intégration des convertisseurs gan et montée en...
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Nadir IDIR
Université de Lille, L2EP
(Responsable tâche 1)
Intégration des convertisseurs GaN et montée en fréquence
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Nadir IDIR Lille, 1décembre 2017
Plan de la présentation
1. Etat de l’art sur l’intégration des convertisseurs da ns les moteurs
2. Domaines d’application et verrous technologiques
3. Objectifs de la tâche 1 « Convertisseur statique à haut rendement »
4. Etude et réalisation d’un convertisseur haute fréquence
4.1 Choix de la technologie des composants de puissance
4.2 Détermination des inductances parasites du PCB
4.3 Conception et réalisation d’un bras d’onduleur
4.5 Validation expérimentale
5. Conception de l’onduleur intégré
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1. Etat de l’art: Evolution des variateurs de Vitesse
- Faible densité de puissance - Deux systèmes de refroidissement- Nécessite un gros filtre CEM - Prix plus élevé ( + câble)+ Plus fiable (conditions d’utilisation)
+ Forte densité de puissance+ Un seul système de refroidissement + Nécessite un filtre CEM plus petit + Réduction des durées de mise en service+ Amélioration du rendement (efficacité énergétique)+ Prix plus faible (- Câble)- Problèmes thermiques (Convertisseur et moteur)- Protection des enroulements du moteur contre les forts dv/dt- Problèmes des vibrations du convertisseur
Variateur de vitesse classique
Variateur de vitesse Intégré
[1] T. M. Jahns and H. Dai, Trans. On Power Electronics and Applications, Vol. 2, N. 3, 9/2017
[1]
[1]
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1. Etat de l’art: Intégration des variateurs de vitesse
[1] : T. M. Jahns and H. Dai, Trans. On Power Electronics and Applications, Vol. 2, N. 3, 9/2017
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2. Domaines d’application et verrous technologiques
- Augmentation de la densité de puissance et du rendement du convertisseur statique� Montée en fréquence grâce à l’utilisation des composants SiC et GaN (tâche 1)
- Amélioration des systèmes de refroidissement du convertisseur et moteur� Utilisation de matériaux à changement de phase (tâches 1, 2 et 5 )
- Protection des enroulements des moteurs contre les forts dv/dt� Utilisation de machines basses tensions (tâches 1 et 2 )� Renforcement de l’isolation diélectrique des enroulements (tâches 1, 2 et 7 )
- Détection des défauts du convertisseur ( tâche 1 )
Verrous technologiques et solutions proposées dans l e cadre du projet CE2I
Domaines d’application
- Systèmes embarqués :� Aéronautique: actionneurs électriques, …� Transports terrestres: trains, véhicules électriques, ...
- Systèmes industriels: motopompes, compresseurs….
- Systèmes de production d’énergie: éoliennes, …
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- L’objectif est de réaliser des convertisseurs de puissance à base de composants semi-conducteurs à grand gap (GaN et SiC) en portant une attention particulière aux critères de l’efficacité énergétique et de la densité de puissance.
3. Objectifs de la tâche 1: Conversion à haut rendement
- Objectifs des sous tâches:
- T1.1 : Modélisation HF, estimation des pertes :
• Caractérisation et modélisation des composants de puissance (GaN et SiC)
• Etude du système de refroidissement des composants de puissance
- T1.2 : Structures de conversion à composants rapides, faibles pertes :
• Etude de réalisation du circuit imprimé (PCB) du convertisseur
• Diagnostique des défauts des composants des convertisseurs
- T1.3 : Commande rapprochée
- T1.4 : CEM et filtrage
- Laboratoires impliqués dans la tâche 1 : L2EP, URIA, LAMIH, LSEE, IEMN
- L2EP : S. Vienot, H. Hoffmann, T. Duquesne, L. Pace, A. Videt et N. Idir
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• Cahier des charges du prototype 1:
- La puissance de la machine et du convertisseur : 6 kW
- Les valeurs des tensions et des courants par bras du convertisseur : I = 60A et V = 60V
- Nombre de phases : 5
- Système de refroidissement : Refroidissement forcé par radiateur + ventilateur
Convertisseur statique
Machine Polyphasée
3. Objectifs de la tâche 1: cahier des charges
[3] : http://www.motorbrain.eu/
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4. Etude et réalisation d’un convertisseur haute fréquence
- Choix des composants de puissance:� Matériaux semi-conducteurs : Si, SiC et GaN
- Détermination des inductances parasites des différentes boucles du PCB
- Dimensionnement des radiateurs
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Choix du composant de puissance
4.1 Choix de la technologie des composants de puissance
e = 0.54 mm
(à 25°C)
[4] : https://gansystems.com/
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4.1 Choix de la technologie des composants de puissance
Caractéristiques directes
Caractéristiques inverses
Caractéristiques directes et inverses du transistor GaN
[4] : https://gansystems.com/
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4.1 Choix de la technologie des composants de puissance
Caractéristiques de transistor GaN
[4] : https://gansystems.com/
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4.1 Choix de la technologie des composants de puissance
Boîtier du transistor GaN
[4] : https://gansystems.com/
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4.1 Choix de la technologie des composants de puissance
Inductances parasites d’un transistor GaN systems et d’un MOSFET
[4] : https://gansystems.com/
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Inductances des mailles à l’aide d’un logiciel de modélisation 3D– Importation du design 3D du PCB
– Simulation électromagnétique basée sur une résolution numérique par la méthode des moments
103
104
105
106
107
108
109
10-4
10-2
100
102
Fréquence (Hz)
Mod
ule
(Ohm
)
Maille de commutation HF : LHF2 = 2.7642nH
103
104
105
106
107
108
109
-100
-50
0
50
100
Fréquence (Hz)
Pha
se (
°)
T2
T1
via
via
C1
shunt
Conception du PCB Définition des
mailles à simuler
Extraction des valeurs des
inductances parasites
4.2 Détermination des inductances parasites du PCB
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4.2 Détermination des inductances parasites du PCB
Valeurs des inductances parasites des mailles
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4.3 Conception et réalisation d’un bras d’onduleur
Conception d’un bras d’onduleur
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Dual output gate-driver
DC bus ceramic capacitors
GaN Transistors
Vin(-)
Output (+)
Vin (+)
DC bus capacitors
Vin (+)
Power
Power
Control + Protection + Insulated power supply
4.3 Conception et réalisation d’un bras d’onduleur
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• Evaluation des pertes– Donnée d’entrée pour le dimensionnement du système de refroidissement
• Pertes par commutation– Augmentent avec le courant commute et la fréquence de découpage
– Paramètres de commutation : 60A/60V
• Pertes par conduction– Augmentent avec le courant – Augmentent avec la température de jonction
10 20 30 40 50 600
10
20
30
40
50
60
70
Courant (A)
Pui
ssan
ce d
issi
pée
(W)
Tj = 150°C
Tj = 125°C
Tj = 100°C
Tj = 75°C
Tj = 50°C
Tj = 25°C
4.4 Etude du système de refroidissement
Détermination des pertes dans le transistor GaN
f (kHz) 10 30 100
PON+OFF (W) 1 3 10
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GS61008TThermal pad dimensions5.9mm x 3.1mm
Heat Sink + Forced Air Cooling
Thermal Interface Material
Thickness Temperature BD VoltageDrop
(electrical insulation constraint is low)
4.4 Etude du système de refroidissement
[4] : https://gansystems.com/
[4]
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Détermination des paramètres thermiques
Le choix de l’épaisseur et du matériau de l’interface thermique est un paramètre important pour le dimensionnement du système de refroidissement
Valeurs calculées à partir des données du fabricant
Valeurs calculées à partir des informations du fabricant
4.4 Etude du système de refroidissement
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Un refroidissement forcé est nécessaire pour respecter la température maximale du transistor GaN
- Pertes totales de 70W sont divisées sur chaque transistor- Dimensions du radiateur est de 25mm x 25mm x 25mm
Natural Convection Forced Air Convection
THS-min = 977°C / THS-max = 1007°C THS-min = 140°C / THS-max = 170°C
4.4 Etude du système de refroidissement
Simulation thermique du système de refroidissement des GaN
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Heatsink 1 Heatsink 2 Heatsink 3
Fan of 12V, 50mmx50mm /CFM 8,84 (Heatsink 2)
Fan of 12V, 45mmx45mm /CFM 9.18 (Heatsink 1 & 3)
Better results – Rth = 4.06K/W
Le radiateur 3 permet d’obtenir une résistance thermique de 4,06K/W
8.4
W9
.4 W
4.4 Etude du système de refroidissement
Dimensionnement du radiateur
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Alimentation
commande
Alimentation
puissance
Mesure
tension
Mesure
Courant
Vers
charge
Signal
commande
4.5 Validation expérimentale
Dispositif expérimental
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Modèle du driver « LM5113 » Modèle d’un bras GaN
4.5 Validation expérimentaux
Circuit de simulation
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0 50 100 150-10
0
10
20
30
40
50
60Turn-on
Temps (ns)
VDS (V)
0 50 100 1500
20
40
60
80
100Turn-off
Temps (ns)
VDS (V)
0 50 100 150-5
0
5
10
15
20Turn-on
Temps (ns)
I D (A)
0 50 100 150-4
-2
0
2
4
6
8
10
12Turn-off
Temps (ns)
I D (A)
Shunt
Sans shunt
4.5 Validation expérimentale (50V/10A)
Influence de la mesure de courant (shunt)
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0 20 40 60 80-20
0
20
40
60Turn-on
Temps (ns)
VD
S (
V)
0 20 40 60 80-50
0
50
100Turn-off
Temps (ns)
VD
S (
V)
0 20 40 60 80-5
0
5
10
15
20Turn-on
Temps (ns)
I D (
A)
0 20 40 60 80-5
0
5
10
15Turn-off
Temps (ns)
I D (
A)
Modèle
Mesure
4.5 Validation expérimentale (50V/10A)
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4.5 Validation expérimentale (15V/30A)
0 20 40 60 80-5
0
5
10
15
20Turn-on
Temps (ns)
VD
S (
V)
0 20 40 60 80-50
0
50
100
150Turn-off
Temps (ns)
VD
S (
V)
0 20 40 60 80-10
0
10
20
30
40Turn-on
Temps (ns)
I D (
A)
0 20 40 60 80-20
0
20
40Turn-off
Temps (ns)
I D (
A)
Modèle
Mesure
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4.5 Résultats de simulation (50V/50A)
0 20 40 60 80-10
0
10
20
30
40
50
60Turn-on
Temps (ns)
VDS (V
)
0 20 40 60 800
10
20
30
40
50
60
70
80Turn-off
Temps (ns)
VDS (V
)
0 20 40 60 80-10
0
10
20
30
40
50
60Turn-on
Temps (ns)
I D (A
)
0 20 40 60 80-10
0
10
20
30
40
50
60Turn-off
Temps (ns)
I D (A
)
Sans shunt
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Electrical Characteristics
Vdc 60V
Ipk-ph 60A
Vpk-ph 50V
PF 0.85
PTOT 6750W
Convertisseur A Convertisseur B
Vdc
Moteur
5. Conception de l’onduleur intégré
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Control + Protection + Insulated power supply
71mm
47mm
Power
45mm
5. Conception de l’onduleur intégré
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- Validation du système de refroidissement des composants GaN
- Réalisation des essais sous 60A/60V à différentes fréquences de commutation
- Optimisation du système de refroidissement des composants GaN
- Conception du PCB du convertisseur DC-AC
- Réalisation du convertisseur DC-AC et validation expérimentale
- Association du convertisseur et moteur
- Réalisation des essais sur un moteur 5 phases
5. Conception de l’onduleur intégré
Prochaines étapes