Advanced Power-electronic Converters Based-on GaN Semiconductors

• DIRECTORES: Alberto Rodríguez Alonso y Asier García Bediaga
• UNIVERSIDAD: Universidad de Oviedo

Resumen:

Debido al reciente interés en las energías renovables y la electrificación de los medios de transporte, la relevancia de los sistemas de conversión ha incrementado en los últimos años. La mayoría de los convertidores de potencia construidos hasta la fecha están basados en silicio (Si) presentando 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 materiales novedosos, 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 conmutación en el encendido como en el 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.