Modélisation en Mode Différentiel et en Mode Commun des Transformateurs d’Impulsion pour les Applications Gate-Driver

Differential Mode and Common Mode Modeling of Pulse Transformers for Gate-Driver Applications

• Auteur / Autrice : Loreine Makki
• Direction : Christophe Batard, Nicolas Ginot, Marc-Anthony Mannah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 27/06/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Charles Le Bunetel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul-Etienne Vidal, Denis Labrousse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paul-Etienne Vidal, Denis Labrousse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrotechnique

Compatibilité électromagnétique

Mots clés libres

Écrans Électrostatiques

Wide-bandgap (WBG)

Wide-bandgap (WBG)

Electromagnetic Compatibility (EMC)

Résumé

L’accroissement de la vitesse de commutation des composants de puissance dits « grands gaps » tels que les MOSFETs à carbure de silicium (SiC) et leur capacité à fonctionner à une fréquence élevée ont amené de nouveaux défis à résoudre tels que les problèmes d'interférence électromagnétique (EMI). Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire visent à améliorer le design des transformateurs d’impulsions intégrés dans les étages de commande rapprochée (nommé gatedriver). L’objectif visée était de limiter les capacités parasites de ces transformateurs qui sont à l’origine de courants de mode commun (CM). Une méthode permettant de concevoir et de simuler ces transformateurs d’impulsions avec différentes structures de blindage a été mise au point. Le transformateur est d’abord créé sous Altium Designer, tout en respectant la norme IPC-2221. Le design de ce transformateur est ensuite exporté vers ANSYS Q3D Extractor où un modèle électrique équivalent est extrait. En simulation, des impulsions d’amplitude 1,4 kV et présentant des dv/dt de 125 kV/μs ont été apppliquées entre le primaire et le secondaire des transformateur, ce qui a permis de comparer la susceptibilité du transformateur avec différentes structures de blindage. L'influence de la forme de l’écran, des variations de sa longueur, sa largeur et son épaisseur est étudié. En parallèle de la simulation, les transformateurs étudiés ont été fabriqués et soumis aux mêmes dv/dt qu’en simulation. La comparaison des résultats expérimentaux avec les simulations ont permis de valider les modèles.

The higher switching speed attainments of WBG power devices such as silicon carbide (SiC) MOSFETs, and their ability to operate at higher switching frequencies, becomes conflicting when challenged with electromagnetic interference (EMI) issues. The objective of this dissertation is to improve the design of pulse transformers integrated in an intermediate stage of a power converter system, known as a gate-driver. The main goal is to mitigate the parasitic capacitances of these transformers, which are the source originators of common mode (CM) currents. A modelling and simulation scheme of pulse transformers with alternative shielding structures has been developed. The transformer is primarily designed using Altium Designer while respecting IPC-2221 standards. Its geometry is then exported into ANSYS Q3D Extractor, where an equivalent circuit model is extracted. The correlation of the susceptibility of pulse transformers comprising different shielding structures is simulated by applying pulses of 1.4 kV amplitude, representing a dv/dt of 125 kV/μs, between the primary and secondary distinctive grounds. The influence of the shielding configuration, and the variation of its length, width and thickness is explored. In addition to the applied simulation analysis, an equivalent experimental examination was conducted after manufacturing the studied transformers. The correspondence of the simulation and experimental results permitted the validation of the models.