Impacto de los semiconductores de banda prohibida ancha en el diseño de convertidores de potencia

Abstract

Los convertidores electrónicos de potencia se basan en dispositivos semiconductores para la conversión y control de la energía eléctrica. El silicio es a día de hoy el material más ampliamente utilizado para la construcción de estos semiconductores. La tecnología de fabricación de semiconductores de silicio permite fabricarlos prácticamente sin ningún defecto. Sin embargo, se están alcanzando los límites físicos del propio material por lo que no se esperan avances significativos para estos dispositivos en términos de eficiencia, capacidad de bloqueo de tensión o capacidad de evacuar calor. En este escenario, en los últimos años, han aparecido los dispositivos semiconductores de banda prohibida ancha (Wide BandGap Devices, WBG), los cuales poseen la capacidad de operar a tensiones, temperaturas y frecuencias de conmutación mayores que los dispositivos de silicio mientras mantienen niveles de eficiencia superiores. Así, el uso de estos semiconductores de banda prohibida ancha permite desarrollar convertidores de potencia de menor volumen y peso (mayor densidad de potencia), con menores requerimientos de evacuación de calor y con mayor eficiencia. Para aprovechar al máximo las virtudes de estos dispositivos se ha de operar a frecuencias elevadas, lo cual exige trabajar con transitorios rápidos tanto de corriente (di/dt) como de tensión (dv/dt) para mantener niveles aceptables de eficiencia. Esto exige mejoras en el diseño físico de las pistas que componen el circuito de potencia (layout del circuito de potencia) para reducir su inductancia parásita, ya que valores de inductancia parásita válidos para las dinámicas del silicio pueden limitar el uso de componentes de carburo de silicio. Estas consideraciones son extrapolables allí donde bien por acoples capacitivos o bien por acoples inductivos las altas dinámicas de conmutación del carburo de silicio son fuente de ruido. En este contexto, el objetivo principal de la tesis es determinar el impacto de los semiconductores de banda prohibida ancha en el diseño de convertidores de potencia. En términos generales, esta tesis tiene dos partes diferenciadas. Por un lado, se realiza un estado del arte de los semiconductores de banda prohibida ancha, se evalúan experimentalmente y se diseñan drivers para su correcto gobierno. Por otro lado, se aplica este conocimiento en el diseño, desarrollo y validación de un cargador rápido de baterías para vehículos eléctricos. Entre las contribuciones de la tesis destacan el trabajo realizado en torno a técnicas de medida de los transitorios rápidos de conmutación, el desarrollo de un driver para MOSFETs de carburo de silicio capaz de proteger el semiconductor frente a cortocircuitos en menos de 2 s, así como el diseño y desarrollo de un cargador rápido de baterías para vehículos eléctricos basado en módulos de MOSFETs de carburo de silicio.