Optimization of GaN-based Series-Parallel Multilevel Three-Phase Inverter for Aircraft applications

Optimisation d'un onduleur triphasé multiniveau série-parallèle à base de GaN pour les applications aéronautiques L'électrification des moyens de transport est une réalité qui s'est imposée au fil des ans. L'impact socio-environnemental de l’usage de combustibles fossiles et son potentiel risque d’épuisement ont guidé les efforts de développement de la consommation d'énergie durable. Le domaine aérospatial s'est fixé des objectifs ambitieux en matière de limitation des émissions de gaz polluants, conduisant à de nouveaux concepts et architectures de systèmes dans plusieurs secteurs. Le remplacement des systèmes lourds, tels que les systèmes mécaniques, pneumatiques et hydrauliques avec leurs équivalents électriques réduit le poids et la consommation de carburant des avions. Plusieurs projets ont été conçus au cours des dernières décennies visant le remplacement de ces systèmes par de nouvelles technologies.Ainsi, cette thèse présente une conception optimisée d'un convertisseur DC-AC (tous filtres inclus) avec une densité de puissance gravimétrique supérieure à 8 kW/kg et un rendement supérieur à 98,5 % pour une chaine électromécanique de 70 kVA d’un avion plus électrique (MEA). Parmi les différentes topologies d'onduleurs et technologies de semi-conducteurs, un onduleur triphasé à 7 niveaux, composé de trois branches en parallèle d'une topologie à condensateurs flottants 3 niveaux par phase avec 4 HEMT GaN en parallèle par commutateur, a été sélectionné pour être construit. Le prototype présente environ 14 litres et 10 kg (il comprend des filtres, la structure métallique et une carte de commande). Le poids mesuré est supérieur de moins de 4 % à la solution proposée en simulation ce qui corrobore la précision des modèles utilisés dans la procédure d'optimisation. Un convertisseur traditionnel à 2 niveaux utilisant des composants actifs 1200 V pour les mêmes conditions de fonctionnement est 74 % plus lourd que l’onduleur à 7 niveaux, avec une densité de puissance 43,4 % inférieure à la topologie à plusieurs niveaux. Le bras d’onduleur (condensateurs flottants trois niveaux avec 4 GaN en parallèle par commutateur) a été largement exploré, et la solution a atteint près de 99,2 % de rendement mesuré à 38 A / 5,8 kW à la sortie du convertisseur (test en configuration Buck DC-DC) et 98,8 % dans le test en onduleur monophasé à 42 A / 6,6 kW, tous les deux à 40 kHz avec une charge RL (résistance + inductance). La vérification expérimentale de l'ensemble du convertisseur triphasé a conduit à un rendement de 98,6 % à 24,6 kVA (flf = 240 Hz, fsw = 40 kHz and Mi = 0,76). En raison des courants de circulation entre les bras en parallèle, le fonctionnement sûr de l'onduleur a été limité à 500 V/38 kVA/87 A (70 kVA/130 A condition nominale) avec contrôle en boucle ouverte. En ce qui concerne la modélisation EMI, cette thèse a proposé un modèle générique de circuit équivalent de convertisseur multiniveau avec une bonne correspondance jusqu'à 5 à 6 MHz (soutenu par des résultats expérimentaux) et certainement aidera la conception prédictive du filtre EMI.