Characterization and design of high-switching speed capability of GaN power devices in a 3-phase inverter

par Rémi Perrin

Thèse de doctorat en Electrotechnique, électronique, automatique

Sous la direction de Bruno Allard.

Le président du jury était Yves Lembeye.

Le jury était composé de Bruno Allard, Yves Lembeye, Aleksandar Prodic, Bernhard Wicht, Radoslava Mitova.

Les rapporteurs étaient Aleksandar Prodic, Bernhard Wicht.

  • Titre traduit

    Caractérisation et design de la monté en fréquence de découpage d'un onduleur 3 phases avec des transistors en GaN


  • Résumé

    Le projet industriel français MEGaN vise le développement de module de puissance à base de compostant HEMT en GaN. Une des application industrielle concerne l’aéronautique avec une forte contrainte en isolation galvanique (>100 kV/s) et en température ambiante (200°C). Le travail de thèse a été concentré sur une brique module de puissance (bras d’onduleur 650 V 30 A). L’objectif est d’atteindre un prototype de facteur de forme peu épais, 30 cm2 et embarquant l’ensemble des fonctions driver, alimentation de driver, la capacité de bus et capteur de courant phase. Cet objectif implique un fort rendement énergétique, et le respect de l’isolation galvanique alors que la contrainte en surface est forte. Le manuscrit, outre l’état de l’art relatif au module de puissance et notamment celui à base de transistor GaN HEMT, aborde une solution d’isolation de signaux de commande à base de micro-transformateur. Des prototypes de micro-transformateur ont été caractérisés et vieillis pendant 3000 H pour évaluer la robustesse de la solution. Les travaux ont contribué à la caractérisation de plusieurs composants GaN afin de mûrir des modèles pour la simulation circuit de topologie de convertisseur. Au sein du travail collaboratif MEGaN, notre contribution ne concernait pas la conception du circuit intégré (driver de grille), tout en ayant participé à la validation des spécifications, mais une stratégie d’alimentation du driver de grille. Une première proposition d’alimentation isolée pour le driver de grille a privilégié l’utilisation de composants GaN basse-tension. La topologie Flyback résonante avec clamp permet de tirer le meilleur parti de ces composants GaN mais pose la contrainte du transformateur de puissance. Plusieurs technologies pour la réalisation du transformateur ont été validées expérimentalement et notamment une proposition originale enfouissement du composant magnétique au sein d’un substrat polymère haute-température. En particulier, un procédé de fabrication peu onéreux permet d’obtenir un dispositif fiable (1000 H de cyclage entre - 55 ; + 200°C), avec un rendement intrinsèque de 88 % pour 2 W transférés. La capacité parasite d’isolation est réduite par rapport aux prototypes précédent. Deux prototypes d’alimentations à forte intégration utilisent soit les transistors GaN basse tension (2.4 MHz, 2 W, 74 %, 6 cm2), soit un circuit intégré dédié en technologie CMOS SOI, conçu pour l’application (1.2 MHz, 2 W, 77 %, 8.5 cm2). Le manuscrit propose par la suite une solution intégrable de mesure de courant de phase du bras de pont, basé sur une magnétorésistance. La comparaison expérimentale vis à vis d’une solution à résistance de shunt. Enfin, deux prototypes de convertisseur sont décrits, dont une a pu faire l’objet d’une validation expérimentale démontrant des pertes en commutation réduites.


  • Résumé

    The french industrial project MEGaN targets the development of power module based on GaN HEMT transistors. One of the industrial applications is the aeronautics field with a high-constraint on the galvanic isolation (>100 kV/s) and ambient temperature (200°C). The intent of this work is the power module block (3 phases inverter 650 V 30 A). The goal is to obtain a small footprint module, 30 cm2, with necessary functions such as gate driver, gate driver power supply, bulk capacitor and current phase sensor. This goal implies high efficiency as well as respect of the constraint of galvanic isolation with an optimized volume. This dissertation, besides the state of the art of power modules and especially the GaN HEMT ones, addressed a control signal isolation solution based on coreless transformers. Different prototypes based on coreless transformers were characterized and verified over 3000 hours in order to evaluate their robustness. The different studies realized the characterization of the different market available GaN HEMTs in order to mature a circuit simulation model for various converter topologies. In the collaborative work of the project, our contribution did not focus on the gate driver chip design even if experimental evaluation work was made, but a gate driver power supply strategy. The first gate driver isolated power supply design proposition focused on the low-voltage GaN HEMT conversion. The active-clamp Flyback topology allows to have the best trade-off between the GaN transistors and the isolation constraint of the transformer. Different transformer topolgies were experimentally performed and a novel PCB embedded transformer process was proposed with high-temperature capability. A lamination process was proposed for its cost-efficiency and for the reliability of the prototype (1000 H cycling test between - 55; + 200°C), with 88 % intrinsic efficiency. However, the transformer isolation capacitance was drastically reduced compared to the previous prototypes. 2 high-integrated gate driver power supply prototypes were designed with: GaN transistors (2.4 MHz, 2 W, 74 %, 6 cm2), and with a CMOS SOI dedicated chip (1.2 MHz, 2 W, 77 %, 8.5 cm2). In the last chapter, this dissertation presents an easily integrated solution for a phase current sensor based on the magnetoresistance component. The comparison between shunt resistor and magnetoresistance is experimentally performed. Finally, two inverter prototypes are presented, with one multi-level gate driver dedicated for GaN HEMT showing small switching loss performance.


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