Conception d’un convertisseur DC/DC isolé, intégré, haute-tension et basse-puissance pour applications automobiles

Design of an integrated high-voltage low-power isolated DC/DC converter for automotive applications

• Auteur / Autrice : Etienne Foray
• Direction : Bruno Allard, Christian Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 20/07/2021
• 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
• Jury : Président / Présidente : Sonia Ben Dhia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Allard, Christian Martin, Sonia Ben Dhia, Yves Lembeye, Corinne Alonso, Aleksandar Prodic, Bernhard Wicht
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yves Lembeye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs électriques

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Convertisseur de puissance DC/DC

Topologie

Transformateur électrique

Circuit intégré

Haute fréquence

Commutation électrique

Composant actif au Silicium

Convertisseur de haute tension

Performances électriques

Automobile

Power Electronics

DC/DC power converters

Topology

Electric Transformer

Integrated circuit

High frequency

Electric Commutation

Active component

High Voltage Converter

Electrical performance

Automotive

Résumé

Dans le contexte actuel de transitions écologique-énergétique, une multiplication des bus DC haute-tension est observée dans certaines applications (véhicules électriques ou photovoltaïque). En parallèle, certains petits systèmes requièrent d’être alimentés directement à partir de la source principale d’énergie. Ainsi nait le besoin d’un convertisseur DC/DC isolé avec une forte tension d’entrée et une faible tension/puissance en sortie, et de fortes contraintes en termes de coût, de taille et de rendement. Les convertisseurs actuellement utilisés sont majoritairement basés sur une architecture similaire, économique mais qui présente de sérieuses limites en termes de performances. Le design d’un convertisseur 800V-12V avec une puissance proche de 1W ne peut se satisfaire des approches utilisées classiquement pour atteindre le haut niveau de rendement visé (>85%). Une étude de différentes topologies pour l’étage de puissance du convertisseur est d’abord menée. Elle permet d’identifier les structures les plus prometteuses en comparant un nombre limité de critères qualitatifs. Une topologie est retenue compte tenue d’un bon compromis entre performances et complexité : les convertisseurs multi-niveaux à capacités flottantes. La création d’un circuit intégré (IC) permettant l’intégration des éléments actifs de l’étage de puissance est ensuite présentée. Une solution est présentée pour contourner les limites imposées par la technologie choisie (Bulk Silicium haute-tension) en termes d’isolation entre composants. Ensuite, une méthodologie de conception d’un transformateur planaire adapté à l’application est introduite afin de choisir les principaux paramètres de dimensionnement d’un tel composant. À l’issue de cette étape, quelques transformateurs sont proposés pour être mesurés au sein du convertisseur complet. Enfin, les différentes composantes du convertisseur sont assemblées et des mesures de rendement sont réalisées sur plusieurs points de fonctionnement proches de ceux définis par l’application. Les résultats sont à la hauteur des attentes et offrent une nette amélioration par rapport aux solutions existantes, notamment en termes de rendement.

In the current context of energy and ecological transitions, a multiplication of high-voltage DC buses is observed in several applications, such as Electric Vehicles (EV) and photovoltaic. In parallel, there exist systems that require to be powered directly from the main supply source, like a Pyroswitch for immediate security in the automotive context. It is an actuator whose role is to physically disconnect the high-voltage battery of an EV in case of a crash and that must be powered directly from the high-voltage battery (of which voltage is close to 400V or even 800V nowadays) for the sake of reliability. In this perspective an isolated DC/DC converter with a high-input voltage capability and a low-power, low-voltage output is required. Strong constraints appear on the specifications of this converter, due to the automotive context, in particular regarding its size, cost and efficiency. The approaches used today to design such a converter yield a low diversity in the proposed solutions. Most of them are based on a similar power stage architecture, that can be interesting in a low-cost perspective, but that shows some limitations in terms of performances (low maximum input voltage, low efficiency). Therefore, the design of an 800V-to-12V converter with an output power rating close to 1W cannot rely on a classical approach. The approach that is proposed in this work may be based on: an on-chip integration of an increased number of components of the DC/DC converter; and/or “power modules” created when assembling several discrete components. The thesis aims at using the benefits from both approaches to create the targeted converter. In particular, the integration of the active components allows to reassess the architecture of the power stage and to increase the frequency at which it may operate, enabling a size reduction in the passive components of the converter. The manuscript first presents an exploration of topologies of the power stage for the considered isolated DC/DC converter. The most interesting solutions are compared based on a few qualitative criteria and an architecture whose trade-off between size and performances seems the most suitable is identified: the multi-level flying-capacitor. The design of an integrated circuit (IC) is then described. A solution is considered to overcome the limitations of the selected integration technology (high-voltage bulk Silicon) with respect to device-to-device isolation. Then, the design methodology of a custom planar transformer suitable for high-voltage, low-power applications is introduced and several transformer designs are proposed and tested inside the complete converter. Finally, the converter is built using the various bricks created previously and the efficiency of the power stage is measured. The results of the best transformer designs are in-line with the specifications and offer a clear improvement with respect to state-of-the-art solutions, especially for the efficiency.