G2 - Institut Carnot Energies du Futur

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)
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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
-
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-
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
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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)
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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
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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 :
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> 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)
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