Study and contribution to the optimization of switching of HEMT GaN

Cette thèse s'inscrit dans un contexte de développement durable où les enjeux énergétiques consistent à concevoir des convertisseurs de puissance plus disséminés, donc avec une Spécification ambitieuse en termes de densités massique et volumique. Les composants à semiconducteur dit à grand Gap permettent l’augmentation de la fréquence de commutation et permettent un fonctionnement à plus haute température locale. Les commutations à front raides et à haute fréquence des transistors rendent le système plus sensible aux éléments parasites. Ceci perturbe en retour la commutation des transistors et génère des pertes joules supplémentaires. Dans ce contexte les travaux ont été effectués dans le cadre d’une cotutelle entre les laboratoires Ampère (INSA Lyon) et LN2 (Université de Sherbrooke), le but étant d’apporter des contributions à l’optimisation de la commutation des HEMTs GaN. Le premier axe des travaux consiste à mettre en place des stratégies de contrôle de vitesses de commutation en tension et en courant, par la grille, dans le but d’améliorer la signature CEM. Les circuits de contrôle proposés sont développés dans un premier temps en boucle ouverte puis dans un second temps en boucle fermée afin de compenser des non-linéarités (température, courant de charge et tension de fonctionnement). Les prototypes de contrôle de grille ont été testés à partir de composants discrets du marché. Des limites apparaissent, que l’intégration monolithique GaN doit corriger à terme, en particulier en atténuant fortement le problème des inductances parasites. Les analyses en simulation ont reposé sur l’adoption d’un modèle comportemental de HEMT GaN identifiable. Le deuxième axe des travaux consiste à vérifier de manière systémique différentes stratégies de contrôle de grille notamment pour la gestion du compromis entre pertes joule pendant les temps morts au sein d’un à bras d’onduleur et la performance fréquentielle des commutations. Aux termes de ces travaux, les systèmes de contrôles développés en boucle ouverte ont permis de ralentir les vitesses de commutation d’au moins 30 %, occasionnant une augmentation des pertes de commutation, dans un ordre de grandeur inférieur à 50 %. Due à la rapidité de commutation des HEMT GaN et aux limites des composants discrets du marché, le taux de réduction des vitesses de commutation obtenu avec la boucle fermée (taux de réduction inférieur à 20 %) est moins intéressant qu’avec la boucle ouverte. L’utilisation d’un circuit monolithique peut être une alternative pour augmenter le taux de réduction des vitesses de commutation en boucle fermée. Des résultats de simulation sous SPICE en vue du circuit monolithique sont à la base de cette hypothèse. Concernant le deuxième axe, l’application de commande multiniveaux de grille des transistors du bras d’onduleur a permis de réduire les pertes de conduction inverse et les pertes dues aux phénomènes de Cross Talk d’au moins 30 %.

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