Amplificateurs de puissance et convertisseurs DC/DC à base de GaN pour des applications hyperfréquences

GaN based power amplifiers and DC/DC converters for microwave applications

• Auteur / Autrice : Florent Gamand
• Direction : Christophe Gaquière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologies, acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 16/10/2013
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amplificateurs microondes

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Nitrure de gallium

Convertisseurs continu-continu

Rendements

Amplificateurs de puissance

Mots clés libres

Polarisation dynamique

Résumé

Dans les systèmes de télécommunication modernes et en particulier pour l'amplification de puissance RF, le rendement est un élément clé. Il doit être le plus élevé possible pour réduire la consommation. Afin d'augmenter le rendement global d'un amplificateur de puissance, la technique de polarisation dynamique, souvent basée sur l'association d'un amplificateur et d'un convertisseur DC/DC, est couramment employée. Les transistors de type HEMT GaN délivrent des puissances importantes tout en ayant des fréquences de fonctionnement élevées, de plus leur capacité à commuter rapidement et leurs faibles pertes résistives en font d'excellents candidats à la fois pour les applications d'amplification de puissance et de commutation à haute fréquence de découpage et haut rendement tels que les convertisseurs DC/DC utilisés dans le cadre d'une polarisation dynamique.Le premier chapitre de ce mémoire est consacré aux propriétés des transistors à base de GaN et leurs intérêts pour des applications d'amplification hyperfréquence et de commutation. Leur caractérisation et modélisation sont également abordées. Le deuxième chapitre est consacré à la conception et à la caractérisation de convertisseurs DC/DC GaN à haute vitesse de découpage pour des applications de polarisation dynamique d'amplificateurs de puissance. Le troisième chapitre aborde la conception d'amplificateurs de puissance GaN à haut rendement en bande C pour des applications de télécommunication. L'association d'un convertisseur DC/DC développé au chapitre II et d'un amplificateur GaN en bande S dans le cadre de la polarisation dynamique sera également présentée et ses effets sur l'amélioration du rendement étudiés.

High efficiency is a key element in modern telecommunication systems, especially in RF power amplifiers. Efficiency has to be as high as possible in order to reduce power consumption thus minimising working cost, maximising autonomy and improve system reliability. In order to increase global efficiency of a power amplifier, dynamic biasing, based on the association of an amplifier and a DC/DC converter, is often used. GaN HEMTs enable high RF power at high frequencies, moreover their capability to switch very quickly and their low resistive losses make them good candidates for both power amplification applications and high speed, high efficiency commutation applications, like DC/DC converters used in dynamic biasing systems. The first part of this manuscript is dedicated to GaN transistors properties and their advantages compared to other semi-conductors for commutation and RF amplification applications. Their characterisation and modelling is also discussed. The second chapter is dedicated to the design and characterisation of high speed DC/DC converters for dynamic biasing applications. The last part approaches high efficiency GaN power amplifiers design in C band for telecommunication applications. The association of a DC/DC converter, designed in chapter II, and a GaN power amplifier in S band in the context of dynamic biasing is also presented and the obtained efficiency improvement is reported.