Dispositivi di Potenza Innovativi in Si, SiC e GaN: Modelli, Caratterizzazione e Aspetti Applicativi

I dispositivi di potenza a semiconduttore si stanno sempre più diffondendo, a causa delle nuove applicazioni nell’ambito delle energie rinnovabili e nei veicoli elettrici. L’esigenza di approfondire gli studi su questi argomenti è suggerita e stimolata anche dalla recente disponibilità dei nuovi materiali wide-band gap, quali Silicon Carbide (SiC) e Gallium Nitride (GaN), che hanno caratteristiche superiori rispetto al Silicio (Si), e dello sviluppo di nuovi package. In questo quadro si inseriscono gli obiettivi della presente Tesi di dottorato, che riguardano lo studio di modelli numerici e analitici, la caratterizzazione sperimentale e gli aspetti applicativi di dispositivi innovativi in Si, SiC e GaN. Con una review introduttiva, sono stati passati in rassegna i metodi di stima delle perdite di potenza delle diverse tipologie di dispositivi considerando i metodi elettrici e termici sperimentali, e modelli numerici e analitici. Successivamente, sono state analizzate, nel complesso, le problematiche applicative più rilevanti, in ambito operativo, durante la fase di progettazione di moduli di potenza in SiC per inverter di trazione. Sono state eseguite simulazioni elettriche per valutare perdite di potenza e temperatura di giunzione; è stata studiata la connessione parallelo di più dispositivi in un singolo switch con simulazioni circuitali; è stato sviluppato un modello basato sul metodo degli elementi finiti (FEM), per determinare il comportamento termico. Inoltre, sono stati trattati temi riguardanti le sovratensioni gate-source, il cortocircuito e l’”avalanche”. I dispositivi di potenza in GaN sono stati, successivamente, esaminati, con un lavoro sulle dipendenze della resistenza dinamica tra “source” e “drain” (RDS(ON) dinamica) rispetto alla frequenza, al tempo e alla tensione di off, alla temperatura e alla corrente. Inoltre, è stato proposto un nuovo flusso FEM (elettromagnetico e termico) per studiare un dispositivo a montaggio superficiale (SMD) in GaN, al fine di valutare il comportamento termico delle piste di rame nel package. Dai risultati ottenuti è emerso che il regime di deformazione dello strato di rame è elastico, senza consumo di vita a fatica. Con l’ultima parte della Tesi è stata affrontata l’analisi di package SMD basati su MOSFET in silicio. Alcuni package basati su MOSFET di alta tensione sono stati analizzati sperimentalmente. È stato altresì sviluppato un modello termico analitico, considerando il trasferimento di calore nel sistema formato da package e board. I risultati ottenuti hanno dimostrato un buon compromesso tra accuratezza e basso sforzo computazionale. Con l’ultimo capitolo è stato presentato un flusso di design completo, che comprende simulazioni per package basati su MOSFET di bassa tensione. La metodologia adottata è basata su modelli termo-meccanici per valutare il lifetime di giunti di saldatura e simulazioni elettromagnetiche per calcolare la RDS(ON) e gli elementi parassiti. È stata anche effettuata una valutazione termica per assicurare che la temperatura del package rimanga sotto i valori massimi consentiti. L’attività svolta nell’ambito di questa Tesi di dottorato si è avvalsa della collaborazione di realtà industriali del settore dei dispositivi a semiconduttore.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2022

Author dc:creator

• MAUROMICALE, GIUSEPPE

Contributors dc:contributor

• SCARCELLA, Giuseppe

• Power Electronics, Power semiconductor device, Silicon, Gallium Nitride, Silicon Carbide, Simulation, Package
• Elettronica di Potenza, Dispositivo di Potenza a Semiconduttore, Silicio, Nitruro di Gallio, Carburo di Silicio, Simulazione, Package

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/581197

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/581197