Stage : conception d'un bras d'onduleur multiniveau série en gan pour le bus 800v f-h

Job Description

Le concept d'aéronef tout électrique (MEA) suscite un intérêt croissant dans l'industrie aéronautique. Il favorise le remplacement des composants mécaniques, pneumatiques et hydrauliques par des systèmes électriques, nécessitant une refonte de l'architecture de distribution de puissance. De nombreux concepts de MEA envisagent une distribution haute tension en courant continu (540 VDC ou 800 VDC) pour les charges principales tout en conservant le réseau traditionnel en 28 VDC pour les charges les plus critiques telles que les électroniques de commande. Dans ce contexte, l'alimentation des circuits auxiliaires réalisée par un convertisseur 800 VDC/28 VDC devient une problématique essentielle, notamment pour alimenter les unités de commande de grille (gate drivers), l'électronique de contrôle, les capteurs et les circuits de protection… Cette alimentation auxiliaire doit être isolée électriquement et adaptée aux contraintes des applications haute tension (HT), où le potentiel de référence n'est souvent pas la masse mais une tension élevée ou directement le bus DC.

Augmentation de la densité de puissance des électroniques de conversion repose sur l'association de la commutation douce et de l'augmentation des fréquences de découpage avec l'utilisation croissante des semi-conducteurs à large bande interdite (Wide Bandgap - WBG), tels que les HEMTs en nitrure de gallium (GaN). Ces composants permettent des vitesses de commutation très élevées, atteignant jusqu'à 100 V/ns. Cependant, leur calibre en tension est limité à 650V. Toutefois, du fait des dV/dt et di/dt élevés, les inductances parasites des pistes de circuits imprimés (PCB) deviennent critiques pour assurer une opération sécurisée des interrupteurs en GaN, en limitant les surtensions sur le drain et la source, le bruit EMI et les pertes de commutation, surtout à haute fréquence de commutation. Pour répondre à ces exigences, l'utilisation d'un convertisseur DC/DC isolé intégrant un bras flying capacitor GaN apparaît comme une solution prometteuse, l'association en série des transistors GaN permettant d'adresser un bus 800 VDC. Cette approche est efficacement mise en œuvre dans différents types de convertisseurs car elle permet de réduire le stress sur les composants semi-conducteur de puissance, d'abaisser la fréquence de commutation (qui est inférieure à la fréquence de fonctionnement des composants magnétiques) et de réduire le rapport de transformation du convertisseur.

Le développement d'un convertisseur DC/DC haute fréquence (supérieur à 1 MHz) tout en optimisant les éléments parasites de la boucle de commutation de puissance et de commande devient donc très critique. Cette problématique est d'autant plus complexe pour les topologies multiniveaux en série, où la boucle de puissance est définie par plusieurs cellules de commutation.

Complementary Description

Objectif du stage :

Sur la base des travaux en cours à Safran Tech et d'une revue de la littérature scientifique, l'objectif principal du stage est la conception, modélisation et la caractérisation d'un bras flying capacitor multiniveau en GaN pour un convertisseur DC/DC 800V/28V isolé à fort ratio et haute fréquence (supérieur
MHz), avec une attention particulière portée au routage des PCB de puissance.

Les attentes du stage incluent :

•Une étude approfondie des architectures de convertisseurs multiniveaux série en GaN.
•Une analyse des éléments parasites dans les différentes boucles de commutation et leur impact sur les performances dynamiques des convertisseurs.
•Une investigation des stratégies de pilotage des interrupteurs et d'optimisation du routage PCB pour améliorer les performances à haute fréquence.

Travail à réaliser :

•Revue bibliographique des architectures de convertisseurs multiniveaux en GaN.
•Modélisation du PCB et simulation électromagnétique afin de déterminer les éléments parasites.
•Simulation du circuit en intégrant les éléments parasites, étude de leur influence sur les performances du circuit. et validation expérimentale.
•Identification des paramètres critiques pour la conception d'un prototype de bras flying capacitor multiniveau haute fréquence
•Rédaction d'un rapport d'essais et de synthèse du stage.

Job Requirements

Profil candidat :

Etudiant(e) en électronique ou génie électrique en césure (ou Master 2 avec ce sujet adapté) ayant déjà réalisé une ou plusieurs cartes électroniques dans le cadre d'un projet. Un module d'initiation à l'électronique de puissance au cours du cursus serait un atout. Une approche pratique mais rigoureuse sera appréciée au cours de ce stage.