Published March 28, 2017 | Version v1
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New structures of multi-cellular conversion based on GaN transistors for DC-DC conversion: conditioning in renewable energies applications

Description

In order to improve the management and the production efficiency in renewable energy, power electronics systems have become important contributors. In this context, gallium nitride transistors (GaN HFETs) provide new opportunities for high power density, high switching speed and they pull up the effective management of renewable energies. However, this new opportunity requires effective gate drivers and optimal packaging and assembly. This thesis will introduce the general approach of a new architecture for multi cellular conversion and a monolithic multichannel and synchronized drive for GaN components, which are applicable in our specific context. This thesis is composed of four chapters. A bibliographic section is presented in first chapter. A new comparative methodology has been developed in this chapter in order to benchmark the DAB (Dual Active Bridge) converter with respect to other DC converters. In the second chapter, a generic solution (converter grid) has been explained in order to reduce the energy conversion constraints. Chapter 3 presents the important parts of the experimentation and the optimization of DAB converter. High frequency transformer replacing by capacitors is the main objective of this section. The design of the Quad Gate Driver (QGD) IC dedicated to GaNs transistors control in H bridge configuration and the results of their performances are presented in the last chapter. Some comparisons of this approach with other signal transfer solutions are also discussed. The implementation of the QGD in a full bridge transistor converter is introduced into the perspective section. (author)

Abstract (French)

Dans le but de gerer la consommation et ainsi que la production efficace des energies renouvelables, l'utilisation et augmentation de l'efficacite des systemes de conversion d'energie est devenue indispensable. Dans ce contexte, les transistors en nitrure de gallium (GaN HFETs) pour une densite de puissance commutee tres importante, offrent des nouvelles possibilites et ils tirent vers le haut la gestion efficace des energies renouvelables. Toutefois, cette nouvelle possibilite passe par un pilotage efficace des composants et une encapsulation et des interconnexions optimales. Ces travaux de these etudient et analyse les avantages et inconvenients d'une nouvelle structure de conversion multi cellulaire et ceux d'un driver specifique multivoies monolithique et synchronise pour les composants GaN, applique dans ce contexte precis. Ce manuscrit de these est compose de quatre chapitres. Apres une etude bibliographique, le positionnement du convertisseur DAB (Dual Active Bridge) parmi les autres structures de conversion DC a l'aide d'une nouvelle methodologie de comparaison (FOM topologique - Figure de Merite) est presente dans le premier chapitre. Afin de diminuer les contraintes de conversion d'energie, une etude est amenee dans le chapitre 2 sur les principaux defis et enjeux d'une solution generique a travers de realisation d'un reseau de convertisseurs. Le chapitre 3 presente la partie importante d'experimentation et d'optimisation de la cellule elementaire a base de convertisseurs DAB des points de vue fonctionnels mais aussi et surtout structurels. L'etude de l'isolation galvanique de la structure de conversion DAB reste l'objectif principal a developper pour demontrer le potentiel de remplacer le transformateur par une isolation capacitive. La conception de la puce de commande dediee aux nouveaux transistors GaNs, les resultats pratiques des performances sont presentes dans le dernier chapitre. Certaines comparaisons du driver QGD (Quad Gate Driver) avec les autres solutions de transfert d'ordres de commande sont egalement discutees. La mise en oeuvre du circuit de commande dans un convertisseur DAB afin de valider le fonctionnement de QGD est introduite dans les perspectives. (auteur)

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Original title (French)
Nouvelles structures de conversion multi-cellulaires a base des transistors GaN pour la conversion DC-DC. Application au conditionnement des energies renouvelables

Publishing Information

Imprint Pagination
241 p.
Report number
FRNC-TH--11132

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Notes
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