Analyse du comportement de commutation des transistors GaN-HEMTs dans les convertisseurs de puissance en tenant compte de la variation de Vth et de la configuration du driver de grille

Switching behaviour analysis of GaN-HEMTs in power converters considering Vth shift and gate driver configuration

• Auteur / Autrice : Xuyang Lu
• Direction : Nadir Idir, Petar Igic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 07/04/2025
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....) en cotutelle avec Coventry University (1992-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP)
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Hauts-de-France. Conseil régional - Coventry University (1992-...)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Buttay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Rouger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyril Buttay, Milijana Odavic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Semiconducteurs de puissance

Circuits électroniques -- Bruit

Convertisseurs électriques

Commutation (électricité)

Nitrure de gallium

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Mots clés libres

GaN transistor de puissance

Mesure de tension de seuil

Modélisation des transistors semi-Conducteurs

Comportement de commutation

Paramètres parasites du circuit

Tension de seuil

Pilote de grille

Capacité de sortie

GaN power transistors

Threshold voltage measurement

Semiconductor transistors modelling

Switching behaviour

Circuit parasitic parameters

Résumé

Cette thèse s'intéresse à l'influence de la variation de la tension de seuil (Vth) et de la capacité de sortie du driver de grille sur le comportement en commutation des transistors à haute mobilité d'électrons en nitrure de gallium (GaN-HEMTs). Comprendre ces facteurs est crucial pour une modélisation précise des dispositifs et pour une bonne estimation des performances en commutation avant d'employer les GaN-HEMTs dans les convertisseurs de puissance. La première partie de la thèse présente l'origine et les méthodes de caractérisation du phénomène de variation de Vth dans les GaN-HEMTs. Dans le deuxième chapitre, une méthode de mesure in-situ de Vth est proposée pour caractériser le phénomène de variation de Vth dans des conditions de commutation douce, en modes mono-impulsion et multi-impulsion. Le troisième chapitre étudie l'impact de la variation de Vth sur le comportement en commutation à travers une analyse théorique, démontrée par simulation et par validation expérimentale. Dans la dernière partie, l'influence de la capacité de sortie du driver de grille sur le comportement en commutation des GaN-HEMTs est examinée dans deux configurations de grille courantes : sortie unique et sortie séparée. Des circuits équivalents pour les deux configurations sont présentés pour illustrer leur effet sur les performances de commande rapprochée des transistors. Les résultats montrent qu'aussi bien l'augmentation de Vth que la capacité de sortie du driver de grille à sorties séparées peuvent ralentir la vitesse de commutation à la mise en conduction des GaN-HEMTs.

This thesis investigates the influence of threshold voltage (Vth) shift and gate driver's output capacitance on the switching behaviour of gallium nitride high electron mobility transistors (GaN-HEMTs). Understanding these factors is crucial for accurate device modelling and switching performance estimation before employing the GaN-HEMTs in power converters. The first chapter of the thesis introduces the origin and characterisation methods of the Vth shift phenomenon in GaN-HEMTs. In the second chapter, an in-situ Vth measurement method is proposed to characterise the Vth shift phenomenon under soft-switching conditions in both single- and multi-pulse modes. The third chapter studies the impact of Vth shift on the switching behaviour of the transistors through theoretical analysis, demonstrated by simulation and experimental validation. In the final chapter, the influence of the gate driver's output capacitance on the switching behaviour of GaN-HEMTs is investigated in two common gate configurations: single and split outputs. Equivalent circuits for both configurations are presented to illustrate their effect on transistors driving performance. The results clearly show that both the positive Vth shift and the output capacitance in the split output gate driver can slow down the turn-on commutation speed of GaN-HEMTs.