Méthodologie d’Analyse de la CEM dans un Module de Puissance à Composants GaN

par Xiaoshan Liu

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de François Costa.


  • Résumé

    Grâce aux propriétés physiques du matériau et à l'avancement de l'ingénierie et de la fabrication, les dispositifs semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) sont des candidats prometteurs pour la conception des modules de puissance à haute fréquence, à haut rendement et donc à haute densité de puissance. Cependant, la commutation rapide des appareils GaN entraîne une vitesse de rotation élevée dans la tension de commutation (dV / dt) et le courant (dI / dt), combiné avec des éléments parasites inductifs (L) et capacitifs (C) dans le module de puissance, donne lieu à des tensions électromagnétiques le bruit d'interférence (EMI) dans une large gamme de fréquences. Cette thèse est axée sur l'influence sur les performances EMI de la conception des modules de puissance basés sur GaN et les approches d'optimisation. Afin d'étudier les problèmes susmentionnés, un module de puissance complet comprenant les appareils de puissance GaN et l'emballage du module doit être caractérisé et modélisé afin que les performances EMI puissent être reconstruites par simulation avec ces modèles. Les méthodes de modélisation d'un transistor de mobilité à haute électron (HEMT) et d'un module de puissance conçu par un laboratoire sont décrites respectivement aux chapitres I et II, La modélisation de l'appareil implique la partie statique et la partie dynamique, où le premier est modélisé pour représenter les caractéristiques IV avant et les conducteurs inverses en diodes inverses et ce dernier est modélisé pour représenter les capacités intrinsèques non linéairement dépendantes de la tension entre chaque paire de bornes . La méthode de modélisation est basée sur les caractéristiques extraites de la fiche technique et peut être mise à l'échelle de tous les e-mode GaN HEMT. La modélisation de l'emballage implique principalement l'extraction des capacités parasites entre le module et le radiateur et les inductances parasites entre le condensateur de liaison CC et les dispositifs d'alimentation. Les extractions sont traitées à la fois par calcul numérique avec logiciel ANSYS Q3D et mesure d'impédance avec un analyseur de réseau vectoriel E5061B. Les résultats de ces deux approches correspondent bien de l'un à l'autre. Une fois que le modèle complet du module de puissance basé sur GaN est construit, il est validé avec un test de commutation expérimental où les signaux de commutation simulés et les bruits EMI sont comparés aux mesurés respectivement aux chapitres III et IV. Le banc d'essai en dehors du module de puissance GaN est modélisé pour compléter le modèle de simulation complet. Les précautions de mesure sont également présentées. Les formes d'onde de commutation sont obtenues en double impulsion et en tests de commutation permanente et sont comparées aux simulations où elles sont correctement adaptées. La minimisation du dépassement de la tension de commutation en utilisant entre DC + et DC - les condensateurs dans le module CX est analysée et enfin la valeur du condensateur CX est recommandée dans différentes situations. Les bruits EMI sont mesurés en termes de courants de mode commun (CM) et de mode différentiel (DM) dans le réseau linéaire à impédance stabilisée (LISN) et sont comparés avec ceux simulés où ils sont correctement adaptés de 100 kHz à 30MHz. On analyse les chemins de propagation du bruit CM du module d'alimentation et de la charge de l'inducteur de résistance. Les effets des condensateurs dans le module CX et du CM filter ones CY sont étudiés. Enfin, la répartition des condensateurs de filtre dans différents endroits est étudiée par simulation.

  • Titre traduit

    Methodology for EMC Analysis in a GaN Based Power Module


  • Résumé

    Thanks to the material’s physical properties and the advancement in the engineering and manufacturing, power semiconductor devices based on Gallium Nitride (GaN) are promising candidates for high frequency, high efficiency and thus high power density power module design. However, GaN devices’ fast switching results in high slew rate in switching voltage (dV/dt) and current (dI/dt), combined with parasitic inductive (L) and capacitive (C) elements within the power module, gives rise to electromagnetic interference (EMI) noise in a wide frequency range. This dissertation is focused on the influence on EMI performance of the GaN based power module design and the optimization approaches.In order to study the aforementioned issues, an entire power module including the GaN power devices and the module’s packaging are to be characterized and modeled so that the EMI performances can be reconstructed by simulation with these models. The modeling methods of a commercial enhancement-mode (e-mode) GaN High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT) and a lab-designed power module are discussed respectively in chapter I and II,• The device modeling involves the static part and the dynamic part, where the former is modeled to represent the forward I-V characteristics and the reverse diode-like conducting ones and the latter is modeled to represent the nonlinearly voltage dependent intrinsic capacitances between each pair of terminals. The modeling method is based on the characteristics extracted from datasheet and can be scaled to all e-mode GaN HEMT.• The packaging modeling involves mainly the extraction of the stray capacitances between the module and the heatsink and the parasitic inductances between the DC link capacitor and the power devices. The extractions are processed by both numerical calculation with software ANSYS Q3D and impedance measurement with a vector network analyzer E5061B. The results from these two approaches match well from one to the other.Once the full model of the GaN based power module is built, it is validated with experimental switching test where the simulated switching waveforms and the EMI noises are compared with the measured ones respectively in chapter III and IV. The test bench apart from the GaN power module is modeled to complete the full simulation model. The measurement precautions are presented as well.• The switching waveforms are obtained in double pulse and permanent switching tests and are compared to the simulated ones where they are correctly matched. The minimization of the switching voltage’s overshoot by using between DC+ and DC- the in-module capacitors CX is analyzed and finally the capacitor CX’s value is recommended in different situations.• The EMI noises are measured in terms of common mode (CM) and differential mode (DM) currents in the Line-Impedance-Stabilized-Network (LISN) and are compared with the simulated ones where they are correctly matched from 100 kHz up to 30MHz. The CM noise propagation paths from the power module and from the resistor-inductor load are analyzed. The effects of the in-module capacitors CX and the CM filter ones CY are studied. Finally the distribution of filter capacitors in different locations is studied by simulation.


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