Soutenance de thèse de Kubilay Sahin

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Résumé : Cette thèse, réalisée dans le cadre d’un doctorat industriel en collaboration avec le partenaire industriel Studer Innotec SA, examine l’impact de nouvelles stratégies de modulation Zero Voltage Switching (ZVS) sur l’efficacité globale des convertisseurs GaN Dual Active Bridge (DAB), en comparaison avec les stratégies de modulation triangulaire et trapézoïdale conventionnelles, qui utilisent également le Zero Current Switching (ZCS). L’objectif est d’améliorer l’efficacité du convertisseur, notamment à des fréquences de commutation élevées, ce qui est essentiel pour l’électronique de puissance moderne.
À travers une analyse complète des stratégies de modulation de pointe avec un focus sur les ZVS, il a été constaté que les stratégies existantes pour les convertisseurs DAB ne couvrent l’ensemble de la plage de fonctionnement avec ZVS que si la fréquence de commutation est modifiée ou si l’inductance de magnétisation du transformateur est spécialement conçue. Cela conduit à des conceptions de transformateurs plus complexes et coûteuses, augmentant à la fois les pertes et les efforts de conception.
Pour résoudre ce problème, de nouvelles stratégies de modulation ont été développées, se concentrant sur la tension effective appliquée à la bobine, qui façonne directement le courant de la bobine. Cette approche offre une alternative plus flexible et efficace à la modulation conventionnelle par décalage de phase triphasé (TPS), qui ajuste uniquement le rapport cyclique et le décalage de phase des tensions.
Un prototype DAB avec des FET GaN a été construit, et des bobines à haute fréquence et des transformateurs avec des fils Litz ont été conçus pour tester ces stratégies. Les calculs de modulation ont été implémentés sur un microcontrôleur STM32H7 et générés avec un FPGA. De plus, des algorithmes de régulation ont été développés pour éviter la saturation du transformateur lors du démarrage et lors des changements transitoires du point de fonctionnement. Des algorithmes empiriques ont également été utilisés pour corriger les erreurs de modélisation des courants de bobine dues au temps mort.
Les résultats montrent que les nouvelles stratégies de modulation ZVS pour le DAB, en fonction de la combinaison bobine/transformateur utilisée, réduisent non seulement les pertes de commutation, mais améliorent également les pertes de conduction et de noyau. La recherche révèle également que pour maximiser l’efficacité, il ne suffit pas d’optimiser les pertes de commutation, mais aussi les pertes du transformateur et de la bobine (y compris les pertes cuivre et noyau) et le routage des cartes de circuits imprimés. Un avantage pratique clé de l’efficacité accrue est la réduction du besoin de refroidissement actif. Cela est particulièrement avantageux dans des environnements avec de l’air sale, car cela empêche la poussière d’être aspirée dans l’appareil. De plus, le dissipateur thermique plus petit nécessaire permet une conception plus compacte. En plus de fournir des informations sur les stratégies de modulation, ce travail apporte des connaissances pratiques précieuses sur le contrôle des FET GaN, le placement des composants et la conception de la carte, qui sont essentielles pour un fonctionnement fiable à des fréquences de commutation élevées. Cette recherche permet de faire progresser de manière significative la compréhension de la modulation ZVS pour les convertisseurs DAB et ouvre de nouvelles perspectives pour de futures recherches dans le domaine de l’électronique de puissance.
Direction de la thèse : Sébastien MARIETHOZ, Université de Bern, Jean-Luc Schanen, UGA

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Direction de thèse :

Sébastien MARIETHOZ, Professeur Université de Bern, co-directeur de thèse
Jean-Luc Schanen, Professeur UGA, codirecteur de thèse

Présentation de la soutenance :
A venir


Citer ce travail de recherche :
Symposiums et Congrès
K. Sahin, J. -L. Schanen, S. Mariéthoz and Y. Cuenin, "Experimental Investigation of Common Mode Current Generation in a Novel Dual Active Bridge Converter ZVS Modulation Pattern," 2024 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Phoenix, AZ, USA, 2024, pp. 7021-7026, doi: https://doi.org/10.1109/ECCE55643.2024.10861284.
keywords: {Inductance;Frequency modulation;Switching frequency;Magnetic domains;Switches;Zero voltage switching;Switched reluctance motors;Transformers;Zero current switching;Magnetic switching;Common mode current;DAB;Modulation pattern;ZVS},
K. Sahin, S. Mariéthoz, J. -L. Schanen and Y. Cuenin, "New ZVS Modulation Patterns for the Dual Active Bridge Converter," 2024 Energy Conversion Congress & Expo Europe (ECCE Europe), Darmstadt, Germany, 2024, pp. 1-7, doi: https://doi.org/10.1109/ECCEEurope62508.2024.10752036.
keywords: {Inductance;Switching frequency;Modulation;Europe;Voltage;Switches;Zero voltage switching;Switched reluctance motors;Transformers;Topology;DAB;ZVS;Modulation;Pattern},
K. Sahin, S. Mariéthoz, J. -L. Schanen and Y. Cuenin, "Sensorless Magnetic Flux Balancing Strategies for Novel Dual Active Bridge Converter ZVS Modulation Patterns," 2024 IEEE 21st International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), Pilsen, Czech Republic, 2024, pp. 1-6, doi:  https://doi.org/10.1109/PEMC61721.2024.10726386.
keywords: {Magnetic flux;Switching frequency;Modulation;Switches;Voltage;Zero voltage switching;Switched reluctance motors;Power electronics;Circuit faults;Transient analysis;DAB;ZVS;Modulation;Flux;Balancing},
K. Sahin and S. Mariéthoz, "Modulation methods for loss and harmonic distortion minimization of a current source rectifier," 2023 25th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'23 ECCE Europe), Aalborg, Denmark, 2023, pp. 1-8, doi:  https://doi.org/10.23919/EPE23ECCEEurope58414.2023.10264401.
keywords: {Energy loss;Modulation;Switching loss;Rectifiers;Europe;Switches;Voltage;«Current Source Inverter (CSI)»;«Pulse Width Modulation (PWM)»;«Switching losses»;«Harmonics»},