GaN FET for low voltage three phase inverter

Silicon power devices have dominated the power applications space during the second half of twentieth century, with two terminal devices like diodes and three terminals devices like thyristors, IGBTs and MOSFETs. Nowadays silicon based devices have reached their theoretical performances limits in many of these applications. Silicon is, in fact, limited by its limited critical electric field, poor transport properties and low operating temperatures bringing to inefficient and bulky power electronics systems. Wide bandgap semiconductors, like Gallium Nitride (GaN), thanks to their properties are candidates for next generation of power devices, promising more efficient, smaller and less heavy applications. In this thesis we will focus on the comparison between silicon based MOSFET and GaNFET, a Field Effect Transistor based on Gallium Nitride. Our aim is to verify the possibility to substitute in two existing PWM controlled Three Phase Inverters the MOSFETs, used as switches, with suitable GaN FETs. Our objective is to obtain a more efficient application, reducing the overall losses and the overall dimensions of the system. We will firstly introduce the silicon MOSFET, showing its structure, operating conditions and current voltage characteristics. Then we will see the differences between the two technologies, focusing on structure, operating conditions, driving and layout of GaN FETs. We will introduce, besides, the main features of a three phase inverter and how the PWM technique controls the behavior of switches. We will see, then, how to calculate the total inverter losses and we will calculate them in the two cases of study choosing two candidates GaN FETs, one for each application. We will compare the obtained theoretical losses using MOSFETs with the ones using GaN FETs. We will conclude our analysis building simulation models using LTspice® of our three phase inverters and, after having validated them, we will use the models to verify the capability of GaN FETs to work at high switching frequencies without a great increase in overall losses.

I dispositivi di potenza in silicio hanno dominato la scena delle applicazioni di potenza durante la seconda metà del ventesimo secolo, con dispositivi a due terminali come i diodi ed a tre terminali come tiristori IGBT e MOSFET. Al giorno d’oggi i dispositivi in silicio hanno raggiunto i loro limiti teorici di prestazione in molte di queste applicazioni. Il silicio è infatti limitato dalla sua limitata rigidità dielettrica, dalle basse proprietà di trasporto e basse temperature di esercizio che portano ad inefficienti ed ingombranti sistemi elettronici di potenza. I semiconduttori a Gap diretto, come il Nitruro di Gallio (GaN), grazie alle loro proprietà sono candidati per la nuova generazione di dispositivi di potenza, promettendo applicazioni più efficaci, più piccole e più leggere. In questa tesi ci focalizzeremo sulla comparazione tra MOSFET in silicio e GaN FET, transistor ad effetto di campo in Nitruro di Gallio. Il nostro obiettivo è di verificare la possibilità di sostituire in due esistenti inverter trifase controllati con tecnica PWM i MOSFET, usati come swicth, con GaN FET adatti. Il nostro proposito è di ottenere un’applicazione più efficiente, riducendo le perdite e le dimensioni totali del sistema. Introdurremo inizialmente il MOSFET in silicio, mostrando la sua struttura, le condizioni d’esercizio e la sua caratteristica corrente-tensione. Quindi vedremo la differenza tra le due tecnologie, focalizzandoci sulla struttura, le condizioni d’esercizio, il pilotaggio ed il layout dei GaN FET. Introdurremo, inoltre, le principali caratteristiche di un inverter trifase e come la tecnica PWM controlla il comportamento degli switch. Vedremo, dunque, come calcolare le perdite totali dell’inverter e le calcoleremo nei due casi di studio, scegliendo due GaN FET candidati, uno per ogni applicazione, e compareremo le perdite teoriche ottenute usando i MOSFET con quelle ottenute usando i GAN FET. Concluderemo l’analisi costruendo dei modelli di simulazione dei nostri inverter trifase usando LTspice® e, dopo averli validati, utilizzeremo i modelli per verificare la capacità dei GaN FET di lavorare ad alte frequenze di switching senza un significativo incremento delle perdite totali.