Utilisation de semi-conducteurs GaN basse tension pour l'intégration des convertisseurs d'énergie électrique dans le domaine aéronautique

par Olivier Goualard

Thèse de doctorat en Génie Électrique

Sous la direction de Thierry Meynard et de Vincent Bley.

Le président du jury était Stéphane Lefebvre.

Le jury était composé de Thierry Meynard, Vincent Bley, Nicolas Rouger, Cyril Buttay, Frédéric Richardeau.

Les rapporteurs étaient Nicolas Rouger, Cyril Buttay.


  • Résumé

    Les principaux critères de comparaison des convertisseurs sont le rendement, la masse, le volume, le coût et la fiabilité. Le contexte environnemental et économique et le développement des applications nomades ouvrent à l’électronique de puissance un domaine d’application de plus en plus vaste. Mais pour imposer cette technologie, il faut sans cesse améliorer ces performances et les compromis entre celles qui sont antagonistes (augmentation du rendement et diminution de la masse par exemple…) ce qui amène naturellement à la problématique de conception et d’optimisation. Le cas spécifique de l’aéronautique n’échappe pas à la règle et les contraintes y semblent encore plus fortes. La réduction de la masse, du volume et l’augmentation du rendement et de la fiabilité sont parmi les défis principaux actuels, et la transition de systèmes hydrauliques ou pneumatique vers des systèmes électriques laisse espérer à une amélioration des performances globales de l’avion. Les architectures des convertisseurs sont un moyen efficace d’améliorer les convertisseurs parce qu’ils permettent de réduire les contraintes au sein des convertisseurs tout en améliorant les formes d’onde en entrée et/ou en sortie. Parallèlement, les composants classiques en silicium ont bénéficié de larges avancés au cours de ces dernières décennies et approchent de leurs limites théoriques. Pour espérer une amélioration, des technologies en rupture sont désormais nécessaires. Au cours de ces dernières années, les technologies de semi-conducteurs dit « à grand gap », essentiellement à base de Nitrure de Gallium ou de Carbure de Silicium (resp. GaN et SiC) se sont considérablement amélioré et sont d’ores et déjà plus performant que les composants Si dans de nombreux cas. Les semi-conducteurs étant généralement plus performants lorsqu’ils ont une tenue en tension plus faible, on envisage ici de cumuler plusieurs avantages en envisageant la mise en série de composants GaN basse-tension pour améliorer l’intégration des convertisseurs de puissance. Dans un premier temps, un convertisseur multi-niveaux élémentaire de type Flying Capacitor (FlyCap) est mis en oeuvre. Des condensateurs de puissance intégrés sont utilisés, ce qui pourrait permettre de réduire l’empreinte de ces composants et de proposer une dissipation thermique commune par le dessus des composants. L’utilisation de composant au temps de commutation réduit est critique pour la fiabilité des convertisseurs. Une étude de l’influence des paramètres physique du circuit électrique sur les inductances parasites de la maille de puissance et de commande est menée permettant de mettre en évidence des règles de conception dans le but d’améliorer la fiabilité des convertisseurs. Dans un second temps, l’équilibrage dynamique de la topologie FlyCap qui est critique pour les formes d’onde et la sureté de fonctionnement est étudié. La prise en compte des pertes dans les semi-conducteurs permet d’améliorer l’estimation de la dynamique d’équilibrage. Une base de réflexion sur le dimensionnement d’un équilibreur passif est également proposée pour optimiser sa dynamique et les pertes associées. Un prototype expérimental à 5 cellules de commutation est présenté permettant d’atteindre une tension d’entrée de 270 V avec des composants 100V.

  • Titre traduit

    Use of low voltage GaN power semiconductors for the integration of electrical power converters aboard the aircraft


  • Résumé

    Performance, weight, volume, cost and reliability are key criteria to compare converters. Environment and economical context and the development of mobile applications lead electronics to have a wider field of application. Improving performances and tradeoff between conflicting characteristics (high efficiency and reduced weight for example) is thus constantly needed to impose this technology, which calls for design and optimization methods and tools. The specific case of aeronautics is no exception and there is in this field a high demand. Mass and volume reduction, efficiency and reliability improvement is one of the most important challenges, and the change from hydraulic and pneumatic systems to electric systems is expected to allow a global improvement of aircraft performances. Converter’s topology is a good candidate to improve and reduce the size of converters because it can reduce stress while improving the input and/or output waveforms. Meanwhile, conventional silicon components have taken advantage of wide advances in recent decades and are now close to their theoretical limits. To hope for a significant improvement, breaking technologies are now needed. In recent years, GaN and SiC Wide Band Gap semiconductors have seen significant development and are already often better than Si power devices. Lowvoltage semiconductors are generally better than higher voltage ones. Thus, we consider here cumulating advantages with a serial arrangement of low voltage GaN semi-conductors to improve power converter’s integration. First, a basic multilevel Flying Capacitor GaN-based converter is implemented. The integration of power capacitors is proposed to evaluate this technology, which could reduce the footprint of these components and could allow a common heatsink dissipation through the top of the components. Very fast turn-on and turn-off of GaN devices is critical for safe operation due to parasitic inductances. A study of physical parameters of the electrical circuit on parasitic inductances of power and control loop is conducted to lay down design rules in order to improve the reliability of converters. Secondly, dynamic balancing of Flying Capacitor which is critical for the waveforms and reliability is studied. Semi-conductor’s losses are considered to improve the estimation of dynamic balancing. A method for the design of a passive balancer is also proposed to optimize the balancing and associated losses. An experimental prototype with 5 switching cells is presented to achieve an input voltage of 270 V with 100 V rated voltage devices.


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