Intégration des filtres CEM hybrides pour les convertisseurs électronique de forte puissance à haute fréquence basés sur des composants GaN

par Amina Gahfif (Matouk)

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de François Costa, Pierre-Etienne Levy et de Mounira Berkani.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering , en partenariat avec Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie (laboratoire) , EPI - Electronique de puissance et intégration (equipe de recherche) et de Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay (référent) depuis le 02-10-2017 .


  • Résumé

    La révolution technologique actuelle « vers un avion plus électrique » rend les convertisseurs électroniques de puissance de plus en plus présents dans le système aéronautique. Cette conversion de puissance (basse ou haute tension) fait apparaitre des perturbations électromagnétiques (EM) conduites et rayonnées sur une large bande de fréquence. Ces perturbations peuvent se propager et modifier le fonctionnement d'un équipement sensible au voisinage. Ce sujet de thèse fait partie d'un axe de recherche vaste à Safran-Tech qui vise à maitriser la CEM dans les convertisseurs électroniques de puissance, afin de minimiser le cout global de la CEM. Le cahier des charges (Puissance, Tension, Courant, Atténuation, …) nécessaire pour alimenter cette étude sera basée sur une application étudiée dans un projet collaboratif H2020 GaNOMIC (GaN in One Module Integrated Converter). Dans GaNOMIC, avec ses partenaires, Safran cherche à intégrer un convertisseur DC-DC 7.5 kW en se basant sur des composants semi-conducteurs à grand gap (GaN) et sur la technologie d'intégration dans le PCB. Par conséquent, même si cela n'est pas prévu dans GaNOMIC, Safran propose de travailler dans le cadre de cette thèse sur la conception optimisée d'un filtre CEM hybride et son intégration dans le PCB, nécessaire afin d'avoir une compatibilité technologique et une densité de puissance élevée. La première partie sera consacrée à la modélisation CEM du convertisseur DC-DC 7.5kW en boite noir avec la prise en compte de la variation de la tension d'entrée 100Vdc et 400Vdc et de la charge. À partir de ce nouveau modèle nous avons la possibilité de calculer dans la deuxième partie les atténuations requises du filtre en mode commun et en mode différentiel afin que les spectres de courant des deux modes passent au-dessous des gabarits des normes, il existe deux types de filtrage actif et passif; actuellement l'efficacité du filtrage actif se limite pour les basses fréquences (2MHz) à cause des limitations technologiques sur le rapport Gain/Fréquence dans les amplificateurs, concernant le filtrage passif la valeur importante de l'inductance du mode commun rend le filtre très volumineux ; l'objectif donc dans cette thèse est de tirer le meilleur de chaque type de filtrage en travaillant sur l'extension de l'efficacité la partie actif vers la dizaine de MHz, et d'étudier l'intégrabilité des composants passifs dans le PCB avec des contraintes de courant fort (75A). Les deux parties actif et passif seront assemblées et intégrées en entrée du convertisseur afin d'évaluer les performances globales du filtre hybride intégré.

  • Titre traduit

    Integration of hybrid CEM filters for high-frequency high-power electronic converters based on GaN components


  • Résumé

    The current technological revolution "towards a more electric plane" makes the electronic power converters increasingly present in the aeronautical system. This power conversion (low or high voltage) reveals electromagnetic (EM) perturbations conducted and radiated over a wide frequency band. These disturbances can propagate and alter the operation of sensitive equipment in the vicinity. This thesis is part of a broad research focus at Safran-Tech aimed at mastering EMC in electronic power converters in order to minimize the overall cost of EMC. The specification (Power, Voltage, Current, Attenuation,) required to feed this study will be based on an application studied in a collaborative project H2020 GaNOMIC (GaN in One Module Integrated Converter). In GaNOMIC, with its partners, Safran seeks to integrate a 7.5 kW DC-DC converter based on high-gap semiconductor (GaN) components and integration technology in the PCB. Therefore, even if this is not foreseen in GaNOMIC, Safran proposes to work within the framework of this thesis on the optimized design of a hybrid EMC filter and its integration in the PCB, necessary in order to have technological compatibility and a high power density. The first part will be devoted to the EMC modeling of the 7.5kW DC-DC converter in black box with consideration of the variation of the input voltage 100Vdc and 400Vdc and the load. From this new model we have the possibility to calculate in the second part the required attenuations of the common-mode and differential-mode filters so that the current spectra of the two modes fall below the standard templates, there are two types active and passive filtering; the efficiency of the active filtering is limited for low frequencies (2MHz) because of the technological limitations on the Gain / Frequency ratio in the amplifiers, concerning the passive filtering the large value of the common mode inductance makes the filter very bulky ; the objective therefore in this thesis is to make the best of each type of filtering by working on the extension of the effective active part to the ten MHz and to study the integrability of the passive components in the PCB with of the high current constraints (75A). The two active and passive parts will be assembled and integrated at the input of the converter in order to evaluate the overall performance of the integrated hybrid filter.