Convertisseurs continu-continu non isolés à haut rapport

En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité :
Génie Électrique
Présentée et soutenue par :
M. NICOLAS VIDEAU
le lundi 5 mai 2014
Titre :
Unité de recherche :
Ecole doctorale :
CONVERTISSEURS CONTINU-CONTINU NON ISOLES A HAUT
RAPPORT DE CONVERSION POUR PILES A COMBUSTIBLE ET
ELECTROLYSEURS - APPORT DES COMPOSANTS GaN
Génie Electrique, Electronique, Télécommunications (GEET)
Laboratoire Plasma et conversion d'Energie (LAPLACE)
Directeur(s) de Thèse :
M. THIERRY MEYNARD
M. GUILLAUME FONTES
Rapporteurs :
M. FRANÇOIS COSTA, UNIVERSITE PARIS 12
M. NADIR IDIR, UNIVERSITE LILLE 1
Membre(s) du jury :
1
M. FRÉDÉRIC MORANCHO, UNIVERSITE TOULOUSE 3, Président
2
M. GUILLAUME FONTES, INP TOULOUSE, Membre
2
M. OLIVIER VERDU, SOCIETE HELION, Membre
2
M. THIERRY MEYNARD, INP TOULOUSE, Membre

I
Résumé
Face aux enjeux énergétiques d’aujourd’hui et de demain, le développement des énergies
renouvelables semble inéluctable. Cependant, la production électrique de sources
renouvelables prometteuses comme le photovoltaïque ou l’éolien est intermittente et
difficilement prévisible du fait de la dépendance de ces sources aux conditions
météorologiques. Afin de s’affranchir du caractère discontinu de la production d’électricité et
de l’inadéquation de la production avec la consommation, un moyen de stockage de l’énergie
électrique est nécessaire. Dans ce contexte, la batterie hydrogène est une des solutions
envisagées. Lors de périodes de surproduction d’énergie renouvelable, un électrolyseur
produit de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. Lorsque cela est nécessaire, une pile à
combustible fournit de l’électricité à partir du gaz stocké. Couplé avec des sources d’énergie
renouvelable, la batterie hydrogène produit de l’énergie électrique non carbonée, c’est-à-dire
non émettrice de gaz à effet de serre. L’intérêt majeur de cette technologie est le découplage
entre l’énergie et la puissance du système. Tant que la pile à combustible est alimentée en gaz,
elle fournit de l’électricité, l’énergie dépend des réservoirs de gaz. La puissance, quant à elle,
dépend des caractéristiques des composants électrochimiques et du dimensionnement des
chaînes de conversions de puissance.
Les chaînes de conversion de puissance relient les composants électrochimiques au réseau
électrique. Dans le cas de la chaîne de conversion sans transformateur qui est ici envisagée, la
présence d’un convertisseur DC-DC à haut rendement à fort ratio de conversion est rendue
nécessaire de par la caractéristique basse tension fort courant des composants
électrochimiques. Avec pour but principal l’optimisation du rendement, deux axes de
recherche sont développés. Le premier axe développe un convertisseur multicellulaire
innovant à haut rendement à fort ratio de conversion. Les résultats expérimentaux du
convertisseur appelé « miroir » obtenus dans deux expérimentations ont démontré la
supériorité de cette topologie en terme d’efficacité énergétique par rapport aux convertisseurs
conventionnels. Le deuxième axe porte sur de nouveaux composants de puissance en nitrure
de gallium (GaN) annoncés comme une rupture technologique. Un convertisseur buck multi-
phases illustre les défis technologiques et scientifiques de cette technologie et montre le fort
potentiel de ces composants.
Titre de la thèse :
Convertisseurs continu-continu non isolés à haut rapport de conversion pour Piles à
Combustible et Electrolyseurs - Apport des composants GaN
Mots clés :
• Batterie hydrogène
• Association pile à combustible et électrolyseur
• Convertisseurs DC-DC multicellulaires
• Convertisseurs Miroir
• Composants de puissance en nitrure de gallium (GaN)
• Convertisseur buck 5 phases avec transistors en nitrure de gallium

II

III
Abstract
Development of renewable energy seems inevitable to face the energy challenge of today
and tomorrow. However, the power generation of promising renewable sources such as solar
or wind power is intermittent and unpredictable due to the dependence of the these sources to
the weather. In order to overcome the discontinuous nature of the electricity production and
the mismatch between production and consumption, electrical energy storage is needed. In
this context, hydrogen battery is one of the solutions. During periods of overproduction of
renewable energy, an electrolyzer produces hydrogen gas by the electrolysis of water. When
necessary, a fuel cell provides electricity from the stored gas. Coupled with renewable energy
sources, the hydrogen battery produces carbon-free electricity, i.e. without any greenhouse
gas emission. The major advantage of this technology is the decoupling between energy and
power system. As long as the fuel cell is supplied with gas, it supplies electricity. Like so, the
energy depends on the gas tanks and the system power depends on the characteristics of
electrochemical components and the design of the power conversion chain.
Power converters connect electrochemical components to the grid. In the case of the
transformerless conversion system introduce here, a high efficiency high voltage gain DC-DC
converter is required given the high-current low-voltage characteristic of electrochemical
components. Since the main goal is to optimize the efficiency, two research approaches are
developed. The first develops an innovating multicell converter with high efficiency at high
voltage conversion ratio. The experimental results of the “mirror” converter obtained in two
experiments have demonstrated the superiority of this topology in terms of energy efficiency
compared to conventional converters. The second line of research focuses on new gallium
nitride (GaN) transistors heralded as a disruptive technology. A multiphase buck converter
illustrates the technological and scientific challenges of this technology and shows the
potential of these transistors.
Thesis title:
Non-isolated high voltage ratio DC-DC converter for fuel cell and electrolyzer - GaN
transistors
Keywords:
• Hydrogen battery
• Fuel cell and electrolyzer association
• Multicell DC-DC converters
• Mirror converters
• Gallium nitride (GaN) power transistors
• 5-phase interleaved buck converter with gallium nitride transistors

IV