Impact of wide bandgap semiconductors on vertical traction systems

Abstract

As global energy demands grow and competition intensifies, industries face the dual challenge of reducing emissions while maintaining performance. In this context, optimizing power management systems, which are built around semiconductor transistors, plays a key role. Silicon has long dominated this field, but the emergence of Wide BandGap (WBG) semiconductors, offering superior electrical properties, is set to reshape the landscape. Leveraging their advantages can enhance the competitiveness of power electronics, though their adoption requires a comprehensive system redesign. The full potential of WBG materials in industrial applications remains underexplored, and further research is needed. This thesis presents a comprehensive study and practical framework for the integration of WBG semiconductors in power electronic systems. The document begins with a state-of-the-art review of WBG materials and emerging semiconductor technologies, comparing their advantages using various Figures of Merit (FOM) and examining current market trends, Chapter 2. Chapter 3 focuses on GaN HEMT technology, with particular emphasis on Gallium Nitride (GaN) Gate Injection Transistors (GIT) for high-voltage applications. Key integration challenges are discussed, supported by experimental analysis of critical factors such as saturation current, dynamic on-resistance, and short-circuit robustness. To support WBG integration in power converter design, an equation-based, customizable analytical model is developed in Chapter 4, which is configured to estimate switching transitions and power losses. The model is validated experimentally using a Silicon Metal Oxide Field Effect Transistor (MOSFET) push-pull DC/DC converter. In Chapter 5, the lift application is explored as a case study, and after studying various possible scenarios for WBG integration, a GaN-based DC/DC converter is designed. In this design, the presented tool is employed and experimentally validated, confirming the model’s applicability to WBG devices. A soft-switching converter using Si-MOSFETs is also developed under the same specifications, enabling a comparative discussion of hard- vs. soft-switching topologies across semiconductor technologies. Lastly, a high-voltage GaN HEMT converter design is presented, outlining future research directions and concluding the work.

Industriaren energia eskaera handitzen joan da azken urteetan zehar, eta honekin batera negutegi efektuko isuriek marka berriak hautsi dituzte. Industriako sektore ezberdinak birplanteatzeko beharra dago, ikuspuntua mundu iraunkorrago batean jarrita, baina aldi berean, lehiakortasuna mantentzea funtsezkoa da hainbat sektoretan. Energiaren kontrolak eta manipulazioak garrantzi handia dauka ikuspuntu berri honetan. Potentzia elektronikari erreparatuta, material erdieroaleetan oinarritutako transistoreak erabili dira bihurgailuak sortzeko, eta orain arte Silizioa izan da transistoreak eraikitzeko erabili den materiala. Transistoreen eskaera mailaren hazkundearekin batera hobekuntza jarraia jasan du teknologia honek gaur egun arte; alabaina, azken urteetako material erdieroale berriek, banda zabaleko erdieroaleek (WBG) hain zuzen ere, Silizioak baino ezaugarri elektriko hobeagoak eskaintzen dituzte. Banda zabaleko erdieroaleetan oinarritutako transistoreek egungo bihurgailuak birplanteatzeko eta hobetzeko aukera ematen digute. Hala ere, transistore hauen portaera eta eskaintzen dituzten onuren aprobetxamendua aztertzeko dago oraindik, eta Silizioan oinarritutako sistema batetan integratzea ez da berehalakoa. Horregatik, tesi dokumentu honetan, banda zabaleko transistoreak egungo potentzi elektronikan integratzeko prozesua eta honen inguruan egindako ikerketa biltzen dira. 1. kapitulua tesiaren sarrerari eta planteamenduari dagokio. Dokumentu honen 2. kapituluan Siliziozko eta WBG erdieroaleen egungo egoera azaltzen da. Hainbat adierazleei (FOM ezberdinei) erreparatuta, teknologia hauen konparaketa erakusten da, merkatuaren joera berriak azalduz. 3. kapituluan, GaN teknologiaren ikerketa sakonago bat aurkezten da. Bertan, GaN GIT transistoreen ezaugarriak eta ezberdintasunak aztertzen dira tentsio altuko aplikazioetarako, bereziki saturazio korrontean, erresistentzia dinamikoan, eta zirkuitu laburreko ezaugarrietan erreparatuta. Banda zabaleko erdieroaleen integrazioa errazteko, ekuazio polinomikoak oinarri bezela hartuz modelo analitiko bat garatu da 4. kapituluan, transistore ezberdinen konparaketa egiteko eta hauen uhin forma kritikoak estimatzeko erabili dena. Aurkeztutako modelaketa prozesua Siliziozko push-pull bihurgailu batekin balidatu ondoren, 5. kapituloan, trakzio bertikaleko sistema baten nondik norakoak azaltzen dira, potentzi elektronikako ikerketa kasu bezela. GaN erdieroaleak erabiliz, eta aurkeztutako modeloen laguntzaz, DC/DC bihurgailu baten diseinua gauzatu da. Propotipoaren emaitzak alderatzeko asmoz, beste DC/DC bihurgailu bat disenatu da, oraingoan Siliziozko MOSFETak erabilita, baina konmutazio gogorrak izan ordez, konmutazio lehunak lortzeko topologia aldaketa bat proposatu da. Azkenik, GaN GITetan oinarritutako hirugarren bihurgailu baten diseinua aurkezten da, eta dokumentuari amaiera emateko, etorkizunerako ildoak eta tesian lortutako ondorio nagusiak aurkezten dira.

En las últimas décadas, el aumento de la demanda energética industrial ha impulsado récords históricos de emisiones. Para mitigar el cambio climático, es necesario replantear los sectores industriales con un enfoque sostenible. No obstante, la alta competitividad de algunos sectores dificulta esta transformación. En este contexto, el control y la conversión de energía eléctrica cobran especial relevancia. La electrónica de potencia moderna ha evolucionado gracias al Silicio, cuyo uso en dispositivos de potencia ha alcanzado un alto grado de madurez, acercándose a los límites físicos del material. No obstante, todo apunta a un cambio de rumbo, donde nuevos materiales semiconductores de banda ancha prohibida (WBG) prometen mejores prestaciones eléctricas que las del Silicio. Estos semiconductores ofrecen la posibilidad de rediseñar y mejorar la electrónica de potencia actual. Sin embargo, todavía queda trabajo y tiempo de investigación hasta llegar a la integración completa de estos nuevos dispositivos. Una vez se han definido las bases fundamentales de la tesis a desarrollar en el Capítulo 1, el documento prosigue con una revisión del estado del arte sobre los materiales WBG y las nuevas tecnologías de semiconductores, comparando sus ventajas mediante diversas Figuras de Mérito (FOM) y analizando las tendencias actuales del mercado, Capítulo 2. El Capítulo 3 se centra en la tecnología GaN HEMT, con especial énfasis en los dispositivos GaN GIT para aplicaciones de alta tensión. Se discuten los principales desafíos de integración, respaldados por análisis experimentales de factores críticos como la corriente de saturación, la resistencia dinámica en conducción y la robustez frente a cortocircuitos. Para facilitar la integración de dispositivos WBG en el diseño de convertidores de potencia, en el Capítulo 4 se desarrolla un modelo analítico flexible basado en ecuaciones polinómicas, configurado para estimar las transiciones de conmutación y las pérdidas de potencia. El modelo se valida experimentalmente mediante un convertidor push-pull DC/DC basado en Si-MOSFET. En el Capítulo 5 se estudia la aplicación en sistemas de elevación como caso de estudio. Tras analizar diversos escenarios posibles para la integración de WBG, se diseña un convertidor DC/DC basado en GaN. En este diseño se utiliza y valida experimentalmente la herramienta presentada, confirmando su aplicabilidad a dispositivos WBG. También se desarrolla un convertidor con conmutaciones suaves utilizando Si-MOSFETs bajo las mismas especificaciones, lo que permite una comparativa detallada entre topologías de conmutación dura y suave a través de diferentes tecnologías de semiconductores. Finalmente, se presenta el diseño de un convertidor de alta tensión basado en GaN HEMTs, y se concluye el documento señalando posibles líneas de investigación futuras.