Application of GaN FETs in power converters

In the power electronic field, one of the most important goal has always been the research and development of an ideal switch that will convert electrical energy in an efficiently and rapidly way. Silicon was the material of choice for the development of these devices, but power Mosfets cannot anymore deliver better performances at a constantly declining cost. To move forward, we need to consider wide band gap semiconductors. The leading candidate for taking electronic performance to the next level is gallium nitride. GaN FETs will replace silicon power Mosfets in power conversion applications with higher efficiency and cost-effective solutions thanks to a lot of advantages in comparison to Silicon FETs, such as size, weight and efficiency. GaN FETs are faster devices than Mosfets, which means that they support higher switching frequency. Thanks to their structure, they bring in the devices less switching and conduction losses. A reduction in the power losses means a lower value of generated heat, therefore fewer heat sinking requirements. GaN FETs have vast applications in different fields such as DC-DC power conversion, power inverter, wireless power, space applications, telecommunication, automotive and more. In the thesis we will prove the great efficiency of GaN FeT. We will compute the power losses in a three-phase inverter endowed with six GaN FETs trough theoretical calculations. Then we will build a model of the converter to find its losses from the simulations and study the ripple voltage introduced in the system. Finally, we will develop a prototype based on a half bridge development board featuring eGaN FET and study experimentally its behaviour.

Nell’ambito dell’Elettronica di potenza, tra i principali obiettivi da raggiungere ci sono sempre stati lo sviluppo e la ricerca di uno switch ideale che converta l’energia elettrica in maniera efficiente e rapida. Il Silicio era il materiale con cui prevalentemente si sviluppavano questi dispositivi, ma i Mosfet non sono più in grado di raggiungere le migliori prestazioni a costi sempre inferiori. Il focus si è quindi spostato sui semiconduttori con un’ampia banda proibita. Il candidato che più sembra poter giungere nuovi livelli di efficienza è il nitruro di gallio. I GaN FET sostituiranno i Mosfet nelle applicazioni di conversione di potenza con delle soluzioni più efficienti e meno costose grazie ai molti vantaggi che posseggono rispetto a FET basati sul Silicio, come ad esempio le loro dimensioni, il loro peso e la loro efficienza. I GaN FET sono dei dispositivi più veloci dei Mosfet, ciò implica che possono supportare delle più alte frequenze di commutazione. Grazie alla loro struttura possono far sì che un convertitore sia affetto da inferiori perdite di conduzione e commutazione. Una riduzione nelle perdite di potenza significa meno calore generato e di conseguenza meno specifiche di progetto per la realizzazione del dissipatore. I GaN FET possono avere applicazione in differenti ambiti come ad esempio nella progettazione di convertitori DC-DC e di inverter di potenza o nell’ambito aereospaziale, automotive o nella trasmissione di energia wireless, nelle telecomunicazioni e in tanti altri. Nella tesi proveremo la superiore efficienza dei GaN FET. Calcoleremo, in maniera teorica, le perdite di potenza in un inverter trifase dotato di sei GaN FET. Successivamente costruiremo un modello del convertitore e potremo calcolare le perdite dalle simulazione e studiare la tensione di ripple introdotta nel sistema. Infine, progetteremo in laboratorio il prototipo di un convertitore half bridge basato su una scheda di sviluppo dotata di eGan FET e studieremo sperimentalmente il suo comportamento.