Design and characterization of a three-phase current source inverter using 1.7kV SiC power devices for photovoltaic applications

par Luis Gabriel Alves rodrigues

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Jean-Paul Ferrieux.

Le président du jury était Stéphane Lefebvre.

Le jury était composé de Jérémy Martin, Serge Bontemps.

Les rapporteurs étaient François Forest, Philippe Ladoux.

  • Titre traduit

    Conception et caractérisation d’un onduleur de courant triphasé à base de semi-conducteurs SiC 1,7kV pour l’application photovoltaïque


  • Résumé

    Classiquement, la chaîne de conversion de l’énergie électrique des centrales photovoltaïques comporte un champ photovoltaïque (PV) délivrant une tension maximale de 1kV suivi d’un hacheur élévateur connecté à un onduleur de tension triphasé. Cette chaîne de conversion à deux étages (DC/DC + DC/AC) est ensuite raccordée sur le réseau moyenne tension au travers d’un transformateur BT/HTA. Dans l’objectif de simplifier les systèmes de conversion PV, ce travail de recherche s’intéresse à l’étude et la mise en œuvre d’une topologie DC/AC n’employant qu’un seul étage de conversion : l’Onduleur de Courant triphasé. Bien que relativement simple, l’Onduleur de Courant présente comme inconvénient majeur les pertes par conduction. Pour pallier ce problème, des interrupteurs à grand-gap au Carbure de Silicium (SiC) sont employés, ce qui permet de convertir de l’énergie de façon performante (η>98.5%) tout en gardant une fréquence de commutation élevée (plusieurs dizaines de kHz). Les modules à semi-conducteurs de puissance du marché n’étant pas compatibles avec ce type de convertisseur, des modules particuliers en SiC ont été développés dans le cadre de la thèse. La caractérisation dynamique de ces nouveaux modules est réalisée dans le but de servir de base à la conception d’un démonstrateur de l’Onduleur de Courant d’une puissance nominale de 60kW. Enfin, le rendement de la partie semi-conducteur de puissance est évalué par une méthode calorimétrique confirmant l’aptitude de la topologie à fonctionner à des fréquences de commutation supérieures. L’originalité de ces travaux réside principalement dans la conception, caractérisation et mise en œuvre de ce nouveau module de puissance adapté à cette topologie connue, mais peu étudiée à l’heure actuelle avec des interrupteurs au SiC.


  • Résumé

    Classically, the energy conversion architecture found in photovoltaic (PV) power plants comprises a multitude of solar arrays delivering a maximum voltage of 1kV followed by a step-up chopper connected to a three-phase voltage source inverter. This two-stage conversion system (DC/DC + DC/AC) is then connected to the MV grid through a LV/MV transformer. In order to simplify the PV systems, this research work focuses on the study and implementation of a DC/AC topology employing a single conversion stage: the three-phase current source inverter (CSI). Although relatively simple, the CSI presents as major drawback the conduction losses. To deal with this problem, wide-bandgap silicon carbide (SiC) semiconductors are used, which allows to efficiently convert energy (η> 98.5%) while keeping a relatively high switching frequency (several tens of kHz). Nonetheless, since the available power semiconductor modules on the market are not compatible with the CSI, a novel 1.7kV SiC-based module is developed in the context of the thesis. Thus, the dynamic characterization of the new SiC device is carried out and serves as a basis for the design of a 60kW Current Source Inverter prototype. Finally, the inverter’s semiconductor efficiency is evaluated through a calorimetric method, confirming the ability of the topology to operate at higher switching frequencies. At the present time, little research has been conducted on the CSI implementation with SiC devices. The originality of this work lies mainly in the design, characterization and implementation of the new SiC power module adapted to this well-known inverter topology.


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