High-efficiency power converters for potentially large energy savings applications

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501568

Schlüsselwörter (Englisch)

Power converters, Energy-efficiency, Power electronics, GaN, Power density     

 

Schlüsselwörter (Französisch)

convertisseurs de puissance à haute efficacité, GaN

Kurzbeschreibung (Englisch)

This proposal aims to design power converters based on high-efficiency GaN power electronics especially geared towards potentially large energy savings applications. It is aimed to take advantage of the high-performance GaN power devices, such as diodes and transistors developed at the POWERlab, to develop high-efficiency, low-volume power converters. Our goal is to address applications with potentially high impact in energy savings that could benefit the long-term energetic goal of Switzerland. 

 

Kurzbeschreibung (Französisch)

Ce projet vise à concevoir des convertisseurs de puissance à haute efficacité basés sur des composants d’électronique de puissance, spécialement conçue pour des applications d'économies d'énergie potentiellement importantes. Il se basera sur des composants de puissance a base de GaN, comme les diodes et les transistors, développés au sein du POWERlab, pour démontrer des convertisseurs de puissance à haut rendement. Notre objectif est de répondre aux applications ayant un impact potentiellement élevé en économies d'énergie qui pourraient contribuer à l'objectif énergétique futur de la Suisse. 

 

Schlussbericht (Deutsch)

Ziel dieses Projekts ist es, Stromrichterschaltungen mit großem Energieeinsparpotenzial für anspruchsvolle Anwendungen wie PV-Mikrowechselrichter und LED-basierte Straßenbeleuchtung zu entwerfen und zu demonstrieren. Diese Arbeit zeigt nicht nur das volle Potenzial der bei Powerlab-EPFL entwickelten Technologien, sondern ermöglicht auch eine enge Beziehung zu den Branchen. Dieses Projekt ermöglicht in Kombination mit der einzigartigen Struktur unseres Labors eine Optimierung sowohl auf der Geräte- als auch auf der Schaltkreisseite, da die Informationen aus den Schaltkreisen als Feedback zur Optimierung der Geräte und umgekehrt verwendet werden können. Dieser Ansatz eröffnet eine neue Ära für Leistungselektronikanwendungen und das aktuelle Projekt hat dazu beigetragen, unsere Arbeit zu beschleunigen, zu demonstrieren und zu kommunizieren. Der erste Teil dieses Projekts war der Identifizierung der Wandlertopologie gewidmet, die die vorteilhaften Eigenschaften der lateralen GaN-HEMTs am besten ausnutzt. Wir haben einen modularen 2,5-kW-Switched-Capacitor-Multilevel-Wandler ohne magnetische Komponenten entworfen und entwickelt, der nur 0,2 l Volumen einnimmt. Dieses System wurde später auf eine neue PV-Architektur angewendet, die auf der Parallelschaltung mehrerer PV-Module auf der Hochspannungsseite dieser Wandler basiert. Unser Ansatz hilft dabei, den Energieverlust im Zusammenhang mit teilweiser Verschattung anzugehen. Um die Leistungsdichte des Prototyps des magnetfreien Wandlers zu maximieren, haben wir ein neuartiges mikrofluidisches Kühlsystem entwickelt, das auf reinraumgefertigten Si-Kühlplatten basiert und für maximale Leistungszahlen optimiert ist. Auf Bauteilebene haben wir eine hochskalierte Tri-Anode-GaN-Schottky-Barrier-Diode hergestellt und den ersten monolithisch integrierten Vollbrückengleichrichter und passiven Spannungsvervielfacher in einer Cockcroft-Walton-Konfiguration demonstriert. Letztendlich hat unsere Arbeit in diesem Projekt die Grenzen der Konvertertechnologie erweitert, indem alle vorteilhaften Eigenschaften von Materialien mit großer Bandlücke ausgenutzt wurden.

Schlussbericht (Englisch)

The purpose of this project is to design and demonstrate power converter circuits with large energy saving potential in demanding applications, such as PV microinverters and LED-based street lighting. Not only does this work showcases the full potential of the technologies created at Powerlab-EPFL, but also facilitates a close relationship with industries. This project, in combination with the unique structure of our Lab, enables optimization in both the device and circuit sides, as the information from circuits can be used as feedback to optimize the devices and vice-versa. This approach opens a new era for power electronics applications and the current project helped fast-track, demonstrate and communicate our work. The first part of this project was dedicated to identify the converter topology that best exploits the advantageous characteristics of the lateral GaN HEMTs. We designed and developed a 2.5kW switched capacitor modular multilevel converter with no magnetic components that occupies only 0.2L of volume. This system was later applied to a new PV architecture based on the parallel connection of multiple PV modules at the high-voltage side of these converters. Our approach helps address the energy loss related to partial shading. To maximize the power density of the magnetic-free converter prototype, we developed a novel microfluidic cooling system, based on clean-room fabricated Si cold plates and optimized for maximum coefficient of performance. In a device level, we fabricated a scaled up Tri-anode GaN Schottky Barrier Diode and demonstrated the first monolithically integrated full bridge rectifier and passive voltage multiplier in a Cockcroft-Walton configuration. Ultimately, our work within this project pushed the limits of the converter technology by exploiting all advantageous properties of wide band-gap materials.

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 5'380 kB

Schlussbericht (Französisch)

Le but de ce projet est de concevoir et de démontrer des circuits de conversion d’énergie offrant un potentiel important d’économie d’énergie dans des applications exigeantes, telles que les micro-onduleurs photovoltaïques et l’éclairage public à LED. Ces travaux illustrent non seulement le potentiel des technologies créées au Powerlab-EPFL, mais facilitent également les relations étroites avec les industries. Ce projet, associé à la structure unique de notre laboratoire, permet une optimisation à la fois du côté dispositif et du côté circuit. Les informations provenant des circuits peuvent notamment être utilisées comme rétroaction pour optimiser les dispositifs et inversement. Cette approche ouvre une nouvelle ère pour les applications en électronique de puissance et le projet en cours a permis d'accélérer, de démontrer et de communiquer notre travail. La première partie de ce projet visait à identifier la topologie de convertisseur qui exploite au mieux les caractéristiques avantageuses des GaN HEMT latéraux. Nous avons conçu et mis au point un convertisseur multiniveau modulaire à condensateur commuté de 2.5 kW sans composant magnétique qui occupe seulement 0.2 L de volume. Ce système a ensuite été appliqué à une nouvelle architecture PV basée sur la connexion en parallèle de plusieurs modules PV du côté haute tension de ces convertisseurs. Notre approche permet de réduire la perte d’énergie liée à l’ombrage partiel. Afin de maximiser la densité de puissance du prototype de convertisseur sans magnétique, nous avons développé un nouveau système de refroidissement microfluidique, basé sur des plaques froides en Si fabriquées en salle blanche et optimisé pour un coefficient de performance maximal. Au niveau des appareils, nous avons fabriqué une diode à barrière Schottky à trois anodes GaN mise à l'échelle et avons présenté le premier redresseur en pont complet et multiplicateur de tension passifs intégrés monolithiquement dans une configuration Cockcroft-Walton. Finalement, notre travail dans le cadre de ce projet a repoussé les limites de la technologie du convertisseur en exploitant toutes les propriétés avantageuses des matériaux à large bande interdite.