GaN Bi-DiR WP6 13 JANVIER 2015 Anthony BIER, Stéphane CATELLANI, Jérémy MARTIN • • • • Date de démarrage : 01/06/2012 Date de fin : 31/07/2015 Laboratoire impliqué : DTS/S3E/LSPV Action financée : WP6 – Topologies convertisseurs solaires au SiC & GaN 29/01/2015 1 Objectif - Contexte Le WP6 du projet GaN-Bidir, à pour objectif la réalisation d’un convertisseur statique (onduleur) pour le photovoltaïque utilisant les interrupteurs GaN développés par le LETI Les convertisseurs couramment utilisés en photovoltaïque sont de type onduleurs de tension et utilisent des interrupteurs bidirectionnels en courant et unidirectionnel en tension (MOSFET ou assemblages IGBT+ diode à base de Si ou SiC) Historique des semi-conducteurs de puissance Les interrupteurs GaN développés au LETI dans le cadre du projet GaN-Bidir sont des interrupteurs monolithiques bidirectionnels en courant et en tension => la bidirectionnalité en tension est intéressante pour réaliser des convertisseurs de type onduleurs de courant (comportant de multiples avantages) 29/01/2015 2 Structures de convertisseur Onduleur de tension + hacheur élévateur (structure actuelle) Filtre de sortie PV ~1mH Réseau 3~ ~100µH ~1mF ~1mH Tensions réseau 3~ Calibres en tension interrupteurs 200 VRMS 600V 400 VRMS 1200V / 1700 V 690 VRMS 2400 V IK Inductances de liaison ~10µF ~10µF Hacheur élévateur Bus DC Onduleur de tension (abaisseur) Interrupteurs IK Normalement ouverts, Bidirectionnels en courant, Unidirectionnels en tension, (IGBT+diode, MOSFET) Onduleur de courant (structure retenue) ~1mH Filtre de sortie PV ~100µH Réseau 3~ VK VK Tensions réseau 3~ Calibres en tension interrupteurs 200VRMS 600 V 400 VRMS 900V / 1200 V 690 VRMS 1700V IK ~10µF ~10µF Onduleur de courant (élévateur) Interrupteurs IK Normalement fermés, Unidirectionnels en courant, Bidirectionnels en tension, (GTO symétrique) VK VK Avantages de l’onduleur de courant par rapport à l’onduleur de tension + hacheur: - Structure de conversion élévatrice directe - Sureté de fonctionnement par mise en court-circuit coté PV et ouverture coté réseau par défaut - 29/01/2015 - Suppression du hacheur, du condensateur du bus DC, des inductances de liaison et du busbar Calibres en tension des interrupteurs réduits 3 Travaux effectués Elaboration de la commande rapprochée particulière de l’onduleur de courant Pulses de commande d’un interrupteur Simulation sous PSIM du système complet (Générateur photovoltaïque, onduleur de courant, réseau électrique, commande rapprochée et éloignée) Courants PV et réseau Tension DC et PV Caractérisation par méthode double pulse des composants de puissance (MOSFET Si, MOSFET SiC et HEMT GaN) => détermination des pertes et des performances Tension commutée x Courant commuté = Pertes par commutation Circuit de caractérisation 29/01/2015 Banc d’essais Résultats de mesure 4 Travaux effectués Iload 1.2kV SiC MOSFET IK Rgext Rgint C VK G VCS S Chip current ratings @TC=25°C Rgext(Ω) Rgint(Ω) VCSon(V) VCSoff(V) Setup OFF 90A 28 18 1.1 +20 -5 40A 12A A 17A 20 0 17 +20 -5 15A 0.8A B 10A 4.5 25 +20 -5 5A 0.8A C 0 45 40 250 Commutation last (ns) 300 Switching energy (µJ) Iload ON 350 EON Iload=12A 200 EOFF 150 100 Voltage Fall time 35 30 Voltage Rise time 25 20 Iload=12A 15 10 50 5 0 0 0 100 200 300 400 500 600 0 700 100 200 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 EON Iload=0.8A EON C 400 700 B 500 600 Voltage Rise time 70 60 Iload=0.8A 50 C Voltage Rise time 40 30 Voltage Fall time B 10 EOFF 300 600 20 B C 200 500 90 EOFF 100 400 100 B 80 0 300 VK voltage (V) VK voltage (V) Commutation last (ns) Switching energy (µJ) 1.2kV SiC Schottky Diode C 0 700 0 100 200 300 400 500 600 700 VK voltage (V) VK voltage (V) 29/01/2015 5 Travaux effectués Ondes de courant sinusoïdales triphasées L’onduleur de courant à pour but d’injecter des ondes de courant sinusoïdales basse fréquence (BF 50Hz) sur chacune des phases du réseau électrique en modulant le courant continu en entrée à haute fréquence (HF 10-100 KHz) Une période d’ondes de courant BF peut être divisée en 6 secteurs selon les signes (ou sens) des courants à injecter, la somme des trois courant IA,IB, et IC étant toujours nulles à un instant donné. La loi de commande des interrupteurs est adaptée selon le secteur A IA positif IB négatif IC positif 29/01/2015 B C D E F IA positif IB négatif IC négatif IA positif IB positif IC négatif IA négatif IB positif IC négatif IA négatif IB positif IC positif IA négatif IB négatif IC positif 6 Travaux effectués Commutateur de courant triphasé pour module photovoltaïque spécial 200 W – 300 VMPP Caractéristiques au point de fonctionnement nominal (MPP) : • Fréquence de commutation : 100 kHz • Puissance : 200 W • Tension PV : 300 V • Courant PV : 0,67 A • Tension AC entre lignes : 400 VRMS • Courant AC par ligne : 0,29 ARMS Condensateurs – entrée PV Condensateurs – sortie AC (source de tension du CSI) Inductances – sorties AC Capteurs et traitements des signaux Inductances – entrée PV (source de courant du CSI) K1 K2 K3 K4 K5 K6 MOSFET SIC 1,2 kV + diodes Schottky SIC 1,2 kV Drivers des pulses de commande des MOSFET 29 cm 29/01/2015 Jalon DRT – décembre 2014 7 Travaux effectués IA Courants alternatifs triphasés Sinusoïdes 50 Hz générées en sortie du CSI sur charges résistives Tensions commutées Pas de surtension au blocage Mode GTO symétrique en tension IB IC 0,02 s Tension commutée interrupteur K1 Valeur positive tenue par le transistor -VAB VCA -VBC 0V VAB Tension commutée interrupteur K3 Valeur négative tenue par la diode 5 µs Rendements calculés au point de fonctionnement nominal à 100 kHz = 97% • Rendement des semi-conducteurs de puissance : • Rendement des semi-conducteurs de puissance et des circuits drivers : 29/01/2015 > 95% Jalon DRT – décembre 2014 8 Travaux à venir Réalisation d’un onduleur de courant complet à base d’interrupteurs en SiC (Jalon Décembre – décembre 2014) Réalisation d’un onduleur de courant complet à base d’interrupteurs en GaN (Jalon Projet – avril 2015) Brevets en cours : Structure particulière d’onduleur de courant utilisant le HEMT GaN bidirectionnel (DD15201 équipe LITEN) Interrupteur universel en GaN (DD15676 commun équipes LETI – LITEN) Publication futures: PCIM 2015 , ORAL : « Characterization of 1.2kV Silicon Carbide (SiC) semi-conductors in hard switching mode for three-phase Current Source Inverter (CSI) prototyping in solar applications » Partenariat industriel envisagé : SOCOMEC, LEGRAND, ALSTOM Valorisation Perspectives Collaborations LETI – LITEN : Caractérisation d’interrupteurs GaN 600V Développement de convertisseurs complet en GaN Développement de modules photovoltaïques électroniques (convertisseurs et autres fonctions, intégrés au module photovoltaïque) (DTS/LMPV) Commutateur de courant haute tension à interrupteurs SiC 10kV (PV3000) (DTS/LMPV & DTS/LSPV) Mise en œuvre, dans les convertisseurs, d’inductances et de dissipateurs thermiques spéciaux issus du projet Carnot MATGaN (DTNM/DTS/DEHT) 29/01/2015 9