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Accueil > Thèses et HDR > Thèses en 2020

25/11/2020 - Hadiseh GERAMIRAD

par Laurent Krähenbühl - publié le , mis à jour le

Mme Hadiseh Geramirad soutient sa thèse le 25/11/2020 à 14:00.
Lieu : SuperGrid Institute, 23 rue Cyprian, Villeurbanne.

Titre :
Étude CEM d’un driver de MOSFET SiC 1,7 kV

Jury :
- Rapporteurs : Edith CLAVEL (Université de Grenoble), Flavio CANAVARO (Università Politecnico di Torin
- Encadrement : Christian VOLLAIRE (ECL et Ampère, Directeur de thèse), Arnaud BREARD (ECL et Ampère, encadrant), Florent MOREL (SuperGrid, encadrant)
- Autres membres : Nadir IDIR (Université de Lille), François COSTA (Université de Paris Est)

Résumé :
Le marché croissant des énergies renouvelables entraîne un développement rapide des technologies de l’électronique de puissance. Une large partie de la production d’énergie renouvelable se fait en courant continu ou à fréquence variable, c’est pourquoi des convertisseurs électroniques de puissance sont nécessaires pour obtenir du courant alternatif à fréquence fixe.

Les convertisseurs en électronique de puissance sont largement utilisés dans des applications pour des tensions allant jusqu’à +/-1MV et de puissance allant jusqu’à plusieurs GW. Étant donné les améliorations rapides et récentes des semi-conducteurs de puissance comme les modules Si, SiC et GaN pour les applications à haut rendement, il est nécessaire de disposer de nouvelles commandes pour ces interrupteurs. Le principe de
fonctionnement des convertisseurs est basé sur la commutation des interrupteurs. Ceux-ci offrent de nombreux avantages, notamment de faibles pertes en conduction, une vitesse de commutation élevée, et une bonne tenue en tension qui augmentent l’efficacité et la densité de puissance. Cependant, ils posent certains défis, tels que l’augmentation des interférences électromagnétiques qui perturbent le fonctionnement du convertisseur. Les circuits de commande de grille (driver) fournissent des interfaces entre le signal de commande et les semiconducteurs, et constituent également une voie de passage pour les interférences électromagnétiques en raison des éléments parasites de leur alimentation isolée. Ceux-ci font partie des éléments qui peuvent agir sur les commutations et réduire les interférences électromagnétiques générées par les interrupteurs dans les convertisseurs. Premièrement, ils protègent les circuits de commande de grille en limitant la quantité d’interférences qui les traversent et qui permettent de maintenir leur fonctionnement des convertisseurs. Deuxièmement, ils réduisent les interférences électromagnétiques générées par les circuits de commande au niveau des semi-conducteurs en modifiant la forme d’onde de la tension de grille.

Tout d’abord, un demi-pont MOSFET SiC 1,7 kV du commerce est utilisé dans un convertisseur DC/DC de type dual active bridge (DAB) de 100 kW, contrôlé par un driver du commerce. L’amplitude incontrôlée des interférences électromagnétiques perturbe la fermeture des semi-conducteurs. Ce phénomène est ici appelé "autoperturbation" et empêche le fonctionnement du convertisseur à tension et puissance nominales. Cette partie de l’étude montre la nécessité de nouvelles techniques de commande de grille pour réduire les interférences liées aux commutations.

La deuxième contribution, traite du défi que représente la perturbation de la grille due à la commutation rapide dans les convertisseurs à base de MOSFET SiC. Un problème bien connu de perturbation de la tension de grille lors des commutations des semi-conducteurs entraîne un phénomène d’auto-perturbation. Ce problème est résolu par l’ajout d’un élément à un circuit de commande classique. Il est proposé de filtrer le courant parasite entrant dans la grille par une inductance bifilaire en mode commun. Grâce à cette méthode, les interférences électromagnétiques traversant les drivers sont également réduites. Au cours de cette étude la sensibilité de la conception des circuits de commandes et l’impact des sondes de mesures a été mis en évidence. La comparaison entre les performances de sondes différentielles de tension et d’une sonde de tension optique isolée sont évaluées en mesurant la tension grille-source des semi-conducteurs. Cela clarifie la manière dont les éléments parasites des sondes de mesure affectent les mesures et permet d’optimiser la conception des circuits de commande de grille.

La dernière contribution est le développement d’une nouvelle technique de circuit driver. Un nouveau driver exploitant la mesure du courant de drain ou de source des MOSFETs, permet via une boucle inductive l’ajustement dynamique du courant de grille réduit les interférences générées grâce à une tension et un courant de commutation modérés. La commande de grille proposée permet un meilleur compromis entre les pertes et la CEM par rapport aux méthodes classique d’ajout de résistances en série.

Mots clés :
MOSFET SiC, driver, convertisseur DC/DC, EMI, CEM