Thèse Année : 2025

Sizing, modeling and design of very high frequency converters : a case study on Class E

Dimensionnement, modélisation et conception de convertisseurs très haute fréquence : application à la classe E

Résumé

Power electronics plays a key role in the electrification of modern systems by enabling efficient energy transfer between various subsystems. Over the past decades, increasing the switching frequency has been a major approach to improving power density. To that extent, pushing the operating frequency into tens of megahertz enables the elimination of magnetic cores, and the related losses. Very high frequency power conversion is a promising field for increasing the power density of power converters and reducing their heterogeneity, as well as meeting specific application needs, such as wireless power transfer or plasma generation.This research field has gained new momentum with the advent of wide-bandgap semiconductors, particularly GaN HEMTs, which are capable of switching in just a few nanoseconds. In order to overcome the switching losses, specific resonant topologies that allow for soft-switching operation are required. Among them, the single-switch Class E topology, well known in radio-frequency applications, achieves high efficiencies (>90%) at very high frequencies. Yet, it remains rarely used in power electronics applications. Indeed, current design methods are complex and do not easily generalize to designer actual needs. Moreover, the efficiency and reliability of such converters are still limited in practice.In this context, this thesis proposes a generic and intuitive design method tailored to Class E converters operating at VHF. Based on an exhaustive analytical modeling of the circuit, this method enables the identification of an optimized design space. The exploration is driven by some performance criteria. It allows the designer to explore and compare multiple design scenarios at an early stage, well before any experimental implementation. The method is also extended to the design of isolated Class E based DC-DC converters. These can be connected in series or parallel, making them suitable for a wide range of applications. To validate the proposed approach, three Class E inverter prototypes (40.68 MHz, 50 W) as well as an isolated Class E² DC-DC converter (40.68 MHz, 50 W), have been developed. The GaN transistor operates under soft-switching conditions, as assumed by the design method. A comprehensive simulation model is also introduced. It is based on high-frequency characterization of passive and active components, as well as electromagnetic modeling of the printed circuit board. The impedances of both resonant components and parasitic elements are accounted for and anticipated at the design stage. The non-linearity of parasitic capacitances of the semiconductors is also considered and fully integrated within the design method.

L'électronique de puissance joue un rôle majeur dans l'électrification des systèmes modernes, en assurant un transfert d'énergie efficace entre les différents sous-systèmes. L'augmentation de la fréquence de découpage des convertisseurs a permis d'améliorer leur densité de puissance au cours des dernières décennies. En ce sens, atteindre des fréquences de l'ordre de plusieurs dizaines de mégahertz permet de s'affranchir des matériaux magnétiques et des pertes associées. La conversion très haute fréquence est une piste de recherche prometteuse pour améliorer la densité de puissance des convertisseurs et réduire leur hétérogénéité, ainsi que pour répondre à certains besoins applicatifs spécifiques tels que la transmission d'énergie sans-fil ou la génération de plasma.Cette thématique de recherche bénéficie d'un nouvel élan depuis quelques années grâce à l'émergence de composants grand-gap, tels que les transistors à base de Nitrure de Gallium (GaN), capables de commuter en quelques nanosecondes. Pour s'affranchir des pertes en commutation, il convient d'utiliser des topologies résonantes possédant des structures bien particulières. La structure mono-interrupteur de classe E, bien connue du domaine des radiofréquences, permet d'atteindre des rendements théoriques élevés (> 90 %) à très haute fréquence. Elle reste aujourd'hui peu exploitée pour des applications d'électronique de puissance. En effet, les méthodes de dimensionnement de ces convertisseurs très haute fréquence sont complexes et difficilement généralisables aux besoins du concepteur. De plus, le rendement et la fiabilité des convertisseurs restent limités.Dans ce contexte, ces travaux proposent une méthode de dimensionnement générique et intuitive. Celle-ci est fondée sur une mise en équation analytique exhaustive du circuit de classe E. A partir de certains critères de performance, un espace de conception optimisée est identifié et permet de concevoir des onduleurs de classe E. Plusieurs scénarios répondant au même cahier des charges peuvent ainsi être imaginés, et comparés avant toute réalisation expérimentale. Cette méthode peut également s'appliquer à la conception de convertisseurs DC-DC isolés et basés sur la classe E, qui peuvent être associés en série ou en parallèle et ainsi répondre à de nombreux besoins applicatifs. Pour valider cette approche, trois prototypes d'onduleurs de classe E (40,68 MHz, 50 W, 87,9 - 94,2 % de rendement) et un prototype de convertisseur DC-DC isolé de classe E² (40,68 MHz, 50 W, 73,3 % de rendement) ont été développés. Le transistor GaN fonctionne en commutation douce, conformément aux hypothèses de la méthode. Un modèle de simulation est également proposé et confronté aux résultats expérimentaux. Celui-ci s'appuie sur la caractérisation haute fréquence des composants passifs et actifs, et sur la modélisation électromagnétique du circuit imprimé. Les impédances réelles des éléments résonants, ainsi que celles des éléments parasites, sont ainsi anticipées dès le dimensionnement. La non linéarité des capacités parasites des semi-conducteurs est également prise en compte et intégrée dans le processus de dimensionnement.

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  • HAL Id : tel-05530680 , version 1

Citer

Matthieu Beley. Dimensionnement, modélisation et conception de convertisseurs très haute fréquence : application à la classe E. Autre. Ecole Centrale de Lyon, 2025. Français. ⟨NNT : 2025ECDL0042⟩. ⟨tel-05530680⟩
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