Une méthodologie pour la conception des convertisseurs basés sur les composants sic et gan pour les applications automobiles

A Methodology for designing SiC and GaN device based converters for automotive applications

• Auteur / Autrice : Joao Soares de Oliveira
• Direction : Hervé Morel, Dominique Planson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 24/11/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère / AMPERE
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : EE - Département Energie Electrique
• Jury : Président / Présidente : Philippe Ladoux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Morel, Dominique Planson, Philippe Ladoux, Alberto Castellazzi, Stéphane Lefebvre, Karine Isoird
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alberto Castellazzi, Stéphane Lefebvre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbure de silicium

Convertisseurs électriques

Nitrure de gallium

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Convertisseur de puissance

Nitrure de Gallium - GaN

Electronique de commutation

Composant en Silicium

Perte de puissance

Circuit électronique

Carbure de silicium

Composant en Carbure de Silicium

Nitrure de Gallium - GaN

Semiconducteur à large bande interdite

Industrie automobile

Power Electronics

Power Converter

Gallium Nitride - GaN

Electronic Commutation

Silicon Component

Power Loss

Electronic Circuit

Silicon carbide

Silicon Carbide Component

Gallium Nitride - GaN

Large forbidden band SemiConductor

Automobile industry

Résumé

Les componsants à large bande interdite ou WBG permettent de concevoir des convertisseurs de puissance à des fréquences, des densité de puissance et des efficacités plus élevées, par rapport aux convertisseurs à base de silicium. La coexistence de dispositifs SiC et GaN dans la gamme 600-900 V motive une étude spécifique de ces composants et le développement de méthodes pour effectuer une meilleure sélection en fonction de l’application, notamment pour les applications automobiles. La méthodologie proposée commence par des tests statiques et dynamiques effectués sur des dispositifs SiC et GaN afin de valider leurs modèles. Les dispositifs GaN permettent de construire les convertisseurs les plus intégrés. Un PCB instrumenté a été développé pour mesurer et estimer les pertes en commutation, incluant les points de mesure nécessaires à cet effet. Les éléments parasites du schéma PCB extraits par ANSYS Q3D et les modèles de sondes de mesure ont été également inclus dans le modèle de simulation. Ainsi, au moyen d'un modèle validé expérimentalement, il a été possible d’évaluer les pertes totales dans un circuit optimisé, sans sondes. Pour les dispositifs SiC, une carte d’évaluation a été utilisée et une méthode d’estimation pour l’extraction des éléments parasites a été effectuée. L’estimation des pertes en commutation est une étape importante pour la conception du convertisseur de puissance. Les conséquences d’une commutation plus rapide sur la conception du driver de grille et la disposition de la carte génèrent de nouveaux défis pour les convertisseurs basés sur les dispositifs WBG. Une estimation précise des pertes en commutation est une étape utile car elle permet d’ajuster différentes configurations de circuits en fonction des résultats de la simulation. Cependant, le PCB instrumenté ne prédit pas les pertes en commutation dans un convertisseur optimisé, mais uniquement sur le PCB instrumenté. La simulation permet de prédire les pertes en commutation dans des convertisseurs plus réalistes. Une simulation pour chaque dispositif cible (SiC et GaN) a été développée en considérant les principaux éléments parasites et les modèles d’instruments de mesure. Ainsi, les pertes en commutation sont calculées et comparées aux résultats expérimentaux. Étant donné que l’ensemble du système a été validé, afin de comparer les dispositifs SiC et GaN pour les applications automobiles, une simulation d’un convertisseur DC-DC optimisé a été utilisée pour comparer chaque dispositif sous différents points de fonctionnement du convertisseur.

Wide band-gap (WBG) devices enable power converter designs at higher frequency, power density, and efficiency, as compared to silicon-based converters. The coexistence for SiC (Silicon Carbide) and GaN (Gallium Nitride) devices in the ranges 600-900 V motivates a specific study of these components and the development of methods to perform better selection relying on the application, particularly for automotive applications. The proposed methodology starts with static and dynamic tests performed on SiC and GaN devices to validate their models. GaN power devices allow the building of the most integrated converters. Here, an instrumented PCB (Printed Circuit Board) is developed to measure and estimate switching losses including the measurement points needed for this purpose. The parasitic elements of the PCB layout extracted by ANSYS Q3D and the measurement instrument models are also included in the simulation model. Thus, by means of an experimentally validated model, it will be possible to evaluate the total losses in an optimized circuit without probes. Meanwhile, for SiC devices, an evaluation board is used, and an estimating method for inductance parasitic extraction is performed. The switching loss estimation is an important step for power converter design. Moreover, the consequences of faster switching on the gate driver design and board layout generate new challenges for WBG-based converters. An accurate switching loss estimation is a helpful step because it allows for the adjustment of different circuit layouts based on the simulation results. However, the instrumented PCB does not predict the switching losses in an optimized converter, but only on the instrumented PCB. The simulation enables the prediction of switching losses in more realistic converters. Finally, a simulation for each target device (SiC and GaN) is developed considering the main parasitic elements and the measurement instrument models. Thus, the switching losses are computed and compared to experimental results. Since the whole system is validated, to compare the SiC and GaN devices for automotive applications, an optimized DC-DC converter simulation is used for comparing each device under different operation points of the converter.