Comparative analysis of 650 V half-bridges based on WBG and hybrid IGBT prototypes for integrated motor drives applications

This thesis assesses four 650 V–class power switch prototypes: a SiC MOSFET, a hybrid IGBT, and two GaN HEMTs based on gate-injection (GIT) and Schottky gate (SGT) structures to evaluate their suitability for compact motor-drive applications. All devices are implemented in identical half-bridge modules and are characterized on a dedicated test board with configurable gate-drive circuits. Static pulsed I–V measurements up to 40 A at 25C and 150C establish a common baseline for conduction performance. The results confirm compliance with datasheet limits, reproduce the temperature dependence of on-state resistance and threshold voltage, and enable a comparison of conduction losses across the four technologies in the 400–800 V operating window. Dynamic investigations, conducted on the two GaN HEMTs, revealed different sensitivities to gate-drive conditions and parasitics. The GaN GIT device showed strong thermal robustness but required stringent gate-drive constraints to avoid cross-conduction. Conversely, the GaN SGT device exhibited lower cross-conduction risk but showed enhanced phase-leg ringing at elevated temperature, affecting turn-on energy evaluation. A comparative analysis within a no-cross-conduction operating envelope highlighted a trade-off between robustness and efficiency: the GIT offered superior robustness at the cost of higher turn-on losses and stricter gate-drive requirements, while the SGT provided a simpler interface with lower losses but required careful management of voltage overshoot. Although dynamic data for the SiC MOSFET and hybrid IGBT remains pending, the results indicate that properly driven 650 V GaN HEMTs can achieve temperature-robust switching performance suitable for compact motor-drive modules, with device-specific trade-offs that must be addressed at the system level.

Questa tesi analizza quattro prototipi di interruttori di potenza da 650 V — un MOSFET SiC, un IGBT ibrido e due HEMT GaN di tipo GIT e SGT — per applicazioni compatte di azionamento motore. I dispositivi sono integrati in moduli half-bridge identici e caratterizzati su una scheda con circuiti di gate-drive configurabili.Misure statiche I–V a temperatura ambiente e elevata definiscono una base comune per la conduzione. I risultati confermano la conformità ai datasheet, riproducono la dipendenza dalla temperatura di resistenza di conduzione e tensione di soglia e permettono di confrontare le perdite tra le quattro soluzioni.La caratterizzazione dinamica, svolta sui soli HEMT GaN, evidenzia sensibilità diverse alle condizioni di gate-drive e ai parassiti. Il dispositivo GIT mostra elevata robustezza termica ma richiede vincoli stringenti sul pilotaggio per evitare la conduzione incrociata; l’SGT presenta invece rischio ridotto di cross-conduction ma un ringing del nodo di fase più marcato alle alte temperature, complicando la valutazione dell’energia di accensione.L’analisi in un inviluppo operativo senza cross-conduction evidenzia un compromesso tra robustezza ed efficienza: il GIT offre maggiore robustezza a fronte di perdite di accensione più elevate e requisiti di gate-drive più severi, mentre l’SGT garantisce interfaccia più semplice e perdite inferiori, al prezzo di una gestione accurata delle sovratensioni. Nonostante l’assenza di dati dinamici per MOSFET SiC e IGBT ibrido, i risultati indicano che HEMT GaN da 650 V correttamente pilotati offrono prestazioni di commutazione robuste alla temperatura, con compromessi specifici da gestire a livello di sistema.