception

Nous pouvons voir aussi plusieurs modèles où une résistance variable est juste placée en parallèle de la capacité Cgaz. Lorsque la décharge est éteinte cette résistance est infinie et lorsqu’elle est allumée cette résistance devient très faible. Cette résistance représente la puissance réelle consommée dans la décharge [1.13].
Dans ce manuscrit, la capacité des deux diélectriques en série sera toujours définie par Cdiel et la capacité du gaz par Cgaz. En général, Cgaz << Cdiel. Lorsque la décharge est éteinte la tension aux bornes de la DBD est régie par la capacité équivalente Ceq. Cette dernière est la mise en série de Cdiel et de Cgaz et est en général très proche de Cgaz. Lorsque la décharge est allumée, nous considérons que la tension de gaz ne varie pas et reste égale à la tension de claquage ± Vth (le signe dépend de la direction du courant). Cette hypothèse est valable lorsque la décharge est en régime de Townsend ; elle ne prend pas en compte les phénomènes locaux, mais rend compte d’un point de vue macroscopique et est largement suffisante pour tenir compte des non-linéarités du plasma dans une démarche de conception d’alimentations. Comme nous le voyons sur la Figure 1-9, la décharge est modélisée par un dipôle de caractéristique (Vgaz, Igaz) qui traduit le mécanisme de claquage. Cette caractéristique est en parallèle avec la capacité gaz Cgaz. [1.14], [1.15]. La caractéristique courant tension du gaz est la même que celui de diode zener tête bêche, ce modèle est donc en fait très proche de celui de Naudé sans la prise en compte de l’effet mémoire.

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre 1 Décharges à Barrière Diélectrique (DBD) et leurs alimentations : Etat de l’Art
1.1 Introduction
1.2 Les régimes de décharges
1.2.1 Décharge obscure
1.2.2 Décharge luminescente
1.2.3 Arc
1.2.4 Notion de claquage dans le gaz
1.2.5 Note relative aux décharges à pression atmosphérique
1.3 Propriétés des Décharges à Barrières Diélectriques (DBD)
1.3.1 Modèles électriques des DBD
1.3.1.1 Modèle d’Udit Narayan Pal
1.3.1.2 Modèle de Raphael Diez
1.3.1.3 Modèle de Nicolas Naudé
1.3.1.4 Modèle de circuit retenu pour notre approche de conception
1.3.2 Quelques applications
1.3.2.1 Production d’Ozone
1.3.2.2 Traitement de surface
1.3.2.3 Les écrans à plasma
1.4 Sources d’alimentations électriques pour DBD
1.4.1 Alimentation en tension sinusoïdale
1.4.1.1 Puissance transférée dans la décharge
1.4.2 Alimentation en tension rectangulaire
1.4.3 Alimentations à résonance
1.4.3.1 Topologie de Xavier Bonnin [1.29]
1.4.3.2 Topologie de David Florez [1.30]
1.4.3.3 Topologies de Raphael Diez [1.13]
1.4.4 Alimentation en tension pulsée
1.4.5 Alimentation en courant carré
1.4.6 Comparaison
1.5 Influence du transformateur sur la décharge
1.5.1 Influence de l’inductance de fuite du transformateur
1.5.2 Influence de l’inductance magnétisante du transformateur
1.5.3 Influence de la capacité parasite du transformateur
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 2 Etude théorique de l’alimentation sans transformateur pour DBD
2.1 Introduction
2.2 Principe de fonctionnement
2.2.1 Modèle de la décharge utilisée
2.2.2 Fonctionnement du convertisseur
2.2.2.1 Synthèse des interrupteurs
2.2.2.2 Fonctionnement séquentiel du convertisseur
2.3 Etude dans le plan de phase avec prise en compte du régime transitoire
2.3.1 Etude du régime transitoire sans claquage du gaz
2.3.2 Phénomène de claquage du gaz sur l’alternance positive
2.3.3 Après le claquage du gaz sur l’alternance positive
2.3.4 Avant le claquage du gaz sur l’alternance négative
2.3.5 Etude après le claquage du gaz sur l’alternance négative
2.4 Etude dans le plan de phase en régime permanent
2.4.1 Plan de phase sur l’alternance positive
2.4.1.1 Plan de phase avant le claquage du gaz sur l’alternance positive
2.4.1.2 Plan de phase après le claquage du gaz
2.4.2 Plan de phase sur l’alternance négative
2.4.2.1 Avant le claquage du gaz
2.4.2.2 Après le claquage du gaz
2.4.3 Eléments de dimensionnement
2.4.3.1 Courant maximal
2.4.3.2 Puissance dans la décharge
2.4.3.3 Sensibilité de la puissance vis-à-vis des caractéristiques de la DBD
2.4.3.4 Condition de commutation en ZCS
2.4.3.5 Condition de stabilité
2.5 Contraintes de dimensionnement
2.5.1 Contraintes sur les semi-conducteurs
2.5.2 Contraintes sur l’inductance
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 3 Réalisations expérimentales : Mise en oeuvre des MOSFETs SiCs
3.1 Introduction
3.2 Dispositifs expérimentaux
3.2.1 Dispositifs DBD utilisés
3.2.1.1 DBD plan-plan
3.2.1.2 Lampe DBD
3.2.2 Choix des semi-conducteurs
3.2.2.1 Pour la DBD plan-plan
3.2.2.2 Pour la lampe DBD
3.2.3 Carte de commande
3.2.3.1 Convertisseur DC/DC
3.2.3.2 Régulateur de tension
3.2.3.3 Transmission des signaux de commande
3.2.3.4 Driver
3.2.4 Choix de l’inductance
3.2.4.1 Calcul théorique
3.2.4.2 Choix des matériaux et choix technologique
3.2.4.3 Mesure et caractérisation
3.3 Outils expérimentaux et de simulation
3.3.1 Outils expérimentaux
3.3.2 Identification des paramètres de la DBD et calcul des puissances
3.3.3 Mesure thermique de la puissance dissipé dans les interrupteurs
3.3.4 Outils de simulation
3.4 Fonctionnement du convertisseur
3.4.1 Cas particulier des faibles puissances
3.4.2 Courbes temporelles
3.4.3 Mesure de la puissance
3.4.4 La Rôle des capacités parasites
3.4.4.1 Rôle des capacités parasites des interrupteurs
3.4.4.2 Rôle de la capacité parasite de l’inductance
3.4.4.3 Rôle de la capacité parasite des sondes et de Cpara
3.4.4.4 Prise en compte de toutes les capacités parasites
3.4.5 Bilan de puissance pour la lampe DBD
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 4 Optimisation de la puissance dans la décharge
4.1 Introduction
4.2 Mise en série des MOSFETS SiC 1.7kV
4.2.1 Effet de la dispersion des valeurs de la capacité COSS
4.2.2 Effet de la capacité parasite de la commande
4.2.3 Effet du retard lors des commutations
4.2.4 Technique de mise en série
4.3 Approche expérimentale de la mise en série des MOSFETS SiC 1.7kV
4.3.1 Gestion expérimentale des retards
4.3.2 Technique expérimentale d’équilibrage des tensions
4.3.3 Mise en oeuvre expérimentale de l’équilibrage
4.3.4 Evaluation des pertes avec la présence de snubbers
4.4 Mise en oeuvre sur une DBD de forte puissance
4.4.1 Résultats expérimentaux avec l’utilisation des SiCs 10kV/10A
4.4.1.1 Puissance, pertes et rendements
4.4.2 Effet de l’instant de fermeture
4.4.2.1 Paramètres de la DBD et longueur de décharge
4.4.3 Résultats expérimentaux avec l’utilisation des SiCs 1.7kV en séries
Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale et perspectives

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