Le convertisseur résonnant LLC à pont hybride et sa mise en œuvre à fréquence élevée, de l'ordre du MHz

The hybrid-bridge LLC resonant converter and its application to MHz-level operation

• Auteur / Autrice : Lingeshwaren Sobrayen
• Direction : Daniel Sadarnac, Charif Karimi, Tanguy Phulpin, Patrick Dehem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 16/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Meynard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Martin, Alfred Rufer, Xavier Margueron
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Martin, Alfred Rufer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chargeurs de batteries

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Llc

Plage étendue

Courant élevé

Fréquence élevée

GaN HEMTs

Transformateur planar

Llc

Wide-Range

High current

High frequency

GaN HEMTs

Planar transformer

Résumé

Cette étude porte sur un convertisseur continu-continu : 400 V en entrée et 18 à 36 V en sortie pour une puissance nominale de 1 kW, qui servira comme la cellule de base d'un futur chargeur de batterie industriel adaptable en tension. S'alignant avec la transition actuelle des composants classiques en silicium vers des composants à grand gaps, les transistors en nitrure de gallium (GaN) sont envisagés pour viser des fréquences de découpages élevés et gagner en compacité du convertisseur. L'étage de puissance est réalisé par une structure récemment parue - le LLC résonnant à pont hybride qui répond efficacement à la problématique des larges plages de tensions avec peu de composants supplémentaires et une commande simple. En effet le pilotage par modulation de largeur d'impulsion (MLI) à fréquence fixe associé aux caractéristiques de commutations douces de la résonance, rendent ce convertisseur attrayant pour la haute fréquence tout en permettant l'optimisation des dimensions de ses composants magnétiques et filtres.Des études à des fréquences usuelles (autour de 100 kHz) sont d'abord réalisées sur ce nouveau convertisseur, utiles à d'autres applications avec des plages de tensions étendues. Un modèle unifié dans le domaine temporel a été développé pour comparer les performances du convertisseur à d'autres convertisseurs de la même « famille » LLC pouvant eux aussi opérer à fréquence fixe. Une stratégie de modulation à deux paramètres a été introduite pour réduire les courants de circulation ; cette modulation est particulièrement intéressante dans les applications à faible tension et fort courant. Le convertisseur a été modélisé en régime dynamique par la méthode des « Extended Describing Functions ». Une méthodologie de conception optimale a également été proposée, fournissant un outil automatisé plus efficace pour aborder le dimensionnement du convertisseur.Partant d'une meilleure maitrise de la structure, la problématique de la fréquence élevée est ensuite abordée. Un modèle plus pertinent dans le domaine temporel a été proposé : la dynamique des temps morts n'est plus ignorée et les limites de commutation ZVS sont précisées. Outre son utilité pour la conception, ce modèle permet des estimations plus précises des pertes associées aux blocages et aux durées de conduction inverse des interrupteurs GaN, de sorte que les pénalités de fonctionnement à fréquence élevée peuvent être évaluées. L'influence de la fréquence sur la compacité du transformateur a été analysée. Il s'agissait de minimiser les pertes dans les enroulements tout en minimisant la capacité parasite entre enroulements. Un prototype de convertisseur mettant en œuvre ce transformateur et des transistors GaN a été construit et testé à 1 kW/1 MHz.

A 1-kW, 400-V input and 18-36V output dc-dc converter is developed as the basic cell of a future voltage-adaptable industrial battery charger. Aligned with the current paradigm shift from tradition silicon to wide-bandgap devices, gallium nitride high electron mobility transistors (GaN HEMTs) are used for high switching frequency and converter compactness objectives. The power stage is realized by the recently proposed hybrid-bridge LLC resonant topology, which can effectively address wide-range converter concerns with low component surplus and minimal control complexity. Fixed-frequency PWM control combined with soft-switching resonant characteristics makes the converter particularly attractive to work at high switching frequencies while allowing its magnetic components and filters to be optimally sized.Studies at conventional switching frequencies (100 kHz) are first carried out on the hybrid-bridge LLC resonant converter, relevant to other mainstream wide-range applications. A unified time-domain model is developed to compare the performance of the converter against other similar fixed-frequency LLC-type converters. A two-parameter modulation strategy is introduced for reducing circulating currents, of particular interest in low voltage/high current applications. The dynamic modeling of the converter is explored based on extended describing functions. An optimal design methodology is also proposed, providing a more effective automated design tool than conventionally-used parameter sweeps.A more thorough comprehension of this new topology, enables high frequency targets to be then pursued. An improved time-domain model is developed where deadtime dynamics are considered, from which more accurate ZVS limits and estimates of semiconductors frequency-related losses are inferred. The scope for size reduction of the power transformer with frequency rise, is analyzed. A planar transformer with low ac resistance and low parasitic capacitance is realized, and extended to various construction variants. A GaN prototype of the converter is built and tested at 1 MHz, identified as the optimal switching frequency of the converter.