Driver avec isolation galvanique basé sur un ASIC destiné à des convertiseurs de puissance pour les applications photovoltaïques

par Markus Niedermeier

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Jean-Paul Ferrieux et de Lothar Frey.

Le président du jury était Robert Weigel.

Le jury était composé de Jean-Paul Ferrieux, Lothar Frey, Dietmar Fey, Dominique Bergogne.

Les rapporteurs étaient Klaus Helmreich, Bruno Allard, Stéphane Lefebvre.


  • Résumé

    La production d’électricité par des sources photovoltaïques joue un grand rôle dans les démarches qui visent à remplacer progressivement les combustibles fossiles par des sources d’énergie alternatives. La production énergétique photovoltaïque est en plein essor depuis l’introduction de systèmes photovoltaïques qui sont abordables pour des particuliers, une évolution à laquelle les subventions de l’Etat ont contribuée. C’est la raison pour l’installation de systèmes photovoltaïques dans des zones urbaines où les topologies conventionnelles de panneaux photovoltaïques en couplage série, qui sont appliquées dans les parc solaires, sont moins efficaces en raison des effets d’ombrage partiel par l’environnement urbain. Ce problème peut être réduit par l’application d’une topologie modulaire où chaque panneau est traité individuellement et indépendamment du reste des panneaux de couplage. Pour parvenir à cette modularité une topologie de convertisseur doit être développée qui peut être intégrée dans chaque module solaire. Dans le cadre de cette thèse un nouveau concept d'une installation solaire hybride modulaire a été étudié. Ce concept englobe le développement d'une topologie de convertisseur associé,qui peut être intégrée dans chaque module solaire du système solaire. Pour améliorer encore l’aspect de miniaturisation pour cette topologie de convertisseur et réduire ainsi le volume global du convertisseur, une augmentation de la fréquence de commutation accompagnée par l'utilisation de transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT) a été fixée. Pour cette application,un HEMT sur la base de nitrure de gallium (GaN), qui est disponible dans le commerce auprès de la société EPC a été sélectionné. L'objectif de la thèse est le développement d’un nouveau concept d’un driver intégré avec une séparation galvanique qui est capable de contrôler les HEMT du convertisseur solaire avec une fréquence de commutation de l'ordre mégahertz.À cette fin, une technologie à haute température, fournie par X -Fab Semiconductors AG a été choisie et une bibliothèque de composants contenant toutes les cellules nécessaires à la conception du pilote ASIC a été développée. Pour le driver ASIC un circuit de tension de base a été développé qui génère une tension core stable qui est apte à supporter sans problèmes une large gamme de tensions d'alimentation (5V - 18V) qu’ainsi que les changements de température dans la gamme de température étendue (-40°C -175°C) de la nouvelle technologie ASIC haute température XA035 fourni par X-Fab. Pour réaliser la transmission du signal de commutation à travers l'isolation galvanique, plusieurs circuits ont été évalués et un nouvel algorithme de codage Manchester modifié a été élaboré pour réduire la complexité des éléments de couplage requis.Cela a permis la transmission différentielle de signaux de données et d'horloge sur seulement deux voies de signaux à séparation galvanique. En utilisant ce schéma de codage, une transmission de données à isolation galvanique a été développée, qui permet la transmission d’un signal codé PWM avec une fréquence allant jusqu'à 50 MHz. En outre, le circuit de driver lui même a été intégré ce qui permet de contrôler le nitrure de gallium (GaN) HEMT utilisé avec une fréquence de 5 MHz avec un minimum de retard entre les signaux d'entrée et de sortie.Ceci a permis l'augmentation susmentionnée de la fréquence de commutation du convertisseur et la réduction concomitante du volume global.Comme le concept de driver low-side qui a été développé utilise une isolation galvanique, il peut être utilisé aussi pour commander des transistors high-side, cette technologie n'est pas limitée à l'application dans un convertisseur photovoltaïque et il est envisageable qu’il puisse être réutilisé dans des types de conversion avec une topologie multi-level qui nécessite la commande du HEMT avec une fréquence de commutation élevée.

  • Titre traduit

    ASIC based galvanically isolated driver circuit for the use in power converters for photovoltaic applications


  • Résumé

    The generation of electricity through photovoltaic sources plays a great role in the transition from fossil fuel sources to alternate energy sources. It has been on the rise in the especially since the introduction of affordable photovoltaic systems for private customers accompanied by public subsidies. This leads to the application of photovoltaic systems in urban areas where conventional string topologies of photovoltaic arrays that are applied in solar parks are less efficient due to the effects of partial shading by the urban environment. This issue can be reduced by changing the photovoltaic array to a modular topology where each panel is treated individually and independently from the rest of the array. To achieve this modularity a converter topology needs to be developed that can be integrated into each solar module.In the frame of this work a novel concept of a hybrid modular solar array was researched and a converter topology supporting the solar modules was developed. To reinforce the miniaturization aspect of the converter topology the increase of switching frequency and the use of high-electron-mobility-transistors (HEMT) was decided. The focus of the thesis was to develop a novel integrated galvanically-isolated driver concept that is able to drive the HEMTs of the solar converter with a switching frequency in the MHz range. A high-temperature technology provided by X-Fab Semiconductors AG was chosen for this purpose and a component library containing all cells required for the design of the driver ASIC was developed. For the driver ASIC a core voltage circuit was developed that provides a stable core voltage of 3.3V while being able to tolerate a wide range of supply voltages (5V - 18V) as well as temperature changes in the complete extended temperature range (-40°C - 175°C) of the novel high-temperature ASIC technology XA035 provided by X-Fab. To achieve the transmission of the switching signal over the galvanic isolation several coupler circuits were evaluated and a novel modified Manchester coding algorithm was developed to reduce the complexity of the required coupling elements. This modified Manchester code enables the decoding and the rebuilding of the clock signal from just a single transmitted encoded signal and does not require the additional transmission of the original clock signal to for the decoding process usually necessary in a great part of conventional Manchester decoder circuits. Furthermore the driver circuit itself was developed that is able to drive the used GaN HEMT at a frequency of 5MHz with minimal delay between input and output signal of the driver.As the developed galvanically-isolated driver ASIC exhibits a low-side driver topology that can be also be applied for the high-side due to the galvanic isolation its use is not limited to the application in the presented modular photovoltaic system and it can be reused in any kind of multi-level converter topology that requires the driving of HEMTs with a high switching frequency.

  • Titre traduit

    ASIC basierte galvanisch getrennte Treiberschaltung für den Einsatz in Leistungswandlern für photovoltaische Anwendungen


  • Résumé

    Die Erzeugung elektrischer Energie durch Photovoltaik spielt angesichts des angestrebtenEnergiewechsels weg von fossilen Brennstoffen und hin zu erneuerbaren Energien eine bedeutendeRolle. Die photovoltaische Energieerzeugung befindet sich seit der Einführung erschwinglicherSolarmodule gepaart mit staatlichen Subventionen besonders im privaten Bereichim Aufschwung. Dies führte dazu, dass es auch im urbanen Bereich zum Aufbau vonPhotovoltaikanlagen kam, wo sich die herkömmlichen Reihenschaltungs-Topologien, die ingroßen Solarparks zur Anwendung kommen als nicht sehr effektiv erweisen, was besondersauf auftretende Teilverschattung durch die urbane Umgebung zurückzuführen ist. DiesesProblem kann durch die Verwendung von modularer Topologien verringert werden, da hier alleSolarpanels individuell und unabhängig voneinander behandelt werden können. Um diese Modularitätzu ermöglichen muss eine Wandlertopologie entwickelt werden, die in einzelne Solarmoduleintegriert werden kann.Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges Konzept einer hybriden, modularen Solaranlageuntersucht. Dieses Konzept umfasste die Entwicklung einer zugehörigen Wandlertopologie,die in jedes Solarmodul der Solaranlage integriert werden kann. Um den Miniaturisierungsaspektfür diese Wandlertopologie noch zu verstärken und somit das Bauvolumen des Wandlerszu reduzieren, wurde eine Erhöhung der Schaltfrequenz einhergehend mit dem Einsatzvon Transistoren mit hohen Elektronenbeweglichkeit (high-electron-mobility transistor; HEMT)festgelegt. Für diese Anwendung wurde ein HEMT basierend auf Gallium-Nitrid (GaN), derkommerziell von der Firma EPC angeboten wird, ausgewählt. Der Schwerpunkt der vorliegendenArbeit war nun die Entwicklung eines neuartigen integrierten und galvanisch-isoliertenTreiberkonzepts das ermöglichen sollte, diese HEMTs bei einer Schaltfrequenz im MegahertzBereich zu betreiben. Zu diesem Zweck wurde, für die Erstellung des ASIC und einer zugehörigenBauteilebibliothek, eine hochtemperaturfähige CMOS Technologie ausgewählt, die vonX-Fab Semiconductor AG zur Verfügung gestellt wurde. Für die Verwendung im Treiber-ASICwurde eine Schaltung entwickelt, die eine stabile Core-Spannung zur Verfügung stellen kann,die sowohl Versorgungsspannungsabweichungen in einem weiten Bereich (5V-18V) als auchTemperaturabweichungen über den gesamten erweiterten Temperaturbereich (-40°C - 175°C)der XA035 Technologie von X-Fab problemlos tolerieren kann. Um die Übertragung eines Datensignalüber die im Modul präsente galvanische Trennung zu ermöglichen, wurden sowohlmehrere galvanisch Isolierte Koppelkonzepte ausgewertet als auch die Entwicklung eines neuartigenmodifizierten Manchester Kodierungsverfahren vorangetrieben, das es ermöglicht, denUmfang der benötigten galvanischen Koppelelemente zu reduzieren. Dieser modifizierte ManchesterCode erlaubt das Dekodieren und die Wiedergewinnung des Takts aus nur einemübertragenen Signals und benötigt nicht die zusätzliche Übertragung des ursprünglichen Taktsignalsfür den Dekodierungsprozess, wie dies bei vielen herkömmlichen Manchester Decoder-Schaltungen der Fall ist. Dies ermöglichte die differentielle Übertragung von Datensignalund Takt über nur zwei galvanisch isolierte Signalpfade. Unter Verwendung dieses Kodierungsverfahrenswurde eine galvanisch isolierte Datenübertragung realisiert, die ein kodiertesPWM Signal mit einer Frequenz von bis zu 50MHz überträgt. Weiterhin wurde die Treiberschaltungselbst einwickelt, die es ermöglicht den verwendeten Gallium-Nitrid (GaN) HEMTmit einer Frequenz von 5MHz mit minimaler Verzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignaldes Treibers anzusteuern. Damit würde die zuvor erwähnte Erhöhung der Schaltfrequenzdes Wandlers und die damit einhergehende Reduzierung des Bauvolumens erreicht.

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