Alimentation électrique des dispositifs de décharge à barrière diélectrique

Power supplies for dielectric barrier controlled discharges devices

• Auteur / Autrice : Xavier Bonnin
• Direction : Hubert Piquet, Nicolas Naudé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 10/12/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Convertisseur statique

Dbd

Contrôle du courant

Plasma

GaN

Traitement de surface

Résonance

Transformateur

Dbd

Dielectric barrier

Discharge

Townsend

Filamentary

Power converter

Rectangular

Square

Current

Thyristor

Mos

High voltage

Plasma

Nitrogen

Transformer

Transformerless

Parasitic capacitance

Ritz

Resonance

Resonant converter

Gan

Inductor

Résumé

Les dispositifs DBD se répandent dans un grand nombre d’applications industrielles. Utilisés depuis plus de 150 ans pour la production d’ozone afin de décontaminer l’eau à grande échelle, ils ont depuis la fin du XXème siècle investi les domaines du traitement de surface polymère, du dépôt de couche mince sur substrat et de l’émission lumineuse pour la décontamination ainsi que la médecine. Ces dispositifs sont mis en oeuvre avec un générateur électrique dont les caractéristiques impactent fortement la qualité de la décharge. Ce travail s’inscrit en partie dans le cadre du développement d’une application de traitement de surface à pression atmosphérique. Il aborde la problématique de l’augmentation de la vitesse de dépôt de couche mince au travers des paramètres de l’alimentation électrique. Plus précisément, ce travail s’intéresse aux apports d’une alimentation en courant rectangulaire et aborde également les problématiques liées à la conception et à la fabrication de ce convertisseur. En particulier, une grande attention est portée sur l’étude du transformateur élévateur, car au travers de ses éléments parasites capacitifs, ce dernier peut limiter le transfert de puissance entre la source électrique et le dispositif DBD. Un deuxième aspect de cette étude consiste à entrevoir l’intérêt que revêtent deux convertisseurs statiques dédiés à l’alimentation de dispositifs DBD. Le premier consiste en une alimentation résonante en régime de conduction discontinue dont la particularité est de posséder trois degrés de liberté (fréquence, tension d’entrée et largeur d’impulsion), ce qui lui confère un intérêt exploratoire. Le second convertisseur consiste en une alimentation résonante haute tension et haute fréquence permettant l’éviction du transformateur élévateur, et mettant en oeuvre des interrupteurs au nitrure de gallium (GaN) afin d’atteindre une fréquence de fonctionnement supérieure au mega-Hertz avec un faible niveau de pertes.

DBD devices are widely used in industrial applications. 150 years ago, they were only employed in ozoners for water decontamination. In recent decades, the progress of knowledge and technology allowed to use them in many other applications like surface treatment, medical applications and light emission. Actually, these devices are supplied with an electrical source which parameters can strongly impact the discharge behaviour. An important part of this work comes within the framework of the development of an atmospheric pressure surface treatment involving DBDs. The issue of the influence of the generator's electrical parameters on the treatment speed is discussed. In particular, this work focuses on the merits of a rectangular shaped current source concerning the behavior of an atmospheric pressure discharge in nitrogen ; the problems related to the design and the fabrication of such a converter are highlighted. The design of the high voltage transformer is then described in detail since its lumped elements play an important role as they can strongly limit the power transfer between the electrical source and the DBD device. A second aspect of this work is to establish the interests of two particular power converters. The first one is a resonant converter operating in a discontinuous conduction mode ; its merits is to exhibit three degrees of freedom (input voltage, frequency, current pulse width) instead of two, which is a tremendous asset for exploring purposes. The second one is a high-frequency resonant converter where a resonant inductance and the DBD device structural capacitances are used instead of a high voltage transformer to perform the voltage amplification, which circumvents the issue related to the transformer parasitic elements. This converter is based on GaN HEMT switches in order to reach a low semiconductor losses level and a fairly high operating frequency (above the mega-Hertz).