Contribution to the characterisation and modelling of wide-bandgap GaN power components - Application to a converter in a harsh environment
Contribution à la caractérisation et à la modélisation de composants grand gap GaN–Application à un convertisseur en environnement sévère
Abstract
This thesis focuses on the study of new gallium nitride-based power components and the characterisation of a high-temperature coffered ceramic substrate with a view to designing an integrated power converter operating in harsh environments. The work carried out during this thesis is part of the MEMPHIS/GALION (Module Électronique Miniature de Puissance Hermétique Innovant pour applications en environnement Sévère) project, the aim of which is to produce a demonstrator that reflects the expected improvements in power electronics: operation at higher converter switching frequencies and/or operation at higher temperatures.
This work is dedicated to the electrical and thermal study of a switching cell (inverter arm) based on GaN components capable of operating at a switching frequency greater than 1 MHz. This component is characterised statically and then during switching, providing a reliable electrothermal behavioural model at ambient temperature and up to 190°C. These characterisations are used to produce a model of the complete structure of a chopper with its load in order to assess switching losses and the phenomena causing losses in the transistors and to understand their origins. These results are used to study and predimension a resonant structure (LLC) suitable for operation at switching frequencies above megahertz using the GaN transistors studied.
Cette thèse porte sur l’étude de nouveaux composants de puissance à base de nitrure de gallium ainsi que sur la caractérisation d’un substrat céramique coffrité à haute température dans l’objectif de concevoir un convertisseur de puissance intégré fonctionnant en environnements sévères. Les travaux effectués durant cette thèse sont réalisés dans le cadre du projet MEMPHIS/GALION (Module Électronique Miniature de Puissance Hermétique Innovant pour applications en environnement Sévère); qui a comme objectif la réalisation d’un démonstrateur reflétant les améliorations attendues de l’électronique de puissance: fonctionnement à des fréquences de découpage plus élevées du convertisseurs et/ou d’un fonctionnement à plus haute température.
Ces travaux sont dédiées à l’étude électrique et thermique d’une cellule de commutation (bras d’onduleur) à base de composants GaN pouvant fonctionner à une fréquence de commutation supérieure à 1 MHz. Ce composant est caractérisé statiquement puis en commutation fournissant un modèle électrothermique comportemental fiable à température ambiante et jusqu’à 190°C. Ces caractérisations permettent la réalisation d’un modèle de la structure complète d’un hacheur avec sa charge afin d’évaluer les pertes par commutation et les phénomènes provoquant des pertes dans les transistors et d’en comprendre les origines. Ces résultats sont utilisés pour étudier et prédimensionner une structure à résonnance (LLC) adaptée à un fonctionnement à des fréquences de découpage au delà du mégahertz utilisant les transistors GaN étudiés.
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