Modeling and simulation of high speed semiconductors used in GaN and SiC power converters

Rahimi, Ali (2021). Modeling and simulation of high speed semiconductors used in GaN and SiC power converters. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

By considering the merits of increasing power converters switching frequency, e.g., passive components size reduction, using wide-bandgap (WBG) semiconductors is an inevitable part of new generations of power converters. Designing a power converter in such high frequencies needs accurate modeling of semiconductor switches. In this thesis, after surveying the state-of-the-art, a new approach has been proposed for modeling and verifying the performance of these new generations of semiconductor switches (SiC-MOSFETs and GaN-FETs). A new mathematical method is proposed for modeling the switches’ current. Besides, an equivalent circuit is proposed for PiN power diodes, facilitating the circuit analysis of the switching dynamic. Finally, a set of state equations has been derived to simulate the switching transients by considering the impact of parasitic elements of the circuit. The main advantage of this set of equations is its validity during the entire switching period. In other words, it is not needed to divide the switching’s transient periods into smaller segments and analyze the circuit in each segment separately. The simulation results have been presented in two different scenarios. Comparing these results with the switches’ datasheets shows the promising performance of the proposed method.

Titre traduit

Modélisation et simulation des semi-conducteurs haute vitesse utilisés dans les convertisseurs de puissance GaN et SiC

Résumé traduit

En considérant les avantages de l’augmentation de la fréquence de commutation, par exemple la réduction de la taille des composants passifs, l’utilisation de semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) est une partie inévitable des nouvelles générations de convertisseurs de puissance. La conception d’un convertisseur de puissance opérant à ces fréquences élevées nécessite une modélisation précise des semi-conducteurs de puissance. Dans ce mémoire, suite à l’étude de l’état de l’art, une nouvelle approche est proposée pour modéliser et vérifier les performances de ces nouvelles générations de commutateurs à semi-conducteurs. Une nouvelle méthode mathématique a été proposée pour modéliser la dynamique de commutation. Par ailleurs, un circuit équivalent est proposé pour les diodes de puissance PiN, facilitant l’analyse du circuit. Enfin, un ensemble d’équations d’états a été dérivé pour simuler les transitoires de commutation en considérant l’impact des éléments parasites du circuit. Le principal avantage de cet ensemble d’équations est sa validité pendant toute la période de commutation. En d’autres termes, il n’est pas nécessaire de diviser les périodes transitoires de la commutation en segments et d’analyser le circuit dans chaque segment séparément. Les résultats de simulation sont présentés pour deux scénarios différents. La comparaison des résultats avec les fiches techniques des commutateurs montre des performances prometteuses avec la méthode proposée.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 71-74).
Mots-clés libres:	large bande interdite, semi-conducteur, convertisseur de puissance, diode de puissance PiN
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Fortin Blanchette, Handy
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	24 janv. 2022 19:20
Dernière modification:	24 janv. 2022 19:20
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2853

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