Convertisseurs VHF à transistor GaN : défis, réalisations et perspectives

Avec les nouvelles avancées de la technologie GaN, une tendance à augmenter la fréquence de commutation dans les convertisseurs de puissance apparaît. La commutation à très haute fréquence (VHF : 30 MHz-300 MHz) permet d’obtenir des composants passifs plus petits et des convertisseurs de puissance plus compacts. Des topologies adaptées au fonctionnement VHF telles que l'onduleur classe Φ2 ont déjà été présentées et leurs vertus ont été démontrées dans diverses applications industrielles dont le transfert de puissance sans fil et la gravure plasma.La classe Φ2 est une topologie d’onduleur mono-interrupteur à faible contrainte en tension sur le composant semi-conducteur et à transitoire rapide, adaptée aux applications à très haute fréquence. Nous commençons ici par évaluer sa sensibilité aux tolérances des composants et aux éléments parasites des PCB en VHF et nous étudions l'impact du facteur de qualité de ses composants passifs (inductances, condensateurs) sur son rendement.Par ailleurs, bien que les composants GaN soient capables de commuter à des dizaines de mégahertz, les « gate drivers » commerciaux peuvent avoir du mal à fournir le signal de commutation adéquat en VHF. Afin de surmonter ce problème, nous présentons ici deux topologies d'onduleurs auto-oscillants basés sur un onduleur classe Φ2 : la Φ2 free-running et la Φ2 drain-tapped. Dans ces topologies auto-oscillantes, le signal de drain ou le signal de sortie est prélevé et réinjecté dans un circuit de rétroaction résonnant afin de générer un signal de commutation au niveau de la grille du transistor. Nous fournissons une méthode quantitative pour la conception de ces topologies et nous la vérifions par simulation à l'aide de LTSpice. Nous analysons ensuite les performances de ces topologies et démontrons leur utilisation comme premier étage d’un convertisseur VHF DC / DC.Enfin, nous construisons plusieurs prototypes afin de valider nos modèles de simulation et d'identifier les défis liés à l'implémentation de convertisseurs VHF.