Projet HIVOSS

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Laboratoire des Sciences pour l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie électrique (SIAME)
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Projet HIVOSS High Voltage Solid Switch

Dans le cadre du projet E2S UPPA, le CEA et l'UPPA ont décidé de s'associer pour mettre en place un programme de recherche autour des nouvelles topologies à semi-conducteurs spécifiques au domaine de la puissance pulsée. 

Le domaine de la puissance pulsée est la science de l’accumulation d'énergie sur une période relativement longue tout en la libérant sur des intervalles de temps très courts et de manière contrôlée. En libérant cette énergie stockée sur un intervalle de temps très court (compression d'énergie), une énorme quantité de puissance de crête peut être livré à une charge. Par exemple, si un joule d'énergie est stocké dans un condensateur, puis relâchée à une charge pendant une seconde, la puissance moyenne fournie à la charge ne serait que d’un watt. Cependant, si toute l'énergie stockée était libérée en une microseconde, la puissance moyenne sur une seconde serait toujours d'un watt, mais la puissance crête instantanée serait quant à elle d’un mégawatt. Suivant ce précédé, le commutateur (ou interrupteur) est l'élément clé pour le pilotage des alimentations, qui doit répondre à des exigences spécifiques. 

Pour un interrupteur à fermeture rapide, par exemple, la fonction d'isolation parfaite doit être garantie pour maintenir la haute tension en position ouverte et des intensités de courant élevées en position fermée. Le temps de commutation de la position ouverte à la position fermée doit être aussi court que possible ; cela doit être de moins d’une nanoseconde pour certaines applications. En raison de ces exigences strictes, le commutateur est souvent la limite d'un système d'alimentation pulsée. 

Du point de vue technologique, seules deux options de commutation sont bien adaptées pour répondre à ces exigences techniques et électriques : soit les interrupteurs à gaz, soit les commutateurs à semi-conducteurs. Pour des raisons historiques et pratiques, les interrupteurs à gaz sont la solution la plus courante sur le marché. Cependant, il nécessite plus d'entretien, leur durée de vie est limitée et leur synchronisme ne permet pas d’évoluer la puissance moyenne de l'ensemble du système. De plus, un interrupteur à gaz est également l’option la moins compacte.

Le chemin des semi-conducteurs est une option où la conception d'un commutateur repose sur un assemblage matriciel des composants semi-conducteurs dans lesquels la disposition parallèle permet au système de transiter des fortes intensités de courant et la connexion en série permettent au système de résister aux hautes tensions. Un autre avantage des commutateurs à semi-conducteurs est lié au fait qu'ils peuvent être pilotés suivant les deux types de commutation, fermeture et d'ouverture, contrairement aux interrupteurs à gaz qui sont généralement des interrupteurs à fermeture. Les progrès récents des matériaux semi-conducteurs dans ces commutateurs permettent d’envisager leurs intégrations à la place des interrupteurs à gaz. 

D'un point de vue général, la commutation à semi-conducteurs à haute énergie est un véritable travail exploratoire dont les progrès et les réalisations pourraient apporter des bénéfices à l'ensemble de la communauté de la haute puissance pulsée. En effet, au-delà des strictes performances électriques qui pourraient être atteint dans le cadre du projet « High Voltage Solid Switch », le résultat pourrait conduire à une véritable rupture technologique et ouvrir de nouvelles perspectives pour la conception des futurs modules de puissance pulsé. Des architectures plus intégrées et compactes seront un atout pour le CEA et l'UPPA pour la rénovation de machines existantes, pour des futurs projets et pour maintenir un haut niveau d’expertise dans ce domaine.

Dans le cadre de ce projet de recherche, le CEA développe, exploite et maintien des systèmes d'alimentation HPP pour différentes applications telles que la simulation, à l'échelle du laboratoire, de deux environnements radiatifs et non radiatifs. Afin d'accompagner cette activité, le CEA a construit au fil du temps une forte expertise dans l’ingénierie électrique qui repose à la fois sur la modélisation et sur des approches expérimentales de ces phénomènes physiques.

Les équipes de puissance pulsée du CEA CESTA et GRAMAT travaillent ensemble depuis trois ans avec le laboratoire SIAME au sein du Laboratoire Commun CEA / UPPA dénommé LRC SAGE (Laboratoire de Recherche Conventionné Sciences Appliquées au Génie Electrique).

Ce programme de recherche qui fait l'objet du financement de deux doctorants, deux postdoctorants et d’un chef de projet, est un des projets intégrés au sein du LRC SAGE pour consolider son action sur la commutation à semi-conducteurs pour des applications à puissance pulsée.