Convertidores avanzados de potencia basados en semiconductores de gan- advance power-electronic converters based-on gan semiconductors

Abstract

Research on power electronics has significantly grown, mainly due to worldwide interest in sustainable energy and electrification of traction systems. Moreover, as energy transport and conversion systems evolve and advance, power electronics becomes also more complex. Hence, although power converters based on Silicon (Si) present a good balance between performance and cost, along with high reliability and maturity, the limits in terms of power density, operation temperature, and switching frequency of Si power devices are close to being reached. Then, advanced power converter topologies and new semiconductors, especially based on Wide-bandgap (WBG) materials, tend to develop higher efficiency and higher power density solutions. Regarding WBG devices, Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN) are the most promising power switches due to a higher switching frequency capability than Si-based devices, among other benefits. Advantages of using WBG devices on current applications are mainly focused on the development of high-frequency power converters, reducing the size and improving the efficiency. While SiC devices have already been put into practice for high power applications, the trend of GaN devices has been moved from radio frequency power amplifiers and microwave solutions to power applications with higher voltage requirements (> 200 V) in recent years. The interest of GaN-based transistors is mainly associated with the high electron mobility layer, also known as the two-dimensional electron gas (2DEG). This structure provides a low condition losses and high-switching capability. However, GaN devices present specific challenges related to their implementation on power electronics. Differential characteristics related to conduction, high-switching speed capability, gate requirements, and thermal cooling are some of the main design challenges. Therefore, special attention must be devoted to these design considerations in order to take full advantage of GaN semiconductors. Besides, there is a need to establish the benefits and limitations of these power devices. It is expected that GaN will be primarily a potential alternative for medium power solutions (in the 200-600V range), medium/high frequency and particularly in medium/high-end applications. The main objective of this thesis is to answer questions regarding the use of GaN devices and define optimal design considerations. Hence, the thesis presents a comprehensive analysis of differential characteristics, that define the design considerations and challenges. Minimum dead-time and gate driver requirements are defined. Gate driver is designed to achieve high switching speed but without exceeding gate limitations of GaN devices. Afterwards, the thermal limits of current GaN devices are evaluated. An analysis based on the use of heat-spreading materials and parallelization of various devices is presented, increasing the thermal cooling capability. In addition, detailed analysis of hard- and soft-switching operation, is included, defining the most suitable operation modes. Besides, the converter performance is evaluated and experimentally validated, analyzing the impact of working with high-switching frequency. This analysis includes single-cell and multi-cell topologies, defining the sustainability of implementing then with GaN devices. The study carried out in this thesis is organized into six different chapters, evaluating from differential characteristics and challenges of GaN devices, until its benefits and limitations on developing GaN-based power converters. Debido al reciente interés en las energías renovables y la electrificación de los medios de transporte, la relevancia de los sistemas de conversión a incrementado en los últimos años. La mayoría de los convertidores de potencia construidos hasta la fecha están basados en silicio (Si). Los convertidores basados en Si presentan unas buenas prestaciones en cuanto a rendimiento y coste, junto con una alta fiabilidad debido a la madurez de la tecnología. No obstante, a medida que estas aplicaciones evolucionan y avanzan, la electrónica de potencia se vuelve más compleja y los límites en términos de densidad de potencia, temperatura de operación y frecuencia de trabajo del Si están a punto de ser alcanzados. Por lo tanto, es necesario el desarrollo de nuevos convertidores de potencia y nuevos semiconductores basados en nuevos materiales, como los de banda ancha prohibida (WBG), para desarrollar soluciones de una mayor eficiencia y densidad de potencia. En el contexto de semiconductores WBG, el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) se sitúan actualmente cómo los materiales más prometedores, siendo capaces de trabajar a una mayor frecuencia entre otros beneficios. Las ventajas de trabajar con semiconductores WBG resulta en aplicaciones que son capaces de trabajar a mayores frecuencias de conmutación, reduciendo el tamaño y manteniendo altas eficiencias. Mientras que ya se han demostrado algunos de los beneficios de implementar SiC en aplicaciones de media-alta potencia, la aplicación del GaN comenzó a darse en amplificadores de radio frecuencia y soluciones microondas. Recientemente se está empezando a implementar en electrónica de potencia. Uno de los mayores intereses del GaN está relacionado con su canal de alta movilidad, también conocido como gas bidimensional de electrones (2DEG). Las características de este canal permiten reducir las pérdidas tanto en conducción como en conmutación. Sin embargo, el uso de los componentes de GaN en electrónica de potencia supone unos retos. La mayoría de estos están relacionados con las características diferenciales de estos componentes, en comparación con los dispositivos de Si. La alta velocidad de conmutación, los requerimientos por puerta y la disipación de las pérdidas serían unos de los mayores retos a la hora de diseñar convertidores basados en GaN. Al tratarse de una tecnología novedosa, existe la necesidad de establecer los beneficios y limitaciones de esta. Se espera que el GaN, se convierta en una solución alternativa para las aplicaciones de media potencia, media/alta frecuencia y aplicaciones de altas prestaciones. Con todo esto, el objetivo principal de esta tesis es responder a las incógnitas relacionadas al uso de los semiconductores de GaN, definiendo para ello las consideraciones de diseño a tener en cuenta. En este trabajo se presenta por lo tanto un análisis exhaustivo de las características de los semiconductores basados en GaN, se definen los retos y se proponen soluciones para aprovechar al máximo estos dispositivos. Entre otras cosas, se define el tiempo muerto mínimo y el diseño del ataque de puerta sin exceder los límites del dispositivo. Se evalúan también los límites térmicos de la tecnología. Para ello, se analiza el uso de materiales de alta conductividad térmica, mejorando así la capacidad de disipación térmica de los componentes de GaN. Se realiza también una evaluación detallada de los semiconductores en diferentes modos de operación. Se analiza la distribución de pérdidas trabajando en conmutación dura, es decir contemplando tanto perdidas de encendido como de apagado. Asimismo, se considera un sistema operando con conmutaciones dulces, es decir sin perdidas de encendido. Gracias a este análisis se definen los modos de operación óptimos de los convertidores basados en GaN. Además del análisis detallado del rendimiento de los semiconductores, también se realiza un análisis a nivel convertidor. Para ello se define un método de optimización que determina el diseño óptimo en base a la eficiencia y densidad de potencia del sistema completo. Una vez se define la metodología de análisis, esta se aplica a diferentes topologías con el fin de definir la potencialidad del GaN en convertidores con una sola celda y multicelda. Este análisis es validado experimentalmente. El estudio que se realiza en este trabajo se presenta en seis diferentes capítulos en los que se evalúan desde las características diferenciales y retos del GaN, hasta su aplicabilidad en la electrónica de potencia.