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PhD Thesis, Ander Martín

Ander Martín

Ander Martín

Title: Caracterización y Análisis de la Conmutación de Corriente en Convertidores de Potencia de Alta Frecuencia Basados en Dispositivos Wide-BandGap (SiC y GaN). Comparativa de Pérdidas y Estudio de la Influencia de las Impedancias Parásitas en la Etapa de Potencia

Defense Date: 09/02/2016

Director: Javier Vadillo and José Martín Echeverría

Abstract

La electrónica de potencia juega un papel fundamental en la generación, almacenamiento y distribución de la energía eléctrica. Esto es debido a que la mayor parte de la energía eléctrica generada es consumida después de sufrir varias transformaciones, la mayoría llevadas a cabo por convertidores de potencia. El núcleo de los convertidores son los dispositivos semiconductores, y por lo tanto donde se consumen la mayor parte de las pérdidas del sistema.

Como consecuencia de ello, existe una presión cada vez mayor, por parte del mercado, para aumentar la eficiencia y la fiabilidad. Además, muchos de los nuevos estándares de energía demandan una alta eficiencia del producto. A las exigencias por aumentar la eficiencia y la fiabilidad, se le suma la necesidad de incrementar la densidad de potencia de los equipos, como consecuencia de la irrupción del vehículo eléctrico.

Actualmente, los convertidores de potencia están basados en dispositivos de Silicio (Si), la cual es una tecnología madura y bien definida. Sin embargo, el Si presenta algunas limitaciones importantes en cuanto a su capacidad de bloqueo, temperatura de operación y frecuencia de conmutación. Por tanto, se requiere de una nueva generación de dispositivos de potencia para aplicaciones en las cuales los sistemas electrónicos basados en los dispositivos tradicionales de Si no pueden operar o lo hacen de manera menos eficiente.

Para hacer frente a estas necesidades, la industria está desarrollando nuevos dispositivos de conmutación apoyándose en los materiales semiconductores de Banda Prohibida Ancha, en ingles Wide-BandGap (WBG), tales como el Carburo de Silicio (SiC) y el Nitruro de Galio (GaN). Las características de estos materiales permiten aumentar la velocidad de conmutación de los mismos exhibiendo unas pérdidas por conmutación y conducción bajas. Además poseen la capacidad de operar a temperaturas elevadas.

Dada la juventud de las tecnologías de SiC y GaN, estas se encuentran en constante evolución, por lo que la información se encuentra ciertamente dispersa o excesivamente particularizada y no se han encontrado referencias que abarquen una comparativa de las tres tecnologías sobre un mismo dispositivo.

Como se ha comentado en el párrafo anterior, comprobada la falta de bibliografía comparativa rigurosa de las tecnologías actuales más prometedoras, el objetivo principal del presente trabajo de investigación ha consistido en analizar las bondades de los dispositivos de conmutación de WBG, como son los dispositivos de SiC y GaN, en relación con los dispositivos de Si tradicionales. Para ello, se ha realizado un estudio comparativo del comportamiento de conmutación de cada una de las tres tecnologías. Además, se han estudiado las pérdidas por conducción y la influencia de las impedancias parásitas en la etapa de potencia.

Para llevar a cabo el estudio, se ha diseñado un circuito capaz de reproducir las condiciones de conmutación a las cuales estaría sometido un transistor en un convertidor real con el objetivo de simplificar la plataforma de ensayos. Además, este circuito permite llevar a cabo el análisis para las diferentes tecnologías en las mismas condiciones de ensayo.

El análisis comparativo de las diferentes tecnologías llevado a cabo durante el presente trabajo de investigación incluye, en primer lugar, un estudio teórico de su comportamiento basado en modelos de simulación. Durante esta etapa y de cara a la obtención de análisis cualitativos representativos de la realidad, resulta determinante la elaboración de modelos lo más precisos posibles, teniendo en cuenta incluso los efectos parásitos de los componentes que integran el circuito. Una vez analizado el comportamiento de los dispositivos de potencia en el circuito de ensayos, representativo de una etapa de potencia en un convertidor, el siguiente paso consiste en validar dicho modelo experimentalmente, para lo cual se ha diseñado e implementado una plataforma de ensayos común a las tres tecnologías a ensayar.

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