Interrupteur Synthétique Haute-Tension à Base de MOSFET SiC 1,2 kV et Méthode d’Équilibrage Associée

Medium-voltage Synthetic Switch from a Series-Connection of 1.2 kV SiC MOSFETs and its Associated Voltage Balancing Method

• Auteur / Autrice : Antoine Philippe
• Direction : Nicolas Ginot, Guillaume Piquet Boisson, Anne-Sophie Bacquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 08/12/2025
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et Sciences et Technologies du numérique, de l’Information et de la Communication (Nantes ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et des Technologies du numéRique
• Jury : Président / Présidente : Eric Labouré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Gruson, Frédéric Richardeau
• DOI : 10.70675/4e9a367cz9748z431cz9e20z1b418a7c8fe4

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alimentations (électricité)

Transistors MOSFET

Haute tension

Mots clés libres

MOSFET SiC

Mise en série

Délai

Bridage actif

SiC MOSFET

Series-connection

Delay

Active clamp

Résumé

La connexion d’une centrale photovoltaïque au réseau de distribution 20 kV se fait via un convertisseur DC/AC et un transformateur élévateur. La montée en tension dans le domaine de la transmission d’énergie est avantageuse en partie car le transformateur volumineux peut être supprimé. Cependant, la conversion DC/AC en haute tension (HT) est restreinte en raison des limitations en tension des transistors, composant fondamental du convertisseur. Certaines topologies de convertisseurs, dites multiniveaux, permettent de contourner ces limitations, mais restent complexes à mettre en œuvre. Une solution pour augmenter la tenue en tension consiste à créer un interrupteur synthétique composé de transistors connectés en série, permettant de répartir la tension lorsqu’ils sont commandés simultanément. Cependant, sans méthode d’équilibrage, des déséquilibres en tension apparaissent aux bornes des transistors, pouvant endommager les composants. Ces travaux de thèse visent à développer un interrupteur synthétique HT composé de 48 MOSFET SiC de 1,2 kV, capable de supporter une tension de bus de 34 kV. L’étude se concentre sur la réalisation de cette architecture ainsi que sur une méthode d’équilibrage adaptée à la mise en série d’un grand nombre de transistors. L’architecture proposée utilise un circuit de bridage actif (active clamp) pour limiter les surtensions, ainsi que des délais ajoutés à la commande des transistors. Cette méthode est validée au travers de simulations de 6 à 48 MOSFET en série, puis expérimentalement sur un prototype de cellule de commutation à 6 MOSFET SiC en série.

The connection of a photovoltaic power plant to a 20 kV distribution grid is achieved via a DC/AC converter and a step-up transformer. The voltage increase in the energy transmission domain is advantageous partly because it allows the bulky transformer to be removed. However, DC/AC conversion at medium-voltage (MV) is restricted due to the voltage limitations of transistors, which are the fundamental components of converters. Certain converter topologies, such as multilevel converters, allow these limitations to be avoided but remain complex to implement. One solution to increase voltage withstand capability is to create a synthetic switch composed of series-connected transistors, allowing the voltage to be distributed when commanded simultaneously. However, without a balancing solution, voltage imbalance occurs across the transistors, which can damage the components. This thesis work aims to develop a MV synthetic switch composed of 48 series-connected 1.2 kV SiC MOSFETs, capable of withstanding a bus voltage of 34 kV. The study focuses on developing this architecture as well as a balancing method suitable for the series-connection of a large number of transistors. The proposed architecture uses an active clamping circuit to limit any overvoltage, as well as added delays in the transistor control. This method is validated through simulations of 6 to 48 series-connected MOSFETs, and experimentally on a switching cell prototype with six series-connected SiC MOSFETs.