DC / DC converters based on GaN HFETs for space applications
Convertisseurs DC/DC à base de HFETs GaN pour applications spatiales
Résumé
Improving the compactness and efficiency of switching converters is a central problem in power electronics; It is even more so on board satellites where each gram and watt count. Each of the many radio transmitters and receivers that equip the telecommunications satellites needs to be powered by various voltages, converted in isolation from the main power distribution bus. Due to the heavy thermal, reliability and radiation resistance of electronic components in space applications, the degrees of freedom to improve power supplies are limited, in any case with the current technologies of qualified semiconductors (expensive and expensive). Set back from the performance of the state of the art). The relatively recent commercialization of normally locked gallium nitride (GaN) power transistors with electrical characteristics superior to those of the best silicon power MOSFETs is promising on this point. Indeed, their robustness intrinsic to radiations seems to allow their use in spatial converters. The aim of this work is to evaluate the possible contributions of this technology in the production of isolated DC / DC power supplies for typical telecommunication satellite payload equipment. Operation at higher switching frequencies with these higher performance components must at first reduce the congestion of converters with equal or better efficiency while still respecting the specification specific to each application. The relevance of this hypothesis and the most suitable implementation architecture have been explored for the low-power supply of an RF receiver, with realization and comparison of several demonstration models. In order to address higher power converters, a theoretical and experimental study of switching losses in the GaN transistor legs was carried out. A performance calculation program was developed in Python and implemented to identify the overall optimization of the dimensioning of a Dual Active Bridge converter for powering a power amplifier (250 W DC). A prototype mock-up was carried out and demonstrated the interest of the topology and the GaN components in this application, while highlighting the predominance of the high frequency losses of the magnetic components among the total losses of the converter. Finally, this last point turns out to be the main limitation of the precious engineering approach of optimal dimensioning by calculation: the current models of estimation of the losses in the magnetic elements prove unsatisfactory to predict the performances of This type of converter.
L'amélioration de la compacité et du rendement des convertisseurs à découpage est une problématique centrale en électronique de puissance; elle l'est encore plus à bord des satellites où chaque gramme et chaque watt comptent. Chacun des nombreux émetteurs et récepteurs radiofréquence qui équipent les satellites de télécommunication a besoin d'être alimenté par diverses tensions, converties de façon isolée à partir du bus principal de distribution de puissance. En raison des lourdes contraintes thermiques, de fiabilité et de résistance aux radiations qui pèsent sur les composants électroniques dans les applications spatiales, les degrés de liberté pour améliorer les alimentations sont restreints, en tout cas avec les technologies actuelles de semiconducteurs qualifiés (couteuses et très en retrait des performances de l'état de l'art). La commercialisation assez récente de transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) à canal normalement bloqué, présentant des caractéristiques électriques supérieures à celles des meilleurs MOSFET de puissance en silicium, est prometteuse sur ce point. En effet leur robustesse intrinsèque aux radiations semble permettre leur emploi dans des convertisseurs spatiaux. Le but de ce travail est l'évaluation des apports possibles de cette technologie dans la réalisation d'alimentations DC/DC isolées pour des équipements typiques des charges utiles des satellites de télécommunication. Le fonctionnement à des fréquences de découpage plus élevées avec ces composants plus performants doit, au premier abord, réduire l'encombrement des convertisseurs à rendement égal (voire meilleur) tout en continuant à respecter le cahier des charges spécifique à chaque application. La pertinence de cette hypothèse et l'architecture de mise en œuvre la plus adéquate ont été explorées pour l'alimentation faible puissance d'un récepteur RF, avec réalisation et comparaison de plusieurs maquettes de démonstration. Afin d'aborder des convertisseurs de plus fortes puissances, une étude théorique et expérimentale des pertes par commutation dans les jambes de pont de transistors GaN a été menée. Un programme de calcul de performances a été développé en Python et mis en œuvre pour identifier l'optimum global du dimensionnement d'un convertisseur Dual Active Bridge destiné à l'alimentation d'un amplificateur RF de puissance (250 W DC). Une maquette prototype a été réalisée et a démontré l'intérêt de la topologie et des composants GaN dans cette application, tout en mettant en évidence la prédominance des pertes haute fréquence des composants magnétiques parmi les pertes totales du convertisseur. Ce dernier point s'avère finalement être la principale limitation de l'approche, précieuse pour l'ingénierie, de dimensionnement optimal par le calcul : les modèles actuellement existants d'estimation des pertes dans les éléments magnétiques se révèlent insatisfaisants pour prédire les performances de ce type de convertisseur.
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