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El alumno Ander Udabe Zabala obtuvo la calificación SOBRESALIENTE CUM LAUDE

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• Título de tesis: Impact of Gallium Nitride Devices in Real Power Electronics Applications

Tribunal:

• Presidencia: Estanislao Oyarbide Usabiaga (Universidad de Zaragoza)
• Vocalía: Joseba Arza Alonso (Ingeteam)
• Vocalía: Carlos Bernal Ruiz (Universidad de Zaragoza)
• Vocalía: Víctor Manuel López Martín (Ikerlan)
• Secretaría: Gonzalo Abad Biain (Mondragon Unibertsitatea)

Resumen:

La base del funcionamiento de los convertidores de potencia está en los semiconductores de potencia, como el diodo y el transistor, fabricados tradicionalmente con Silicio (Si). Después de décadas de refinamiento en los procesos de fabricación, en la actualidad es posible producir dispositivos de Silicio prácticamente sin defectos, llevando a grandes mejoras en términos de capacidad de conducir corriente, bloquear tensión, evacuar calor y velocidad de conmutación de los dispositivos de Silicio. Estas mejoras en los semiconductores de potencia han hecho posibles convertidores más eficientes con mayores densidades de potencia. Sin embargo, a medida que la calidad del Silicio se acerca a sus límites prácticos, son los límites propios del material los que limitan la mejora de las características eléctricas y térmicas de los dispositivos de Silicio. En este contexto, el Nitruro de Galio (GaN) y el Carburo de Silicio (SiC), también conocidos como semiconductores de banda ancha prohibida (WBG), ofrecen propiedades eléctricas y térmicas superiores, proporcionando una mejor alternativa al Silicio para dispositivos de potencia.

Estos dispositivos de banda ancha prohibida operan con altas dinámicas de conmutación, de forma que conmutan de forma muy eficiente. De este modo, el convertidor puede operar a altas frecuencias manteniendo niveles elevados de eficiencia y reduciendo el volumen de componentes pasivos. Sin embargo, estas altas dinámicas de conmutación suponen un reto para una industria que aún se basa en los estándares de los dispositivos de Silicio. Hoy en día, no existe una sonda de corriente estándar que proporcione suficiente ancho de banda y una impedancia de inserción lo suficientemente baja para medir estos transitorios en Pruebas de Doble Pulso (DPT). Esto hace complejo medir las pérdidas de conmutación necesarias durante la fase de diseño del convertidor. Además, los altos valores de dv/dt y di/dt de los dispositivos de banda prohibida ancha exigen la optimización en el diseño del PCB para minimizar las capacidades e inductancias parásitas, de forma que se reduzcan las pérdidas en los transistores y prevenir problemas de interferencia electromagnética (EMI).

A pesar de estos desafíos, los MOSFETs y los diodos Schottky SiC están en una fase de madurez suficiente como para reemplazar a los IGBTs y diodos en ciertas aplicaciones, ofreciendo mayores niveles de eficiencia y densidades de potencia. Para hacer más fácil la adopción de estos dispositivos SiC, los fabricantes de los SiC MOSFETs han hecho que sus requerimientos de puerta cumplan con los niveles de tensión estandarizados por el IGBT. Sin embargo, los transistores GaN se encuentran varios pasos detrás en comparación con los dispositivos SIC en cuanto a estandarización de los requisitos de puerta, estructuras de transistores y sistemas de refrigeración, lo que complica su integración en convertidores. Así, aunque la tecnología GaN promete características de conducción y conmutación mejores, su penetración en el mercado es menor que la de los dispositivos SiC. Por esta razón, el objetivo principal de esta tesis es proporcionar soluciones a algunos de los retos que deben ser solventados para poder explotar las posibilidades que ofrecen los componentes GaN.

La tesis está estructurada en dos partes principales. La primera parte ofrece una revisión exhaustiva de los dispositivos GaN actuales, describiendo los principios físicos de su funcionamiento y las diferentes estructuras de dispositivos GaN disponibles. Además, esta sección incluye una caracterización tanto dinámica como estática de los dispositivos GaN disponibles comercialmente, culminando en el desarrollo de modelos de simulación para los principales dispositivos GaN. La segunda parte del documento se centra en la evaluación de pérdidas de potencia por medio de métodos calorimétricos. En este contexto, se evalúa el impacto que tienen las capacidades parásitas del PCB en las pérdidas de conmutación.