Power modules design and optimization for medium power of MMC inverters : high insulation voltage gate driver system and 3D packaging

par Sokchea Am

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Pierre Lefranc et de David Frey.

Le président du jury était Bruno Allard.

Le jury était composé de Jean-Christophe Crebier.

Les rapporteurs étaient François Costa, Nicolas Ginot.

  • Titre traduit

    Conception et optimisation de modules pour onduleur mmc de moyenne puissance : commande rapprochée à haute isolation galvanique et packaging 3d


  • Résumé

    Dans cette recherche, l'auteur met l'accent à la fois sur une optimisation de la conception pour une (MV-MMC: Medium Voltage Modular Multilevel Converter) utiliser comme un DC/AC ou AC/DC et à deuxième fois sur la grille pour les modules IGBT qui sont utilisés dans ce type d'application. Par exemple, les convertisseurs de MMC sont utilisés dans les systèmes d'alimentation des navires électriques avec les buses de moyenne tension de courant continu (en anglais: medium-voltage direct current (MVDC)). Pour une telle application, selon le document IEEE, la tension du bus DC peut être jusqu'à 35kV. Par conséquent, les systèmes de commande rapprochée pour piloter le grille des modules IGBT pour les applications MVDC-MMC sont des principaux problèmes en termes d'architectures et des besoins de haute isolation galvanique. Ainsi, cette thèse fournit des solutions pour répondre à ces problèmes. L'étude inclut également les études d'un matériau diélectrique qui est utilisé comme matériau d'isolation. Les résultats des essais expérimentaux d'un matériau diélectrique proposé pour différentes épaisseurs des couches pour maintenir des niveaux de tension d'isolation sont également fournis pour valider clairement cette étude. En effet, un convertisseur MMC compose d'un certain nombre de cellules de conversion connectés en série. Une cellule (sous-module de convertisseur) est classiquement constitué de deux modules IGBT. Sur la base de la topologie de la cellule, l'architecture d'un pilote de grille contestée pour les modules de puissance à semi-conducteurs est proposée et comparée à celle classique en termes de besoins des niveaux de tension d'isolation galvanique, la taille de la cellule de convertisseur, etc.


  • Résumé

    In this research, the author focuses on both a design optimization for a Medium Voltage Modular Multilevel Converter (MV-MMC) use as a DC/AC or AC/DC converter and gate drivers systems for IGBT modules which are used in this kind of application. For example, the MMC converters are used in Medium-Voltage Direct Current (MVDC) electrical ship power systems. For such application, according to IEEE document, the DC bus voltage can be up to 35kV. Hence, gate drivers’ systems for IGBT modules for MVDC-MMC applications are major concerns in terms of architectures and insulation voltage capabilities. Thus, this dissertation provides solutions to answer these problems. The study also includes the studies of a dielectric material which is used as insulation material. The results of experimental tests of a proposed dielectric material for different layers thicknesses to sustain different insulation voltage levels are also provided to clearly validate this study. Actually, a MMC converter composes of a number of converter cells connected in series. One cell (converter’s sub-module) is classically composed of two IGBT modules. Based on the cell topology, a challenged gate driver’s architecture for power semiconductor modules is proposed and compared to the classical one in terms of high and low galvanic insulation voltage levels’ requirements, converter’s cell size, etc.


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