Convertitori elettronici di potenza innovativi basati su semiconduttori SiC

The thesis deals with the evolution carried by silicon carbide in power electronics. This innovation is very interesting in the current scenery, because energy efficiency is growing in importance in new structures design and in existing ones renovation. Useful notions for the understanding of semiconductor’s physics and other aspects about solid-state electronics are introduced in the first part of the thesis; in the first chapter there is a brief exposition about semiconductor’s physics and pn junction’s behavior. In the second chapter main power electronics semiconductor devices are exposed and then resumed in the analysis of new semiconductor technology. The second part of the thesis focuses on silicon carbide and his application in power electronics. The third chapter describes SiC properties that make it a good choice in order to replace silicon, then semiconductor’s production processes are described and finally there are some developed application’s hints. Fourth chapter deals with SiC-MOSFET, the power device that mostly benefits from semiconductor’s advantages, and then it is compared to IGBT that is the most used converter’s switch. In fifth chapter silicon carbide power applications are described, both prototype and on market devices. The last part is about numerical simulation. In sixth chapter Dual Active Bridge, the kind of converter implemented in numerical simulation, is described, , analyzing its functioning and transmission line’s employment. In seventh chapter high frequency transformer and materials used in its construction are analyzed; this chapter is useful because the transformer is the core device of new DC-DC converters. Finally in eight chapter DAB is numerically analyzed referring to possible uses in which could be employed; in this chapter’s paragraph MATLAB’s block diagram structures and simulation results are analyzed, then conclusions are drawn using simulation results and previous chapters concepts.

In questo lavoro di tesi si discute dell’evoluzione portata dal carburo di silicio (SiC) nell’ambito dell’elettronica di potenza. Tale innovazione è interessante soprattutto in uno scenario come quello contemporaneo, dove l’efficienza energetica è sempre più un aspetto determinante nella progettazione di nuove strutture e nell’ammodernamento di quelle esistenti. Nella prima parte del lavoro di tesi s’introducono le nozioni fondamentali utili alla comprensione della fisica dei semiconduttori e degli aspetti riguardanti l’elettronica dello stato solido; nel primo capitolo si ha una breve trattazione riguardo la fisica dei semiconduttori ed il funzionamento della giunzione pn. Nel secondo capitolo sono introdotti i principali dispositivi utilizzati, che verranno poi ripresi nell’analisi della nuova tecnologia di semiconduttori. Nella seconda parte della tesi ci si concentra sul SiC e sulle sue applicazioni. Vengono descritte nel terzo capitolo le proprietà fondamentali che lo rendono un ottimo candidato alla sostituzione del silicio, per poi passare a descriverne i processi di produzione. Nel quarto capitolo viene trattato il SiC-MOSFET, ovvero il dispositivo che beneficia maggiormente delle innovazioni del semiconduttore, e ne vengono confrontate le prestazioni con la valvola maggiormente usata nei convertitori, l’IGBT. Nel quinto capitolo vengono descritte le applicazioni che vedono attualmente impiegato il SiC. Infine la terza parte è incentrata sulla simulazione numerica svolta. Si inizia col descrivere, nel sesto capitolo, il Dual Active Bridge ovvero il convertitore che è stato poi implementato nell’ambiente di simulazione. Nel settimo capitolo viene analizzato il trasformatore ad alta frequenza; è stato fatto quest’approfondimento in quanto tale dispositivo è fondamentale nella struttura dei nuovi convertitori DC-DC. Nell’ottavo ed ultimo capitolo viene analizzato numericamente il convertitore DAB facendo riferimento a possibili situazioni in cui può essere utilizzato; vengono analizzati i risultati delle simulazioni e sono tratte le conclusioni basandosi sui risultati ottenuti e su quanto esposto nei capitoli precedenti.