Générateurs pulsés haute tension : le bipolaire libéré des courts-circuits

Pulseur > Alors que la prévention des courts-circuits bride les performances des générateurs bipolaires très haute tension (10 000 volts et plus), le CEA a mis au point un prototype industriel basé sur des cartes à MOS, de conception simple et optimisée, qui permet de fournir + et - 30 000 volts par impulsions carrées de 200 ns à 20 µs avec une excellente tolérance aux courts-circuits. Principales applications visées : l'électroporation de cellules pour la pasteurisation froide d'aliments, la destruction de bactéries dans l'eau ou l'extraction de principes actifs.

Les cellules contenues dans un liquide peuvent être perforées et tuées par l'application à ce milieu d'un champ électrique de plusieurs dizaines de milliers de volts, pendant quelques microsecondes : c'est le principe de "l'électroporation", couramment utilisé en génie génétique et étudié en tant que possible procédé industriel en agro-alimentaire (pasteurisation froide), en traitement des eaux, ou pour l'extraction de principes actifs en pharmacie et en cosmétique.
Au-delà des aspects biologiques, bien connus, l'électroporation nécessite un générateur capable de commuter de telles tensions, à un coût et un niveau de fiabilité acceptables : c'est là que le bât blesse...
"A très haute tension, il suffit d'une bulle d'air ou d'une impureté dans le liquide pour déclencher un court-circuit, explique Daniel Chatroux, du CEA Pierrelatte. Or, la protection des générateurs bipolaires, sans doute les plus efficaces en électroporation, limite leurs performances : soit l'impulsion de courant n'a pas la forme idéale pour perforer la membrane, soit la protection est assurée par une résistance qui absorbe en permanence la moitié de la charge utile".
Le premier générateur bipolaire très haute tension conçu par le CEA, avec la société A2E Technologie - ENERTRONIC, évite ces deux limitations grâce à une conception originale intrinsèquement tolérante aux courts-circuits.
Le commutateur est constitué de cartes à transistors MOS standard, donc peu coûteux et fabriqués suivant un process industriel éprouvé. La redondance de ces transistors et la mise en oeuvre d'un savoir-faire technologique CEA font le reste : sans surdimensionnement, sans chute de rendement, le générateur délivre 30 kV en bipolaire avec des courants de 500 ampères, et des impulsions carrées de 200 ns à 20 µs parfaitement adaptées à l'électroporation... "Le premier utilisateur était un industriel désireux de tester l'efficacité bactéricide sur des débits d'eau de 10 l/s. Il a mené six mois d'essais expérimentaux sur site et a été très satisfait de notre matériel".
Les règles de conception utilisées ont déjà fait leurs preuves sur les générateurs unipolaires 25 kV 1 600 A fabriqués il y a trois ans par ENERTRONIC : utilisés pour le procédé d'enrichissement de l'uranium Silva, ils totalisent plus de 200 000 heures de fonctionnement sans panne ! De plus, le CEA a formalisé et validé ces règles à l'occasion d'une thèse : il est donc possible de les transposer à d'autres applications des courants pulsés très haute tension, par exemple les plasmas, les tubes radiofréquence des accélérateurs de particules ou les dépôts électrolytiques.