Convertisseur GaN optimisé vis-à-vis de la CEM

EMC-Optimized converter using Power GaN devices

• Auteur / Autrice : Pawel Derkacz
• Direction : Jean-Luc Schanen, Piotr J. Chrzan, Pierre-Olivier Jeannin, Mickaël Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 26/09/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Politechnika Gdańska (Pologne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe de recherche Electronique de puissance (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Piotr Jasinski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacek Rabkowski, Julien Pernot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Rouger, Robert Smolenski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compatibilité électromagnétique

Électronique de puissance

Nitrure de gallium

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Compatibilité électromagnétique

Electronique de Puissance

Perturbations CEM

PCoC - Puissance Chip on Chip

Convertisseurs électriques

Composants GaN

EMC disturbances

GaN Power Devices

Power Converters

PCoC - Power Chip on Chip

Electromagnetic compatibility

Power Electronics

Résumé

Cette thèse étudie les possibilités de réduction des interférences électromagnétiques pour les convertisseurs d'électroniques de puissance utilisant des transistors GaN dans trois domaines principaux: la stratégie de contrôle, la conception des circuits imprimés ainsi que l'agencement des composants de puissance et les éléments magnétiques à haute fréquence. Sur la base d'un convertisseur Buck, l’impact de la contribution de la commutation dure et douce sur le bruit conduit généré (mode commun (CM) et mode différentiel (DM)) a été étudiée. L'effet positif de la commutation douce sur la réduction des perturbations CEM dans une gamme de fréquence spécifique a été démontré. L'impact des attributs de la conception de l'agencement a également été observé et la nécessité de l'optimiser a été soulignée. Ensuite, une étude détaillée de l'identification des éléments parasites dans un seul bras d'onduleur est présentée. Des domaines spécifiques de préoccupation ont été détaillés et examinés plus loin dans la thèse. Le flux de travail de simulation développé dans Digital Twin utilisé pour étudier l'impact des éléments de disposition individuels sur la CEM est présenté. Le banc d'essai de laboratoire utilisé pour les mesures CEM est également présenté, ainsi qu'une description des précautions nécessaires. En outre, les deux concepts clés mis en œuvre dans l'agencement - le blindage et le Power-Chip-on-Chip (PCoC) - sont présentés. Leur efficacité dans la réduction des interférences électromagnétiques de près de 20~dB a été confirmée par la simulation et l'expérimentation. Enfin, le concept d'inducteur intégré est présenté, qui peut être mis en œuvre en même temps que les solutions précédentes. L'efficacité d'un inducteur intégré planaire connecté au point central du pont a été démontrée par des études de simulation. La méthode de l'auteur pour identifier l'impédance de l'inducteur intégré et les principaux éléments parasites (en termes de CEM) a également été développée et présentée en détail. En conclusion, ce travail présente une série de solutions qui réduisent de manière significative l'EMI dans les convertisseurs à base de GaN, qui ont été validées par simulation et expérience et qui peuvent être appliquées à tous les types de convertisseurs électroniques de puissance.

The thesis investigates the possibility of EMI mitigation for power electronic converters with GaN transistors in three key areas: control strategy, layout design, and integrated magnetic filter. Based on a Buck converter, the contribution of hard and soft switching to the generated conducted noise (Common Mode (CM) and Differential Mode (DM)) has been investigated. The positive effect of soft switching on EMI reduction in a specific frequency range was demonstrated. The impact of layout design attributes was also observed and the need to optimize it was highlighted. Next, a detailed study of the identification of parasitic elements in a single inverter leg is presented. Specific areas of concern were detailed and considered later in the thesis. The developed simulation workflow in Digital Twin used to study the impact of individual layout elements on EMC is presented. The laboratory test bench used for EMC measurements is also presented, together with a description of the necessary experimental precautions. Furthermore, the two key concepts implemented in the layout - shielding and Power-Chip-on-Chip (PCoC) - are presented. Their effectiveness in reducing EMI by almost 20~dB was confirmed by simulation and experiment. Finally, the Integrated Inductor concept is presented, which can be implemented together with the previous solutions. The effectiveness of a planar Integrated Inductor connected to the middle point of the bridge was demonstrated by simulation studies. The author's method for identifying the impedance of the Integrated Inductor and the key parasitic elements (in terms of EMC) has also been developed and presented in details. In conclusion, the work presents a series of solutions that significantly reduce EMI in GaN-based converters, which have been validated by simulation and experiment and can be applied to all types of power electronic converters.