Avis de Soutenance Timothé ROSSIGNOL Génie Electrique

Avis de Soutenance Timothé ROSSIGNOL Génie Electrique Soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés
Contribution à la caractérisation et à l’étude de la commande rapprochée de composants à grand gap « moyenne tension » pour onduleur de
tension. Soutenance prévue le jeudi 28 mai 2015 à 10h30
Lieu : INP­ENSEEIHT 2, rue Charles Camichel 31071 Toulouse salle ENSEEIHT, C002 Composition du jury proposé M. Frédéric RICHARDEAU
INP­ENSEEIHT
Directeur de thèse
M. Marc COUSINEAU
INP­ENSEEIHT
Co­encadrant de thèse
M. Hugues DOFFIN
RENAULT Technocentre
Co­encadrant de thèse
M. Bruno ALLARD
INSA LYON
Examinateur
M. Stéphane AZZOPARDI
Université de Bordeaux
Rapporteur
M. Stéphane LEFEBVRE
CNAM PARIS
Rapporteur
M. René ESCOFFIER
CEA LETI
Mots­clés : Composants à grand gap ,GaN,SiC,Onduleurs de tension ,Modèle comportemental de transistor GaN,Circuit Driver
Résumé : 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'auto­perturbation 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 CEA­LETI 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 celles­ci. 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.