Convertisseurs VHF à transistor GaN : défis, réalisations et perspectives

GaN based VHF converters : design, challenges and perspectives

• Auteur / Autrice : Rawad Makhoul
• Direction : Yves Lembeye, Pierre-Olivier Jeannin, David Frey, Xavier Maynard, Pierre Perichon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 03/07/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 : Bruno Allard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Bervas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Allard, Corinne Alonso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes métriques

Nitrure de gallium

Convertisseurs électriques

Électronique de puissance

Mots clés libres

Vhf

Convertisseurs

Résonance

Conversion de puissance

Électronique de puissance

Vhf

Converters

Resonance

Power conversion

Power electronics

Résumé

Avec les nouvelles avancées de la technologie GaN, une tendance à augmenter la fréquence de commutation dans les convertisseurs de puissance apparaît. La commutation à très haute fréquence (VHF : 30 MHz-300 MHz) permet d’obtenir des composants passifs plus petits et des convertisseurs de puissance plus compacts. Des topologies adaptées au fonctionnement VHF telles que l'onduleur classe Φ2 ont déjà été présentées et leurs vertus ont été démontrées dans diverses applications industrielles dont le transfert de puissance sans fil et la gravure plasma.La classe Φ2 est une topologie d’onduleur mono-interrupteur à faible contrainte en tension sur le composant semi-conducteur et à transitoire rapide, adaptée aux applications à très haute fréquence. Nous commençons ici par évaluer sa sensibilité aux tolérances des composants et aux éléments parasites des PCB en VHF et nous étudions l'impact du facteur de qualité de ses composants passifs (inductances, condensateurs) sur son rendement.Par ailleurs, bien que les composants GaN soient capables de commuter à des dizaines de mégahertz, les « gate drivers » commerciaux peuvent avoir du mal à fournir le signal de commutation adéquat en VHF. Afin de surmonter ce problème, nous présentons ici deux topologies d'onduleurs auto-oscillants basés sur un onduleur classe Φ2 : la Φ2 free-running et la Φ2 drain-tapped. Dans ces topologies auto-oscillantes, le signal de drain ou le signal de sortie est prélevé et réinjecté dans un circuit de rétroaction résonnant afin de générer un signal de commutation au niveau de la grille du transistor. Nous fournissons une méthode quantitative pour la conception de ces topologies et nous la vérifions par simulation à l'aide de LTSpice. Nous analysons ensuite les performances de ces topologies et démontrons leur utilisation comme premier étage d’un convertisseur VHF DC / DC.Enfin, nous construisons plusieurs prototypes afin de valider nos modèles de simulation et d'identifier les défis liés à l'implémentation de convertisseurs VHF.

With new advancements in GaN technology, the tendency to increase the switching frequency in power converters is on the rise. Switching at very high frequency (VHF: 30MHz-300MHz) allows for smaller passive components and more compact power converters. Topologies suitable for VHF operation such as the class Φ2 inverter have already been presented and their virtues have been demonstrated in several industrial applications including wireless power transfer and plasma etching.The class Φ2 is a low voltage semiconductor stress, fast transient, single transistor inverter topology suitable for very high frequency applications. We start here by evaluating its sensitivity to component tolerances and PCB parasitic elements when switching at very high frequency and we investigate the impact of its passive components (inductors, capacitors) quality factor on its efficiency.Furthermore, although GaN devices are able to switch at tens of megahertz, gate drivers may struggle with providing the correct switching signal at VHF. In order to overcome this issue, we introduce here two self-oscillating inverter topologies based on a class Φ2 inverter: the Φ2 free-running and the Φ2 drain-tapped. These self-oscillating topologies feed the drain signal or the output signal into a resonant feedback circuit in order to generate a switching signal at the gate of the transistor. We provide a quantitative method for their design and verify it through simulation using LTSpice. We then analyze their performances and demonstrate their use as a first building block in a DC/DC VHF converter.Finally, we build several prototypes in order to validate our simulation models and identify the challenges that arise when implementing VHF converters.