Contribution à la montée en performance des alimentations DC-DC bipolaires des électroaimants de correction rapide du Synchrotron SOLEIL

Contribution to the performance enhancement of bipolar DC-DC power supplies for fast correction electromagnets at the Synchrotron SOLEIL

• Auteur / Autrice : Ayawo Roger Ekon
• Direction : François Costa, Mickaël Petit, François Bouvet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• 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 : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Christian Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Edith Clavel, Arnaud Gaillard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Martin, Edith Clavel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs à large bande interdite

Nitrure de gallium

Transistors MOSFET

Compatibilité électromagnétique

Électronique de puissance

Mots clés libres

DC-DC

Faible Résiduelle

Forte dynamique

MLI

GaN

CEM

DC-DC

Low ripple

High dynamic

PWM

GaN

EMC

Résumé

Les alimentations DC-DC bipolaires faibles puissances des électroaimants de correction rapide de la trajectoire des accélérateurs de particules exigent une faible ondulation résiduelle de courant et une large bande passante. Le but est d'assurer une bonne stabilité du champ magnétique fourni par ces électroaimants et offrir une rapidité lors des transitions rapides. Cependant, ces deux objectifs sont antimoniques. C'est-à-dire que la contrainte de dynamique/résiduelle ne peut être atteinte sans faire de compromis sur la résiduelle/dynamique. Ainsi pour la quatrième génération du synchrotron SOLEIL, une nouvelle topologie de convertisseur DC-DC bipolaire en pont complet, très faible résiduelle et large bande passante est étudiée dans cette thèse. Pour atteindre simultanément ces contraintes, la mise à contribution du mode de commande Modulation par Largeur d'impulsion (MLI) est étudiée en prenant en compte les contraintes de compatibilité électromagnétique (CEM) conduite en respect de la norme CISPR11 A. Dans cette même perspective, une augmentation de la fréquence de découpage (Fdec) a été envisagée. Cette augmentation de Fdec nous a poussé à l'utilisation de la nouvelle technologie de composants de puissance à base de Nitrure de Gallium (GaN) pouvant fonctionner à des fréquences très élevées sans détériorer le rendement. Toutefois une comparaison est faite avec la technologie MOSFET Si plus répandue et plus mature. Les points de comparaison sont la mise en œuvre, le rendement et la CEM. Par ailleurs, la CEM des convertisseurs à SOLEIL étant un point important, une étude CEM de toute la chaine de conversion (Source DC — Câble — Convertisseur — Câble — Charge) a été réalisée en mode conduit et rayonné. En effet, la CEM est un point crucial puisque les alimentations doivent cohabiter avec d'autres équipements très sensibles.

Low-power bipolar DC-DC power supplies for fast trajectory correction electromagnets in particle accelerator require low residual current ripple and large bandwidth. The aim is to ensure good stability of the magnetic field provided by these electromagnets, and to offer speed during fast transitions. However, these two objectives are antimonial. ie, the dynamic/residual constraint cannot be met without compromising on residual/dynamic. So, for the fourth generation of the SOLEIL synchrotron, a new full-bridge bipolar DC-DC converter with very low residual and high bandwidth is studied in this thesis. In order to achieve both constraints, the use of the Pulse Width Modulation (PWM) control mode has been studied, considering electromagnetic compatibility (EMC) constraints in compliance with CISPR11 A. In the same perspective, an increase of the switching frequency (Fsw) has been considered. This increase of Fsw pushed us to use the new technology of power components based on Gallium Nitride (GaN) which can operate at high frequencies without deteriorating efficiency. A comparison is always made with the more popular and mature MOSFET Si technology. The points of comparison are implementation, efficiency and EMC. As the EMC of SOLEIL converters is an important issue, an EMC study of the complete conversion chain (DC source - Cable - Converter - Cable - Load) was carried out in both conducted and radiated modes. Indeed, EMC is a crucial point, since power supplies have to cohabit with other highly sensitive equipment.