Fernández Martínez, Manuel
Perpiñá Giribert, Xavier (dir.) ; Jordà i Sanuy, Xavier (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2018
Resumen: Esta tesis tiene como objetivo fundamental la mejora de la flexibilidad, sostenibilidad, eficiencia y fiabilidad de las cocinas de inducción por medio de la utilización de dispositivos semiconductores de potencia:
Dentro de este marco, existe una funcionalidad que presenta un amplio rango de mejora. Se trata de la función de multiplexación de potencia, la cual pretende resolverse de una manera más eficaz por medio de la sustitución de los comúnmente utilizados relés electromecánicos por dispositivos de estado sólido. De entre todas las posibles implementaciones, se ha identificado entre las más prometedoras a aquellas basadas en dispositivos de alta movilidad de electrones (HEMT) de Nitruro de Galio (GaN) y de aquellas basadas en Carburo de Silicio (SiC), pues presentan unas características muy superiores a los relés a los que se pretende sustituir. Por el contrario, otras soluciones que inicialmente parecían ser muy prometedoras, como los MOSFETs de Súper-Unión, han presentado una serie de comportamientos anómalos, que han sido estudiados minuciosamente por medio de simulaciones físicas a nivel de chip.
Además, se analiza en distintas condiciones la capacidad en cortocircuito de dispositivos convencionalmente empleados en cocinas de inducción, como son los IGBTs, tratándose de encontrar el equilibrio entre un comportamiento robusto al tiempo que se mantienen bajas las pérdidas de potencia. Por otra parte, también se estudia la robustez y fiabilidad de varios GaN HEMT de 600- 650 V tanto de forma experimental como por medio de simulaciones físicas.
Finalmente se aborda el cálculo de las pérdidas de potencia en convertidores de potencia resonantes empleando técnicas de termografía infrarroja. Por medio de esta técnica no solo es posible medir de forma precisa las diferentes contribuciones de las pérdidas, sino que también es posible apreciar cómo se distribuye la corriente a nivel de chip cuando, por ejemplo, el componente opera en modo de conmutación dura. Como resultado, se obtiene información relevante relacionada con modos de fallo. Además, también ha sido aprovechar las caracterizaciones realizadas para obtener un modelo térmico de simulación.
Resumen (otro idioma): This thesis is focused on addressing a more flexible, sustainable, efficient and reliable induction cooking approach from a power semiconductor device perspective. In this framework, this PhD Thesis has identified the following activities to cover such demands: In view of the growing interest for an effective power multiplexing in Induction Heating (IH) applications, improved and efficient Solid State Relays (SSRs) as an alternative to the electromechanical relays (EMRs) are deeply investigated. In this context, emerging Gallium Nitride (GaN) High‐Electron‐Mobility Transistors (GaN HEMTs) and Silicon Carbide (SiC) based devices are identified as potential candidates for the mentioned application, featuring several improved characteristics over EMRs. On the contrary, other solutions, which seemed to be very promising, resulted to suffer from anomalous behaviors; i.e. SJ MOSFETs are thoroughly analysed by electro‐thermal physical simulations at the device level. Additionally, the Short Circuit (SC) capability of power semiconductor devices employed or with potential to be used in IH appliances is also analysed. On the one hand, conventional IGBTs SC behavior is evaluated under different test conditions so that to obtain the trade‐off between ruggedness and low power losses. Moreover, ruggedness and reliability of several normally‐off 600‐650 V GaN HEMTs are deeply investigated by experimentation and physics‐based simulation. Finally, power losses calculation at die‐level is performed for resonant power converters by means of using Infrared Thermography (IRT). This method assists to determine, at the die‐level, the power losses and current distribution in IGBTs used in resonant soft‐switching power converters when functioning within or outside the Zero Voltage Switching (ZVS) condition. As a result, relevant information is obtained related to decreasing the power losses during commutation in the final application, and a thermal model is extracted for simulation purposes.
Dentro de este marco, existe una funcionalidad que presenta un amplio rango de mejora. Se trata de la función de multiplexación de potencia, la cual pretende resolverse de una manera más eficaz por medio de la sustitución de los comúnmente utilizados relés electromecánicos por dispositivos de estado sólido. De entre todas las posibles implementaciones, se ha identificado entre las más prometedoras a aquellas basadas en dispositivos de alta movilidad de electrones (HEMT) de Nitruro de Galio (GaN) y de aquellas basadas en Carburo de Silicio (SiC), pues presentan unas características muy superiores a los relés a los que se pretende sustituir. Por el contrario, otras soluciones que inicialmente parecían ser muy prometedoras, como los MOSFETs de Súper-Unión, han presentado una serie de comportamientos anómalos, que han sido estudiados minuciosamente por medio de simulaciones físicas a nivel de chip.
Además, se analiza en distintas condiciones la capacidad en cortocircuito de dispositivos convencionalmente empleados en cocinas de inducción, como son los IGBTs, tratándose de encontrar el equilibrio entre un comportamiento robusto al tiempo que se mantienen bajas las pérdidas de potencia. Por otra parte, también se estudia la robustez y fiabilidad de varios GaN HEMT de 600- 650 V tanto de forma experimental como por medio de simulaciones físicas.
Finalmente se aborda el cálculo de las pérdidas de potencia en convertidores de potencia resonantes empleando técnicas de termografía infrarroja. Por medio de esta técnica no solo es posible medir de forma precisa las diferentes contribuciones de las pérdidas, sino que también es posible apreciar cómo se distribuye la corriente a nivel de chip cuando, por ejemplo, el componente opera en modo de conmutación dura. Como resultado, se obtiene información relevante relacionada con modos de fallo. Además, también ha sido aprovechar las caracterizaciones realizadas para obtener un modelo térmico de simulación.
Resumen (otro idioma): This thesis is focused on addressing a more flexible, sustainable, efficient and reliable induction cooking approach from a power semiconductor device perspective. In this framework, this PhD Thesis has identified the following activities to cover such demands: In view of the growing interest for an effective power multiplexing in Induction Heating (IH) applications, improved and efficient Solid State Relays (SSRs) as an alternative to the electromechanical relays (EMRs) are deeply investigated. In this context, emerging Gallium Nitride (GaN) High‐Electron‐Mobility Transistors (GaN HEMTs) and Silicon Carbide (SiC) based devices are identified as potential candidates for the mentioned application, featuring several improved characteristics over EMRs. On the contrary, other solutions, which seemed to be very promising, resulted to suffer from anomalous behaviors; i.e. SJ MOSFETs are thoroughly analysed by electro‐thermal physical simulations at the device level. Additionally, the Short Circuit (SC) capability of power semiconductor devices employed or with potential to be used in IH appliances is also analysed. On the one hand, conventional IGBTs SC behavior is evaluated under different test conditions so that to obtain the trade‐off between ruggedness and low power losses. Moreover, ruggedness and reliability of several normally‐off 600‐650 V GaN HEMTs are deeply investigated by experimentation and physics‐based simulation. Finally, power losses calculation at die‐level is performed for resonant power converters by means of using Infrared Thermography (IRT). This method assists to determine, at the die‐level, the power losses and current distribution in IGBTs used in resonant soft‐switching power converters when functioning within or outside the Zero Voltage Switching (ZVS) condition. As a result, relevant information is obtained related to decreasing the power losses during commutation in the final application, and a thermal model is extracted for simulation purposes.
Pal. clave: electronica
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Electrónica
Plan(es): Plan 513
Área de conocimiento: Tecnología electrónica
Departamento: Ingeniería Electrónica y Comunicaciones
Nota: Presentado: 17 10 2018
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ingeniería Electrónica y Comunicaciones, 2018
Enlace permanente:
Registro creado el 2019-12-03, última modificación el 2021-05-20
