Investigation of Semiconductor Opening Switch for Pulsed Power Applications with Output Voltage of up to 500 kV
Étude des commutateurs semi-conducteurs à ouverture destinés à des applications de puissance pulsée avec des tensions de sortie allant jusqu'à 500 kV
Résumé
In pulsed power systems, inductive energy storage has an advantage over capacitive storage because of its higher energy density. Exploiting this advantage requires the use of an opening switch to generate the voltage pulse. Moreover, the growing need for reliable pulsed power generators, particularly for industrial applications, strongly supports the adoption of solid-state solutions. The Semiconductor Opening Switch (SOS) diode developed in the 1990s at the Institute of Electrophysics in Russia is an ideal candidate for solid-state opening switching because of its ability to reliably generate high-power pulses at high repetition rates while offering long lifetime and maintenance-free operation. However, the lack of SOS diode manufacturers prevents their widespread use. This thesis is therefore devoted to the study of off-the-shelf (OTS) diodes capable of rapidly switching high currents and generating nanosecond voltages of up to 500 kV. The research includes the investigation of various diode types including rectifier, avalanche, fast recovery, and transient voltage suppression (TVS) diodes as opening switches in comparison with state-of-the-art SOS diodes. Low, medium, and high-energy (25 mJ, 10 J, and 40 J respectively) test benches are developed for the experiments. Their circuits use a single magnetic element – a saturable pulse transformer – resulting in high energy efficiency. Several nanocrystalline cores are examined for optimum transformer performance at an energy of 10 J. Among the diodes investigated at 25 mJ and 10 J energy, the TVS and rectifying diodes stand out particularly promising with nanosecond switching time and generated voltages in the kilovolt range. Finally, a 40 J pulsed power generator prototype (GO-SSOS) based on an OTS opening switch consisting of rectifier diodes is developed. The GO-SSOS achieves a peak power of more than 300 MW with an energy efficiency ranging from 35% to 70% depending on the load value. Across a 1 kΩ load, the voltage pulse generated reaches 500 kV amplitude with a rise time of 36 ns and a pulse width of 80 ns. The system shows high reproducibility at a repetition rate of 60 Hz and is used to demonstrate a corona discharge application. The work proves the reliability of the OTS diodes in SOS mode, revealing no degradation after thousands of pulses. It also offers the prospect of using this technology in industrial applications such as electron-beam sterilization.
Dans les systèmes de hautes puissances pulsées, le stockage inductif présente un avantage indéniable vis-à-vis du stockage capacitif du fait de sa plus forte densité d’énergie. L’exploitation de cet avantage nécessite toutefois l'utilisation d'un interrupteur à ouverture pour générer l'impulsion de tension. En outre, compte tenu de la demande croissante de générateurs impulsionnels fiables, en particulier pour les applications industrielles, il devient indispensable de recourir aux composants semi-conducteurs. La diode SOS (Semiconductor Opening Switch), développée dans les années 1990 à l'Institute of Electrophysics en Russie, est un candidat idéal pour la commutation état solide à ouverture, de par sa capacité à générer des impulsions de haute puissance de manière fiable et répétitive, tout en offrant une longue durée de vie et un fonctionnement exempt de maintenance. Cependant, le manque de fabricants de diodes SOS limite leur utilisation à grande échelle. Par conséquent, cette thèse se concentre sur l’étude de diodes disponibles dans le commerce (OTS : Off-The-Shelf) capables de commuter rapidement des courants élevés et de générer des tensions nanosecondes pouvant atteindre 500 kV. Plusieurs types de diodes, incluant les diodes de redressement, à avalanche, à temps de récupération rapide et de suppression de tension transitoire (TVS) ont été étudiés en tant qu’interrupteurs à ouverture, en comparaison avec les diodes SOS de référence. Pour mener à bien cette étude, des bancs d’essai à basse, moyenne et haute énergie (respectivement 25 mJ, 10 J et 40 J) ont été mis au point. Afin d’augmenter leur efficacité énergétique, ces bancs utilisent un circuit basé sur un élément magnétique unique : un transformateur impulsionnel saturable. Plusieurs noyaux magnétiques nanocristallins ont été examinés sur le banc de 10 J dans le but d’optimiser les performances du transformateur. Parmi les diodes étudiées sur les bancs de 25 mJ et 10 J, les diodes TVS et les diodes de redressement ont émergé du lot, démontrant des performances de temps de commutation de l'ordre de la nanoseconde et de tensions générées de plusieurs kilovolts. Enfin, un prototype de générateur de hautes puissances pulsées de 40 J (GO-SSOS) basé sur un interrupteur OTS composé de diodes de redressement a été développé. Le rendement énergétique du système varie de 35% à 70% selon la valeur de la charge, et la puissance crête obtenue est supérieure à 300 MW. Sur une charge de 1 kΩ, l'impulsion de tension générée atteint une amplitude de 500 kV avec un temps de montée de 36 ns et une largeur à mi-hauteur de 80 ns. La reproductibilité des impulsions à une fréquence de répétition de 60 Hz est démontrée, ainsi qu’une application de génération de décharges couronnes. Les travaux prouvent la fiabilité des diodes OTS en mode SOS, ne révélant aucune dégradation après quelques milliers d'impulsions générées. Ils ouvrent également la voie à l’utilisation de cette technologie pour des applications industrielles telles que la stérilisation par faisceau d’électrons.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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