Circuitos de mando para asociaciones de múltiples transistores

Título

Circuitos de mando para asociaciones de múltiples transistores

Colaborador

Tacca, Hernán

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2025-11-09

Extensión

xvii, 113 p.

Resumen

Esta tesis doctoral ha presentado el desarrollo, diseño y validación experimental de un interruptor compuesto de alta tensión basado en una Celda Unitaria de Conmutación (CUC). El trabajo ha abordado los desafíos relacionados con la conmutación rápida y segura de transistores de carburo de silicio (SiC) en arreglos en serie, utilizando circuitos de mando optimizados con transistores de nitruro de galio (GaN) y estrategias de protección contra sobretensiones y recuperación de energía. En la primera parte, se ha realizado un análisis técnico comparativo entre tecnologías de semiconductores de silicio, carburo de silicio y nitruro de galio, destacando las ventajas de los materiales de banda prohibida ancha (WBG) para aplicaciones de alta frecuencia, alta tensión y alta densidad de potencia. Se ha detallado como la adopción de transistores GaN HEMT (High Electron Mobility Transistors) en las etapas de mando ha permitido reducir la potencia de control, disminuir el área ocupada en el circuito impreso y relajar los requerimientos eléctricos de la lógica de control, abriendo nuevas posibilidades para la integración de arreglos modulares de potencia. El núcleo del trabajo ha sido la propuesta de la CUC, un bloque monolítico diseñado para apilarse en arreglos en serie, incrementando la tensión de bloqueo total del sistema sin comprometer la sincronización de las señales de control ni la estabilidad del sistema. Cada CUC ha integrado un circuito de mando local con drivers GaN, un sistema de sincronización analógico para alinear las señales de comando entre etapas, un enclavador de sobretensión activo, y un snubber con recuperación de energía (ER) que ha permitido reutilizar parte de la energía almacenada en las capacitancias par´asitas del sistema. El desarrollo experimental ha incluido la construcción de un interruptor compuesto de tres etapas, basado en MOSFETs de SiC Wolfspeed C2M0280120D de 1200 V, alcanzando una tensión total de bloqueo teórica de 3600 V y una corriente máxima teórica de 11 A. El diseño modular de la placa base ha asegurado una interconexión segura, facilidad de mantenimiento y acceso a puntos de medición estratégicos para la evaluación de tensiones y corrientes. El banco de pruebas desarrollado ha incluido un comprobador de doble pulso (DPT), un sistema de carga compuesto por un inductor de 230 μH y una resistencia de 440 Ω, así como mecanismos de seguridad como sistemas de descarga automática y protección antiparalela con diodos SiC. Las pruebas experimentales han validado el comportamiento del interruptor bajo diferentes condiciones de carga resistiva e inductiva, demostrando una distribución equilibrada de la tensión VDS entre etapas. Se han observado pérdidas de conmutación reducidas gracias al uso de los snubbers ER activos y del autotransformador saturable (ATS), logrando una reducción de aproximadamente 83% en la energía total de conmutación en comparación con configuraciones equivalentes que han utilizado snubbers RC pasivos. Las mediciones también han mostrado que la implementación de enclavadores activos ha evitado eficazmente las sobretensiones en los PSWs durante eventos de corte, protegiendo el sistema sin comprometer el desempeño dinámico. Este trabajo ha aportado una solución novedosa y escalable para aplicaciones de potencia que requieren alta tensión y eficiencia energética, abordando simultáneamente desafíos de sincronización, protección y eficiencia. Los resultados obtenidos no solo han demostrado la viabilidad técnica de la CUC como bloque constructivo modular, sino que también han sentado las bases para el desarrollo de interruptores compuestos de mayor tensión y corriente, que pueden integrarse en sistemas avanzados como convertidores multinivel, inversores modulares y equipos de distribución eléctrica de nueva generación.
This doctoral dissertation has presented the development, design, and experimental validation of a high-voltage composite switch based on a Stackable Switching Unit Cell (CUC), specifically conceived for scalable and high-efficiency power electronics applications. The work has addressed the challenges related to fast and safe switching of silicon carbide (SiC) transistors in series configurations, using optimized gate driver circuits with gallium nitride (GaN) transistors and advanced overvoltage protection and energy recovery strategies. In the first part, a technical comparative analysis has been carried out between silicon (Si), silicon carbide (SiC), and gallium nitride (GaN) semiconductor technologies, highlighting the advantages of wide-bandgap (WBG) materials for high-frequency, high-voltage, and high-power-density applications. The adoption of GaN HEMT transistors in the driver stages has been shown to reduce control power, decrease PCB footprint, and relax control logic requirements, opening new possibilities for the modular integration of power arrays. The core of the work has been the proposal of the CUC, a monolithic block designed to stack in series, increasing the total blocking voltage of the system without compromising control signal synchronization or system stability. Each CUC has integrated a local driver circuit with GaN devices, an analog synchronization system to align gate command signals across stages, an active overvoltage clamp, and an energy recovery (ER) snubber that has allowed partial reuse of the energy stored in the system’s parasitic capacitances. The experimental development has included the construction of a three-stage composite switch based on Wolfspeed C2M0280120D SiC MOSFETs (1200 V), achieving a total blocking voltage of 3600 V and a maximum current of 11 A. The modular design of the baseboard has ensured safe interconnection, easy maintenance, and access to strategic measurement points for voltage and current evaluation. The developed test bench has included a double-pulse tester (DPT), a load system composed of a 230 μH inductor and a 440Ω high-voltage resistor, as well as safety mechanisms such as automatic capacitor discharge systems and antiparallel SiC diode protections. The experimental tests have validated the switch’s performance under different resistive and inductive load conditions, demonstrating balanced VDS voltage sharing among stages, even under fast-switching scenarios. Minimal switching losses have been observed thanks to the use of active ER snubbers and the saturable autotransformer (ATS), achieving an approximate 83% reduction in total switching energy compared to equivalent setups using passive RC snubbers. Measurements have also shown that active clamps effectively prevented overvoltage events on the PSWs during turn-off, protecting the system without compromising dynamic performance. This work has contributed a novel and scalable solution for power applications requiring high voltage and energy efficiency, simultaneously addressing challenges in synchronization, protection, and efficiency. The obtained results have not only demonstrated the technical feasibility of the CUC as a modular building block but also laid the groundwork for the development of composite switches with higher voltage and current ratings, which can be integrated into advanced systems such as multilevel converters, modular inverters, and next-generation power distribution equipment. In summary, this dissertation has combined innovation in WBG materials, advanced gate driver design, energy recovery techniques, and robust protection strategies, achieving a significant advancement in the field of power electronics. These developments have not only contributed to increasing the power density and efficiency of systems but also opened new opportunities for industrial applications, renewable energy, and electric transportation systems, where the demand for compact, efficient, and scalable solutions continues to grow.