Impact of Gallium Nitride Devices in Real Power Electronics Applications

Abstract

Power converters traditionally use Silicon (Si) transistors and diodes for the conversion and control of electrical energy. Decades of refinement of manufacturing processes have led to the production of Silicon with virtually no defects, enhancing current conduction, voltage blocking, heat dissipation, and switching speeds of Silicon devices. These improvements have resulted in more efficient converters with higher power densities. However, as the quality of Silicon approaches its practical limits, the material itself becomes the primary barrier to further improve the electrical and thermal characteristics of the devices. In this context, Gallium Nitride (GaN) and Silicon Carbide (SiC), also known as Wide BandGap (WBG) semiconductors, offer superior electrical and thermal properties, providing a better alternative to Silicon for power devices. These WBG devices can operate at high switching dynamics, which leads to efficient switching transients. In this way, the converter can operate at high frequencies while keeping high efficiency levels and reducing the volume of passive components. However, these fast switching transients present a challenge for an industry whose knowledge is still based on the standards of Silicon devices. Currently, no standard current probe provides sufficient bandwidth and low enough insertion impedance to measure these fast switching transients in Double Pulse Tests (DPT). This makes switching energy measurements challenging, which are mandatory during the converter design process. Additionally, the high dv/dt and di/dt of Wide Bandgap devices make PCB optimizations mandatory to minimize parasitic capacitances and inductances, essential for reducing transistor losses and preventing Electromagnetic Interference (EMI) issues. Despite these challenges, SiC MOSFETs and Schottky diodes have matured enough to replace IGBTs and diodes in certain applications, providing higher efficiency and power density levels. To make the adoption of these SiC devices easier, manufacturers have made SiC MOSFETs gate terminal voltage requirements compatible with IGBT standards. However, GaN transistors are several steps behind SiC devices in terms of standardization, regarding gate requirements, transistor structures, packaging and cooling systems among others, which makes their adoption challenging in power applications. Therefore, although GaN technology offers promising conduction and switching properties, its market penetration is lower than that of SiC devices. For this reason, the main objective of this thesis is to provide some solutions to the challenges that must be solved to fully exploit the advantages offered by Gallium Nitride devices. The thesis is structured into two main sections. The first part provides a comprehensive review of current GaN devices, examining their physics and the different GaN device structures. In addition, this section includes both dynamic and static characterizations of commercially available GaN devices, ultimately leading to the development of a simulation model for the HD-GIT and SG p-GaN devices. The second part of this research work is focused on the switching loss evaluation by means of calorimetric methods. In this context, the impact of the PCB stray capacitances on the switching losses has been evaluated.

Potentzi bihurgailuen funtzionamenduaren oinarria potentzi-erdieroaleak dira, hala nola diodoa eta transistorea, tradizionalki Silizioarekin (Si) sortuak. Fabrikazio sistema hainbat hamarkadatan fintzen joan ostean ordea, gaur egun ia akatsik gabeko Siliziozko gailuak sortu daitezke. Honek, hobekuntza handiak ekarri ditu potentzi gailuen korronte kondukzio, tentsio blokeo, bero ebakuazio eta kommutazio bizkorrak lortzeko gaitasunetan. Horrela, gailu hauen aurrerapena dela eta posible izan da potentzi-dentsitate eta efizientzia altuagoko bihurgailuak diseinatzea. Dena den, fabrika daitekeen Silizioaren kalitatea bere muga praktikoetara hurbiltzen ari den heinean, Silizioaren ezaugarri fisikoak ari dira bilakatzen Siliziozko gailuen ezaugarri elektriko eta termikoen muga. Hori dela eta, Galio Nitruroak (GaN) eta Silizio Karburoak (SiC), banda zabal debekatuko erdieroale (WBG) gisa ere ezagutuak, propietate elektriko eta termiko hobeak eskaintzen dituzte, potentziagailuetarako Silizioa baina aukera hobea izanez. Banda zabal debekatuko erdieroale hauen bitartez kommutazio dinamika handiko gailuak fabrika daitezke, kommutazioetan izaten diren galerak nabarmen gutxituz. Hori dela eta, bihurgailuak maiztasun altuetan lan egin dezake, eraginkortasun-maila altuak mantenduz eta elementu pasiboen bolumena murriztuz. Hala ere, kommutazio-dinamika altu horiek erronka dira oraindik Silizioko gailuen estandarretan oinarritzen den industriarentzat. Gaur egun, ez da banda-zabalera nahikoa ematen duen, ez eta nahikoa txikia den txertatzeinpedantziarik duen korronte-zunda estandarrik. Beraz, ez da posible Pultsu Bikoitzeko Proben (DPT) bitartez gailuen kommutazio galerak neurtzea. Informazio hau guztiz beharrezkoa da bihurgailu bat diseinatzerako orduan. Horrez gain, gailu hauekin lortu daitezkeen dv/dt eta di/dt balio altuek PCB-aren diseinua kontu handiz egitea eskatzen dute, kapazitate eta induktantzia parasitoak minimizatuz. Horrela, kommutazio galerak murriztuz eta interferentzia elektromagnetikoko arazoak (EMI) saihestuz. Erronka horiek gorabehera, SiC MOSFET eta Schottky diodoak aplikazio jakin batzuetan IGBT-ak eta diodoak ordezkatzeko adinako heldutasun-fase batean daude. Aldaketa honek, efizientzia-maila eta potentzia-dentsitate handiagoa eskaintzen duten bihurgailuak dakartza. Si gailuetatik SiC gailuetarako trantsizioa errazagoa izan dadin, fabrikatzaileek SiC MOSFET-en lan egiteko ateko tentsio balioak urteetan zehar IGBT-ekin definitutako estandarretara eraman dituzte. GaN gailuak ordea, SiC gailuekin alderatuz, estandarizazio maila horietatik urrun daude ateko tentsio maila, hozte-sistema eta transistore estrukturei dagokienez. Honek, GaN gailuen integrazioa zailtzen du potentzi bihurgailuetan. Hala, GaN teknologiak kondukzio eta kommutazio ezaugarri hobeak izan arren, merkatuan SiC gailuak baina presentzia txikiagoa dute. Horregatik, tesi honen helburu nagusia GaN gailuen gaitasunei ahalik eta etekin gehien ateratzeko konpondu behar diren hainbat arazori erantzuna ematea da. Tesia bi zati nagusitan bana daiteke. Lehenengoan, egungo GaN gailuen azterketa sakona egin da, funtzionamenduaren printzipio fisikoak eta gaur egun dauden transistore estruktura desberdinak azalduz. Horrez gain, atal honetan komertzialki eskuragarri dauden GaN gailu desberdinen karakterizazio dinamikoa eta estatikoa ere egin da, GaN gailu nagusien simulazio-modelu garapenarekin amaituz. Dokumentuko bigarren zatian, metodo kalorimetrikoen bidez, transistoreen kommutazio galeren ebaluazioa egiten da. Honen bitartez, PCB-en kapazitate parasitoek kommutazio-galeretan duten eragina aztertzen da.

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 i/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.