Wide Input Voltage Range Converter, Using GaN transistor in soft switching mode, for Space applications
Convertisseur isolé à large plage de tension d'entrée, utilisant des transistors GaN en commutation douce, pour applications spatiales
Résumé
This thesis deals with the development of an isolated wide range input voltage converter for a space application. The input voltages vary by a factor close to 6 (20 to 110V) in order to adapt this converter to all existing satellite distribution architectures. In consideration of generating an isolated secondary bus for local power distribution to digital systems, the output voltage is fixed at 3.3V and the maximum power at 50W. The constraints raised by this system are thus multiple. On the one hand, the strong variations of input voltage, output current and the strong ratio of down conversion are electrical difficulties which are highlighted by the strongly constrained environment (radiations and charged particles, temperatures, reliability/lifetime). On the other hand, volume and weight not only affect the thermal (and thus the efficiency) but also the choice of conversion topology and frequencies. In response to this problem, two topologies have been studied. The first one is based on a variation of the FLYBACK ACQR in which the operating modes have been detailed. A dimensioning based on GaN transistors has been proposed and implemented as well as all the necessary components for the final realization. A detailed experimental characterization allied to theoretical laws allowed to identify the distribution of the losses in the cell and thus to propose optimization axes of the converter. In this sense, an optimization of the choice of the components based on precise models allowed to propose a theoretical dimensioning reducing the losses of more than 30 %. The second topology is based on an innovative LLC-PS topology which has been patented. The different operating modes and a theoretical dimensioning is proposed.
Cette thèse traite du développement d’un convertisseur isolé grande plage de tension d’entrée pour une application spatiale. Les tensions d’entrée varient d’un facteur proche de 6 (20 à 110V) afin de pouvoir adapter ce convertisseur à toutes les architectures de distribution satellitaires existantes. Afin de générer un bus secondaire isolé permettant la distribution locale d’énergie à des systèmes numériques, la tension de sortie est fixée à 3.3V et la puissance maximale à 50W. Les contraintes soulevées par ce système sont donc multiples. D’une part, les fortes variations de tension d’entrée, courant de sortie et le fort ratio d’abaissement sont des difficultés électriques qui sont mises en exergue par l’environnement fortement contraint ( radiations et particules chargées, températures, fiabilité/durée de vie). D’autre part, le volume et le poids agissent non seulement sur la thermique (et donc le rendement) mais aussi sur le choix de la topologie de conversion et les fréquences. En réponse à cette problématique, deux topologies ont été étudiées. La première se base sur une déclinaison de la FLYBACK ACQR dans laquelle les modes de fonctionnement ont été détaillés. Un dimensionnement basé sur des transistors GaN a été proposé et mis en œuvre ainsi que tous les organes nécessaires à la réalisation finale. Une caractérisation expérimentale détaillée alliée à des lois théoriques ont permis de remonter à la distribution des pertes dans la cellule et donc de proposer des axes d’optimisation du convertisseur. Dans ce sens, une optimisation du choix des composants basée sur des modèles précis ont permis de proposer un dimensionnement théorique réduisant les pertes de plus de 30%. La seconde topologie s’appuie quant à elle sur une topologie LLC-PS novatrice qui a fait l’objet d’un dépôt de brevet. Les différents modes de fonctionnement et un dimensionnement sont proposés de façon théorique.
Domaines
Autre
Origine : Version validée par le jury (STAR)