Intégration monolithique GaN dans le contexte de la commande décentralisée de convertisseurs multicellulaires

Monolithic GaN integration in the context of decentralized control of multi-cell converters

• Auteur / Autrice : Joseph Kemdeng
• Direction : Marc Cousineau, Nicolas Rouger
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAPLACE - Laboratoire PLAsma et Conversion d'Énergie
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CS - Groupe Convertisseurs statiques
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)

Mots clés

Mots clés libres

Intégration monolithique

GaN

Gate Driver

Commande décentralisée

Convertisseurs multicellulaires

Monolithic integration

GaN

Gate driver

Decentralized control

Multi-cell converters

Résumé

Afin d'améliorer les performances des convertisseurs d'énergie électrique pour les convertisseurs embarqués, les technologies de composants de puissance à matériaux grands gaps tels que les GaN/HEMT et SiC/MOSFET semblent très attractives. Des études précédentes ont permis de démontrer les bénéfices des convertisseurs à base de transistors GaN, dans le contexte des cellules de commutation de puissance, pour des tensions maximales de 40V à 650V au niveau des transistors, couvrant alors un large spectre d'applications. L'apport de ces nouvelles technologies est de repousser les compromis classiques de rendement, volume et masse de convertisseur, particulièrement critiques dans les applications embarquées. Néanmoins, les interactions entre les transistors de puissance et le circuit de commande rapprochée (gate driver) au sein des cellules de commutation deviennent critiques et peuvent réduire la fiabilité du système de conversion ou forcer à limiter les vitesses de commutation, perdant alors un des intérêts majeurs des technologies GaN de puissance. D'autre part, l'accroissement du nombre de cellules de commutations au sein des convertisseurs de puissance modernes (parallèle multiphases et/ou série multiniveaux) nécessite l'usage de lois de commande complexes permettant de gérer un grand nombre de variables d'état (courants d'inductances et tensions de capacités). La décentralisation de certaines fonctions de contrôle, telles que l'équilibrage des variables d'état ou l'entrelacement des signaux de commande, ouvre des perspectives en termes de simplification de la mise en œuvre de ces convertisseurs. Le travail consistera donc principalement en la conception de nouvelles fonctionnalités intégrées, en lien avec les éléments primitifs offerts par la technologie monolithique GaN. Un focus important sera fait sur le contrôle adaptatif, en boucle ouverte et si possible en boucle fermée, de la commutation dure de puissance dans une cellule de commutation GaN / GaN, en intégration monolithique GaN. Une intégration monolithique d'une ou plusieurs solutions de transfert des ordres de commande devra être proposée, tout en permettant l'adaptation des conditions de commutation et la régulation des grandeurs d'état (e.g. V, I), dans le contexte d'un convertisseur multicellulaire.

In order to improve the performance of electrical energy converters for embedded converters, large-material power component technologies gaps such as GaN/HEMT and SiC/MOSFET seem very attractive. Previous studies made it possible to demonstrate the benefits of converters based on GaN transistors, in the context of power switching cells, for maximum voltages from 40V to 650V at the transistor level, thus covering a wide spectrum of applications. The contribution of these new technologies is to push back the classic compromises of efficiency, volume and converter mass, particularly critical in on-board applications. Nevertheless, the interactions between the power transistors and the control circuit (gate driver) within the switching cells become critical and can reduce the reliability of the conversion system or force to limit switching speeds, thus losing one of the major interests of GaN power technologies. On the other hand, increasing the number of switching cells within power converters (multiphase parallel and/or multilevel series) requires the use of complex command allowing to manage a large number of state variables (currents inductors and capacitance voltages). The decentralization of certain control functions, such as balancing state variables or interleaving control signals, opens prospects in terms of simplifying the implementation of these converters. The work will therefore mainly consist of design of new integrated functionalities, in connection with the primitive elements offered by monolithic GaN technology. An important focus will be made on adaptive control, in open loop and if possible closed loop, of hard power switching in a GaN / GaN switching cell, in monolithic integration GaN. Monolithic integration of one or more order transfer solutions control must be proposed, while allowing adaptation of the switching conditions and the regulation of state quantities (e.g. V, I), in the context of a multicellular converter.