Convertisseur à fort courant et faible tension de sortie, utilisant des transistors GaN, pour applications spatiales

High current, low voltage output converter using GaN transistors for space applications

• Auteur / Autrice : Thomas Harmand
• Direction : Denis Labrousse
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• 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 : Equipe de recherche : EPI - Electronique de puissance et intégration
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)

Mots clés

Mots clés libres

Électronique de puissance

Intégration

Forte densité de puissance

Architecture distribuée

Power electronics

Integration

High power density

Distributed power converters

Résumé

Cette thèse a pour objectif le développement d'un convertisseur de puissance non isolé à base de transistors GaN pour une application spatiale. Les acteurs du domaine spatial expriment de plus en plus leurs besoins de développer des convertisseurs faible tension, fort courant de sortie ([0,6 ;1,5V] pour des courants allant jusqu'à 120A). Le but est d'alimenter les cœurs de calculs de nouvelle génération (FPGA). La demande en courant pour ces composants augmente avec la finesse de gravure et la puissance de plus en plus importante. Les domaines d'application sont : la télécommunication, l'observation et la navigation par satellites, de plus en plus gourmands en ressources. Pour répondre à cette demande, le convertisseur POL standardisé devra couvrir une gamme de tensions d'entrée comprise entre 5V et 12V pour une sortie comprise entre 0.6V et 3.3V et une puissance de 30~50W (30~50A). Afin de couvrir davantage de configurations, il devra être possible d'interfacer simplement plusieurs convertisseurs POL en parallèle, afin de pouvoir fournir des courants de sortie importants (jusqu'à 120A). Dans le cas de la mise en parallèle de plusieurs convertisseurs, une méthode de contrôle plus intelligente pilotera les convertisseurs en fonction de la demande en temps réel de l'application augmentant le rendement et la fiabilité du système. Les critères de performances sur ce développement sont la régulation de la tension de sortie notamment en cas de dynamique rapides (fonctionnement tout ou rien du numérique), le volume, le poids, la fiabilité à l'environnement (radiations, températures). La densité demandée nous guide vers une fréquence de fonctionnement plus élevée avec une surface d'échange thermique limitée. Ces deux éléments permettent de découper la thèse en deux partie. La première concerne le routage et le packaging du module (interface thermique, éléments parasites, forts courants). La seconde, la méthode de contrôle et la topologie (Performances statiques et dynamiques pour des transitoires de charge de l'ordre de 10µs). Afin de minimiser les contraintes thermiques tout en assurant une bonne immunité aux problèmes de rayonnement, une piste envisageable est d'utiliser des composants grands gaps en GaN (Nitrure de Galium). Ce dernier point doit permettre d'atteindre un rendement optimal, supérieur à l'existant (88% dans les convertisseurs comparables actuellement dans le spatial) pour des puissances transitées jusqu'à 50W et une augmentation de la fréquence conséquente (quelques MHz) pour la diminution de volume des éléments passifs. C'est dans ce cadre que s'inscrivent ces travaux de thèse qui, à terme, permettront de satisfaire le cahier des charges exigeant. Ces travaux bénéficieront de l'expérience et du savoir-faire de la société 3D PLUS alliés aux compétences du laboratoire SATIE en termes de modélisation, dimensionnement et réalisation de structures d'électroniques de puissance intégrées.

The objective of this thesis is to develop a non-isolated power converter based on GaN transistors for a space application. The actors of the space domain express more and more their needs to develop low voltage, high current output converters ([0.6 ; 1.5V] for currents up to 120A). The goal is to power the new generation of computing cores (FPGA). The demand for current for these components is increasing with the fineness of engraving and the increasing power. The fields of application are telecommunication, observation and navigation by satellites, which are more and greedier in resources. To meet this demand, the standardized POL converter will have to cover a range of input voltages between 5V and 12V for an output between 0.6V and 3.3V and a power of 30~50W (30~50A). In order to cover more configurations, it should be possible to simply interface several POL converters in parallel, in order to provide high output currents (up to 120A). In the case of paralleling several converters, a more intelligent control method will drive the converters according to the real time demand of the application increasing the efficiency and reliability of the system. The performance criteria for this development are the regulation of the output voltage, particularly in the case of fast dynamics (on-off digital operation), volume, weight, and environmental reliability (radiation, temperature). The required density guides us towards a higher operating frequency with a limited heat exchange surface. These two elements allow us to divide the thesis into two parts. The first part concerns the routing and packaging of the module (thermal interface, parasitic elements, and high currents). The second one, the control method and the topology (static and dynamic performances for load transients of the order of 10µs). In order to minimize thermal constraints while ensuring good immunity to radiation problems, one possible approach is to use large gaps in GaN (Gallium Nitride). This last point should allow to reach an optimal efficiency, higher than the existing one (88% in comparable converters currently in space) for powers transited up to 50W and a consequent increase of the frequency (some MHz) for the reduction of volume of the passive elements. It is within this framework that this thesis work is being carried out, which will eventually allow the demanding specifications to be met. This work will benefit from the experience and know-how of the 3D PLUS company combined with the skills of the SATIE laboratory in terms of modelling, dimensioning and realization of integrated power electronics structures.