Électronique de commutation

Dans cette partie, je décris l’électronique de commutation des bobines en prenant l’exemple des bobines du PMO3D qui sont les plus critiques à ce sujet. Les bobines de la paire sont connectées en série à l’alimentation et raccordées au réseau d’eau. A la fin de la compression du PMO le courant dans ces bobines est à sa valeur maximum soit 220 A. L’étape suivante dans la séquence est la mélasse optique. Pour que le refroidissement de celle-ci soit efficace, le champ magnétique au centre de l’enceinte doit être nul. Si la coupure du champ est trop longue le nuage s’étend librement et entre en collision avec la surface de la puce induisant des pertes d’atomes. Nous nous fixons comme objectif un temps de commutation < 0.5 ms. A l’ouverture d’un circuit inductif d’inductance L, une surtension LdI

dt se crée aux bornes du commutateur. Cette surtension est d’autant plus grande que la coupure est rapide pouvant entrainer un défaut de fonctionnement voir un endommagement de celui-ci. Pour commuter rapidement nous faisons le montage en figure 2.12. Nous utilisons deux IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor (FD300R12KE3). Ces commutateurs sont spécifiés pour une surtension de 700 V et doivent être placés sur un dissipateur thermique. Nous les avons vissés sur

Figure 2.11 – La bobineuse du Laboratoire des champs magnétiques intenses. La bobine

en cours de fabrication à gauche est une bobine de biais (BY). Le tube en cuivre en cours d’enroulement a un diamètre intérieur de 3 mm et une section extérieure carrée de 5 × 5 mm. La roue du trancanneur permet de donner une helicité différente au fil à chaque couche. Le frein à droite permet de maintenir la tension sans frotter sur la couche d’isolant du fil.

S R V V Légende R S IGBT Varistance 600V Diode Bobine Résistance Alimenta!on 1. 2. 3.

Figure 2.12 – Schéma électrique du circuit de commutation. En parallèle de gauche à droite

se trouvent l’alimentation, la résistance de dissipation et la paire de bobines. Les deux com- mutateurs IGBT sont commandés par des tensions complémentaires V et V

2.2. Les bobines de champs magnétiques. 57 Légende +15V -15V +15V -15V 330Ω 10Ω 1kΩ 3.3mF 3.3mF 1. 2. 3. 1. 2. 3. Optocoupleur HCPL 3120 Transistor 2N6655 NPN 60V 15A Transistor MJ2955G PNP 60V 15A TTL in IGBT out isola!on

Figure 2.13 – Schéma électrique du circuit de commande des IGBT. De part et d’autre

de la ligne en pointillée séparant l’opto-coupleur en deux, les masses sont symbolisées dif- féremment. A gauche la masse est celle de la carte de commande de l’ordinateur. A droite la masse est flottante. Elle est prise au niveau du drain de chaque IGBT dans le circuit en figure 2.12.

une plaque de laiton sous laquelle est soudée une conduite d’eau en cuivre. Les IGBT sont protégés en interne par des diodes (repérées par 1. et 2. sur la figure 2.13) permettant le passage du courant dans le sens opposé. A cette protection nous ajoutons une varistance. Ce composant électronique non linéaire a pour particularité d’avoir une tension seuil avant laquelle sa résistance est infinie et à partir de laquelle sa résistance devient faible. Son rôle est donc de laisser passer le courant en parallèle du commutateur si la surtension dépasse sa tension seuil. Ainsi le passage de courant fait chuter la tension de manière à la maintenir en dessous de la tension seuil et ainsi protéger le commutateur. Une troisième diode (3) em- pêche les oscillations du courant électrique qui pourraient être liées à des capacités parasites. Les deux IGBT sont pilotés par un même signal déclencheur qui est inversé pour l’un des deux. Au moment de la commutation l’interrupteur numéro (2) s’ouvre en même temps que l’interrupteur numéro (1) se ferme. La valeur de la résistance R est la même que celle de la paire de bobine en régime continu. Le basculement vers le circuit purement résistif est fait pour que l’alimentation finisse de s’éteindre sans percevoir de changement trop brutal de sa charge.

Enfin les IGBT sont commandés par une tension de ±15 V flottante. Un circuit annexe permet le contrôle rapide des IGBT. Ce circuit est présenté sur la figure 2.13. Un opto- coupleur permet d’isoler le circuit de commutation du système de commande. La sortie de l’opto-coupleur est envoyée à un montage de type "push and pull" pour générer la tension de commande avec la puissance nécessaire à la polarisation des IGBT.

Au moment de la coupure la surtension maximale est fixée au borne de la bobine par la tension seuil de la varistance. A surtension fixée, la décroissance du courant obéit à la formule suivante :

dI

dt = Vseuil/L (2.8)

où L est l’inductance de la charge et Vseuil la tension seuil de la varistance. L’inductance calculée d’une bobine PMO3D est de 465.1µH et donc le double pour la paire connectée en série si l’on fait l’approximation qu’il n’y a pas d’effets d’inductions mutuelles. Cette approximation est pessimiste car les bobines sont en configuration anti-symétrique et donc

Figure 2.14 – Mesure du courant dans les bobines du PMO3D au moment de la coupure.

En trait fin un ajustement linéaire permet de d’évaluer une pente de 1.07 A.µs−1_.

l’inductance mutuelle a tendance à faire baisser l’inductance totale. La décroissance théo- rique est linéaire et la pente est de 0.65Aµs−1 _{pour une tension seuil de 600 V. Avec une}

pince ampère-métrique il est possible de mesurer le courant in situ durant la commutation. La courbe expérimentale est représentée en figure 2.14 Nous observons une décroissance li- néaire dont la pente mesurée est de : 1.07A.µs−1_{. Il faut donc 205µs pour que les bobines}

passent de 220A à 0A.

Les bobines de champs magnétiques.

Grâce à des simulations numériques des champs magnétiques par la méthode des intégrales aux frontières il a été possible dimensionner les sources de champs ma- gnétiques de l’expérience. Trois paires de bobines autour de la structure extérieure annulent les champs magnétiques parasites au niveau des atomes. Les bobines du PMO2D et du PMO3D produisent les quadrupôles de champ magnétique nécessaires au piégeage laser. Trois paires de bobines (BX, BY, BZ) en contact avec l’enceinte de condensation au plus prés des atomes produisent des champs magnétiques les plus homogènes possibles de façon dynamique selon les besoins de la séquence expérimen- tale. Les bobines BY, BZ, et du PMO3D sont conçues pour produire les plus forts champs magnétiques. Par conséquent une circulation d’eau les refroidit activement et des commutateurs (IGBT) interrompent la circulation du courant électrique en moins de 205 µs.