II Etude des différentes solutions¶

Le système électronique d’électroporation doit permettre de générer une haute tension.

Un générateur de haute tension est un dispositif qui permet de produire une tension électrique qui doit être, selon les normes européenne, supérieure à 1000 V.

Il existe désormais plusieurs technologies qui permettent de générer la haute tension. Le choix de la technologie dépend des critères de performance tels que le rendement en puissance et la morphologie du circuit ; mais la technologie de la génération diffère également selon que l’on souhaite obtenir une tension continue ou alternative.

Dans notre cas, nous souhaitons obtenir une tension continue comprise entre 1000 V et 2300 V, que l’on stockera par la suite dans une capacité de 50 µF. La première étape serait donc de convertir la tension alternative fournie par le secteur en une tension continue et ce, en se servant d’un montage redresseur.

Nous nous intéresserons dans cette partie à l’étude du montage redresseur que nous avons utilisé. Ensuite, nous comparons en terme de coût, d’efficacité et de conformité avec le cahier des charges, les solutions envisageables à savoir : L’alimentation à découpage de type Flyback et l’utilisation d’une capacité à base de plusieurs condensateurs.

2.1 Montage redresseur double alternance¶

Le montage redresseur à double alternance est un montage qui permet d’obtenir à partir d’une tension alternative, une tension continue.
Le schéma du montage est le suivant :

Redresseur double alternance

Le pont de diode, dit pont de Graetz, permet de redresser et les tensions positives et les tensions négatives.

Tension redressée

La capacité permet de lisser la tension redressée. En effet, à chaque demi-période, la charge stockée dans le condensateur est déchargée suivant l’équation de décharge d’un circuit RC :

Uc(t)=E*(1-e^(-t⁄RC))

La demi-période étant très faible devant le temps de décharge, la tension obtenue peut être considérée comme étant constante.

2.2 Génération de la haute tension par le convertisseur Flyback:
h3. 2.2.1 Principe de fonctionnement :¶

Il existe désormais plusieurs technologies qui permettent de générer la haute tension parmi lesquelles on peut citer les types d’alimentation à découpage.

Le convertisseur Flyback est un circuit électronique qui permet de générer une tension continue de sortie en fonction de la tension d’entrée et les autres paramètres du système. Le convertisseur Flyback fait partie d’un type d’alimentation dit alimentation à découpage. Il s’agit d’un système électrique qui permet de générer une tension régulée par un composant électronique de puissance (généralement des transistors) utilisé en commutation en haute fréquence. L’intérêt de l’alimentation à découpage est de pouvoir améliorer le rendement. En effet, la puissance dissipée dans le composant utilisé en commutation est moindre que lorsqu’il est utilisé en mode linéaire.

Il existe plusieurs alimentations à découpage qui diffèrent selon leurs topologies, leurs caractéristiques d’isolation et les composants utilisés. Le convertisseur Flyback est une alimentation qui repose sur l’utilisation d’un transformateur composé de deux inductances couplées mutuellement, ce qui permet d’avoir une isolation entre la partie primaire et la partie secondaire du circuit.
Le schéma suivant illustre le circuit électrique de la méthode FlyBack :

Schéma de base d'un convertisseur Flyback

La partie primaire du transformateur est liée à la tension d’entrée V_e et au transistor de commutation T (Modélisé par un interrupteur), tandis que la partie secondaire est composée d’une diode et d’un condensateur C en parallèle avec la résistance R.

Le principe de la méthode Flyback consiste à élever la tension continue d’entrée Ve en une tension
de sortie Vs. Cette dernière est en fonction de la tension d’entrée Ve et des autres paramètres du
circuit :

- n1 : Le nombre de spires au primaire
- n2 : Le nombre de spires au secondaire
- L1 : l’inductance au primaire
- L2 : l’inductance au secondaire
- C : la capacité
- α : Le rapport cyclique de l’interrupteur commandé T

L’étude théorique du montage Flyback a démontré que la tension moyenne de sortie V_s varie en fonction des paramètres d’entrée selon l’équation suivante :

Vs =   n2/n1 * α/(1- α) * Ve

On peut donc augmenter la tension en variant uniquement le rapport cyclique α.
Par exemple si on suppose que : α ϵ [0.5 ; 0.7]
La tension de sortie Vs prendra des valeurs comprises entre [1000 V ; 2333 V]

2.2.2 Avantages et inconvénients du Convertisseur Flyback :¶

Le principal intérêt du convertisseur Flyback son bon rendement (65 à 90 %). En effet, les alimentations à découpage ont été conçues pour pallier le problème de faibles rendements des alimentations continues. Ce faible rendement est dû au fait que les régulateurs de tensions utilisés dans les alimentations continues se comportent comme des résistances, et donc consomment de l’énergie, induisant ainsi un rendement de 25 à 30 %.

Néanmoins, le coût de l’utilisation d’un convertisseur Flyback dans notre système est très élevé et dépasse le plafond budgétaire fixé par le client. En effet, la tension de sortie (1000 à 2300 V) devra être stockée dans une capacité de 50 µF. Or, le coût les condensateurs qui peuvent tenir une haute tension vaut 1000 euros/Condensateur.

Après avoir discuté avec le client, nous avons décidé de proposer une deuxième solution, qui sera décrite dans le paragraphe suivant.

2.2.3 Utilisation d’une capacité à base de plusieurs condensateurs :¶

Pour remédier au problème du coût élevé de l’utilisation de la méthode Flyback, une deuxième solution consiste à utiliser plusieurs condensateurs au lieu d’un seul.

En effet, une capacité de 50 µF est équivalente à 10 capacités de 500 µF mises en parallèle. Il est donc possible de charger les 10 condensateurs mis en parallèle par une tension comprise entre [100 V, 250 V]. Une fois les condensateurs chargés, le système doit permettre de les mettre en série, nous obtiendrons alors aux bornes des 10 condensateurs mis en série une tension comprise entre [1000 V, 2500 V]

Après avoir discuté avec le client, nous avons décidé de mettre en place 8 condensateurs chimiques de 380 µF, ce qui équivaut, en les mettant en série, à une capacité de 47 µF qui tient une tension maximale de 2300 V, ce qui reste conforme avec la tolérance permise par le cahier des charges.

Cette solution minimise considérablement le coût : Le prix unité de ces condensateurs est de 10 euros.

8 condensateurs mis en parallèle

8 condensateurs mis en série

Les 8 capacités se chargent d’une manière exponentielle suivant l’équation :
Uc(t)=E (1-e^(-t⁄τ))
Avec τ le temps de charge : τ = RC.

Le système qui sera contrôlé par un microcontrôleur, doit permettre d’arrêter la charge dès que la tension déterminée par l’utilisateur est atteinte. Une fois la charge arrêtée, le système met les condensateurs en série, et finalement lance la décharge dans la fiole.

Chapitre suivant : III. Etude détaillée de la solution proposée