Dans un contexte économique et politique qui promeut l’usage des véhicules électriques, depuis 2011 le groupe Renault propose une gamme de véhicules tout électrique. Les modèles les plus puissants utilisent un onduleur dédié à la traction électrique d’une puissance de l’ordre de 60kW à 70kW (bus DC 400V). Ce convertisseur statique doit évidemment, comme tout système de puissance embarqué, être caractérisé par un haut rendement énergétique, une grande robustesse et un haut niveau de fiabilité dans toutes les phases de fonctionnement du véhicule.
Parallèlement, le domaine de l’électronique de puissance connaît aujourd’hui une révolution avec la mise sur le marché d’interrupteurs de puissance à « grand gap » tel que le Carbure de Silicium (SiC, gamme : 600V, 1200V et 1700V) et plus récemment le Nitrure de Gallium (GaN, jusqu’à 600V). Ces composants sont caractérisés par des commutations en tension (dv/dt) et en courant (di/dt) extrêmement rapides mais également une tenue en température nettement supérieure à 175°C. Ces caractéristiques offrent la perspective de pouvoir réaliser des convertisseurs à meilleur rendement, permettant d’obtenir un gain significatif sur l’autonomie du véhicule électrique, mais également des convertisseurs plus compacts, facilitant ainsi leur intégration au sein du véhicule. Cependant, ces commutations « extrêmes » sont source de perturbations et d'auto-perturbation très sévères surtout en configuration onduleur.
Ainsi, basés sur un partenariat entre le laboratoire LAPLACE de Toulouse et le Technocentre de RENAULT à Guyancourt, les travaux de thèse ont adressé trois problématiques majeures.
Premièrement, l’analyse détaillée des phénomènes de commutation d'une cellule onduleur. Ces travaux ont permis l’établissement de modèles analytiques simples. Ces modèles, à partir des grandeurs physiques principales et linéarisées des composants ainsi que des paramètres fonctionnels du driver, permettent une prédétermination directe des dv/dt et di/dt sur toute la plage de fonctionnement de l'onduleur.
La deuxième problématique concerne la caractérisation de ces nouveaux composants. Deux campagnes de mesure ont été menées à bien. D’abord sur un MOSFET SiC 1200V de chez CREE, ensuite sur un module HEMT GaN de première génération issu de la filière prototype du CEA-LETI de Grenoble. Les résultats ont permis l’élaboration d’un modèle comportemental statique et dynamique, sous forme d'éléments de circuits de type PSPICE, dédié à l’utilisation des transistors HEMT GaN dans un onduleur de tension. L'intérêt de ce modèle réside dans sa capacité à reproduire le fonctionnement en conduction inverse dans les deux cas de polarisation de grille (VGS > VGTH et VGS < VGTH) tel que rencontré systématiquement dans un bras d'onduleur.
Finalement, la troisième problématique concerne la commande rapprochée de ces composants. Sur la base des travaux de modélisation analytique des commutations, le travail réalisé comprend la proposition et le test de stratégies d’optimisation et de contrôle, actif ou passif de celles-ci. Deux approches de réglage passif ont ainsi pu être comparées en termes de compromis dv/dt – Energies de commutation, l'une globale et classique par la résistance de grille du driver ; l'autre plus sélective par l'intégration d'un condensateur entre grille et drain des composants. Cette seconde méthode pouvant entrainer une énergie de commutation, à dv/dt donné, jusqu’à 18% plus faibles. Une dernière approche, active cette fois, a été étudiée et testée en simulation. Sur le principe, le circuit proposé consiste en une limitation du di/dt, sans influencer sur le dv/dt. La boucle de contrôle utilise la tension qui apparaît aux bornes de l’inductance de source durant la commutation du courant pour activer un transistor auxiliaire qui amène ou détourne des charges sur la grille du transistor de puissance, afin de réaliser in fine un contrôle « temps réel » du di/dt. |
In an economic and political climate that promotes the use of electric vehicles, since 2011 Renault offers a range of EVs. The powerful models are based on an electrical architecture of 60 kW to 70 kW traction inverters and a 400V DC BUS. The static converters used, as in every embedded power system, must have high energetic yield, high robustness and high reliability during every operating phase of the vehicle.
At the same time, the power electronics field is currently undergoing a technical revolution. New wide-band gap power devices, such as Silicon Carbide (SiC, in the range of 600V, 1200V and 1700V) and Gallium Nitride (up to 600V), are available on the market. Those components are characterized by both voltage (dv/dt) and current (di/dt) high speed switching, and also by operating temperatures above than 175°C. These characteristics not only offer the prospect of achieving better performance converters, obtaining a significant gain on the autonomy of electric vehicles, but also more compact converters, facilitating their integration into the vehicle. However, these extreme switching are sources of issues, especially in the inverter topologies.
Thus, based on a partnership between the LAPLACE Laboratory in Toulouse and RENAULT Technocentre in Guyancourt, three main problematic areas were addressed by this PhD research.
First of all, there was a detailed analysis of the switching phenomena in an inverter switching cell. This work enabled the establishment of simple analytical models. These models allow, from the principal physical and linearized quantities of the components and from the functional parameters of the driver, direct predetermination of dv/dt and di/dt across the inverter operating range.
The second topic deals with the characterization of these new power devices. A 1200V Cree SiC MOSFET and a first generation GaN HEMT power module from the prototype chain of CEA-LETI in Grenoble have been characterized in static and dynamic operation in both reverse and direct conduction mode. The results allowed the development of a static and dynamic behavioral model, using PSPICE type circuit elements, dedicated to the use of GaN HEMT transistors in a voltage inverter. The advantage of this model is its ability to emulate the reverse conduction in both gate bias cases (VGS>VGTH and VGS The third topic related to the gate drive operation of these components was based on the analytical modeling of the switching process. The work includes the proposal and test optimization of active or passive gate drive strategies. Two passive adjustment approaches could thus be compared in terms of dv/dt - Switching Energies trade-off, one overall and classic by the gate driver resistance ; another more selective by including a capacitor between the gate and drain of the components. This second method, for a specified dv/dt, may cause a switching energy loss saving of up to 18%. A final active method has been studied and tested via simulation. In principle, the proposed circuit consists of a limitation of di/dt, without influencing the dv/dt. The control loop uses the voltage that appears across the source inductance during switching of the current to activate an auxiliary transistor which brings or takes electric charges to and from the power transistor gate in order to ultimately obtain a di/dt real-time control. |