Nouvelles structures de conversion multi-cellulaires à base des transistors GaN pour la conversion DC-DC : applications au conditionnement des énergies renouvelables.

New structures of multi-cellular conversion based on GaN transistors for DC-DC conversion : conditioning in renewable energies applications.

• Auteur / Autrice : Farshid Sarrafin ardebili
• Direction : Jean-Christophe Crebier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 28/03/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Yves Lembeye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Allard, Marc Cousineau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Labouré, François Costa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs continu-continu

Énergies renouvelables

Transistors à effet de champ

Mots clés libres

GaN HFET

Énergie renouvelable

Conversion multi cellulaire

Conversion DC-DC

Gestion d'énergie

Asic

GaN HFET

Renewable energy

Multi-Cellular conversion

DC-DC conversion

Energy Management

Asic

Résumé

Dans le but de gérer la consommation et ainsi que la production efficace des énergies renouvelables, l’utilisation et augmentation de l’efficacité des systèmes de conversion d’énergie est devenue indispensable. Dans ce contexte, les transistors en nitrure de gallium (GaN HFETs) pour une densité de puissance commutée très importante, offrent des nouvelles possibilités et ils tirent vers le haut la gestion efficace des énergies renouvelables. Toutefois, cette nouvelle possibilité passe par un pilotage efficace des composants et une encapsulation et des interconnexions optimales. Ces travaux de thèse étudient et analyse les avantages et inconvénients d'une nouvelle structure de conversion multi cellulaire et ceux d’un driver spécifique multivoies monolithique et synchronisé pour les composants GaN, appliqué dans ce contexte précis. Ce manuscrit de thèse est composé de quatre chapitres. Après une étude bibliographique, le positionnement du convertisseur DAB (Dual Active Bridge) parmi les autres structures de conversion DC à l’aide d’une nouvelle méthodologie de comparaison (FOM topologique – Figure de Mérite) est présenté dans le premier chapitre. Afin de diminuer les contraintes de conversion d’énergie, une étude est amenée dans le chapitre 2 sur les principaux défis et enjeux d’une solution générique à travers de réalisation d’un réseau de convertisseurs. Le chapitre 3 présente la partie importante d’expérimentation et d’optimisation de la cellule élémentaire à base de convertisseurs DAB des points de vue fonctionnels mais aussi et surtout structurels. L’étude de l’isolation galvanique de la structure de conversion DAB reste l'objectif principal à développer pour démontrer le potentiel de remplacer le transformateur par une isolation capacitive. La conception de la puce de commande dédiée aux nouveaux transistors GaNs, les résultats pratiques des performances sont présentés dans le dernier chapitre. Certaines comparaisons du driver QGD (Quad Gate Driver) avec les autres solutions de transfert d’ordres de commande sont également discutées. La mise en œuvre du circuit de commande dans un convertisseur DAB afin de valider le fonctionnement de QGD est introduite dans les perspectives.

In order to improve the management and the production efficiency in renewable energy, power electronics systems have become important contributors. In this context, gallium nitride transistors (GaN HFETs) provide new opportunities for high power density, high switching speed and they pull up the effective management of renewable energies. However, this new opportunity requires effective gate drivers and optimal packaging and assembly. This thesis will introduce the general approach of a new architecture for multi cellular conversion and a monolithic multichannel and synchronized drive for GaN components, which are applicable in our specific context. This thesis is composed of four chapters. A bibliographic section is presented in first chapter. A new comparative methodology has been developed in this chapter in order to benchmark the DAB (Dual Active Bridge) converter with respect to other DC converters. In the second chapter, a generic solution (converter grid) has been explained in order to reduce the energy conversion constraints. Chapter 3 presents the important parts of the experimentation and the optimization of DAB converter. High frequency transformer replacing by capacitors is the main objective of this section. The design of the Quad Gate Driver (QGD) IC dedicated to GaNs transistors control in H bridge configuration and the results of their performances are presented in the last chapter. Some comparisons of this approach with other signal transfer solutions are also discussed. The implementation of the QGD in a full bridge transistor converter is introduced into the perspective section.