Soutenance de thèse de Cédric MATHIEU DE VIENNE

Soutenance

Composition du jury : 

• M. Nicolas GINOT, Professeur, Université de Nantes, Rapporteur
• M. Marc COUSSINEAU, Maitre de conférences, INP Toulouse, Rapporteur
• M. Yves LEMBEYE, Professeur, Université Grenoble Alpes, Examinateur
• M. Pierre LEFRANC, Maitre de conférences, Université Grenoble Alpes, Directeur de thèse

Résumé :

L'architecture du réseau électrique actuel est bouleversée par l'arrivée massive des énergies renouvelables et de l'électrification de divers secteurs, ce qui crée de nouveaux défis pour le réseau. Les technologies à courant continu moyenne tension (MVDC - Medium Voltage Direct Current) représentent un potentiel important pour la transformation des réseaux électriques en raison de leur meilleur rendement, leurs densités de puissance supérieure, leurs infrastructures moins coûteuses et leurs empreintes carbone réduites.

Les travaux de cette thèse se concentrent sur l'étude et la réalisation de composants haute tension par mise en série de MOSFETs en carbure de silicium (SiC), contribuant à rendre possible la réalisation de convertisseurs de puissance MVDC de quelques dizaines de kilovolts. L'exploitation de composants semi-conducteurs en SiC permet de gagner en rendement et compacité. Toutefois, les vitesses de commutation, sensiblement plus importantes qu'avec des composants silicium, rendent l'équilibrage des tensions encore plus difficiles. Il s'agit du verrou technologique principal de la mise en série.

Pour cette raison, les mécanismes sous-jacents expliquant les déséquilibres ont été analysés théoriquement ainsi que sur base d'un prototype haute tension. Suite à l'étude des solutions classiques d'équilibrage, impactant significativement les performances en commutation, des solutions d'équilibrages actives sont proposées et évaluées. Les résultats de simulation et expérimentaux montrent la faisabilité et les performances élevées, pour un niveau de complexité relativement raisonnable, de la solution d'équilibrage par ajustement des instants de commutation à l'ouverture. 

Abstract:

The electrical grid architecture is being disrupted by the massive deployment of renewable energy and electrification in various sectors, creating new challenges for the current AC grid. Medium Voltage Direct Current (MVDC) technologies offer a considerable opportunity for the transformation of the electrical grid due to their superior efficiency, higher power density, cost-effective infrastructure, and reduced carbon footprint.

This thesis focuses on the study and development of high-voltage components using series-connected silicon carbide (SiC) MOSFETs, contributing to the realization of MVDC power converters of several tens of kilovolts. The use of SiC semiconductor components allow for improved efficiency and compactness. However, the significantly higher switching speeds compared to silicon components make voltage balancing more difficult, which is the main challenge with series connection.

Therefore, the underlying mechanisms explaining imbalances have been analyzed theoretically and based on a high-voltage prototype. After studying standard voltage balancing passive solutions, which significantly impact switching performance, active balancing solutions are proposed and evaluated. Simulation and experimental results demonstrate the feasibility and high performances, for a relatively reasonable level of complexity, of the active voltage balancing solutions by adjusting the turn-off delays.