G2 - Institut Carnot Energies du Futur

129/01/2015
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

229/01/2015
Objectif - Contexte
Le WP6du 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)
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)
Historique des semi-conducteurs de puissance

329/01/2015
Structures de convertisseur
Tensions
réseau 3~
Calibres en tension
interrupteurs
200 VRMS 600V
400 VRMS 1200V / 1700 V
690 VRMS 2400 V
Tensions
réseau 3~
Calibres en tension
interrupteurs
200VRMS 600 V
400 VRMS 900V / 1200 V
690 VRMS 1700V
~10µF
~100µH
~1mH
~10µF
PV
Onduleur de courant
(élévateur)
Filtre de sortie Réseau 3~
Interrupteurs
Normalement ouverts,
Bidirectionnels en courant,
Unidirectionnels en tension,
(IGBT+diode, MOSFET)
Interrupteurs
Normalement fermés,
Unidirectionnels en courant,
Bidirectionnels en tension,
(GTO symétrique)
-Structure de conversion élévatrice directe
-Sureté de fonctionnement par mise en court-circuit coté PV et ouverture
coté réseau par défaut
-Suppression du hacheur, du condensateur du bus DC, des inductances
de liaison et du busbar
-Calibres en tension des interrupteurs réduits
Avantages de l’onduleur de courant par rapport à l’onduleur de tension + hacheur:
Onduleur de tension + hacheur élévateur (structure actuelle)
Onduleur de courant (structure retenue)
PV
Hacheur élévateur Onduleur de tension
(abaisseur)
Bus
DC
Filtre de sortie Réseau 3~
~10µF
~100µH
~10µF
~1mH ~1mF ~1mH
Inductances
de liaison
IK
VK
IK
VK
IK
VK
IKVK

429/01/2015
Elaboration de la commande rapprochée particulière de l’onduleur de courant
Travaux effectués
Simulation sous PSIM du système complet (Générateur photovoltaïque, onduleur de
courant, réseau électrique, commande rapprochée et éloignée)
Caractérisation par méthode double pulse des composants de puissance (MOSFET Si,
MOSFET SiC et HEMT GaN) => détermination des pertes et des performances
Tension commutée
Courant commuté
Pertes par commutation
x
=
Circuit de caractérisation Banc d’essais
Résultats de mesure
Tension DC et PV
Courants PV et réseau
Pulses de commande
d’un interrupteur

529/01/2015
Travaux effectués
IK
VK
Iload
1.2kV SiC
MOSFET
1.2kV
SiC
Schottky
Diode
Iload Setup
Chip current
ratings
@TC=25°C
90A 40A 12A A
17A 15A 0.8A B
10A 5A 0.8A C
G
S
C
VCS
Rgint
Rgext
Rgext(Ω)Rgint(Ω)VCSon(V) VCSoff(V)
ON OFF
28 18 1.1 +20 -5
20 0 17 +20 -5
4.5 0 25 +20 -5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 100 200 300 400 500 600 700
Commutation last (ns)
VK voltage (V)
Voltage Fall time
Voltage Rise time
Iload=12A
0
50
100
150
200
250
300
350
0 100 200 300 400 500 600 700
Switching energy (µJ)
VKvoltage (V)
EON
EOFF
Iload=12A
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 100 200 300 400 500 600 700
Commutation last (ns)
VKvoltage (V)
B
B
C
C
Voltage Rise time
Voltage Rise time
Iload=0.8A
Voltage Fall time
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 100 200 300 400 500 600 700
Switching energy (µJ)
VKvoltage (V)
B
C
B
C
Iload=0.8A
EON
EOFF
EON
EOFF