Active gate drivers for high-frequency application of SiC MOSFETs

Abstract

The trend in the development of power converters is focused on efficient systems with high power density, reliability and low cost. The challenges to cover the new power converters requirements are mainly concentered on the use of new switching-device technologies such as silicon carbide MOSFETs (SiC). SiC MOSFETs have better characteristics than their silicon counterparts; they have low conduction resistance, can work at higher switching speeds and can operate at higher temperature and voltage levels. Despite the advantages of SiC transistors, operating at high switching frequencies, with these devices, reveal new challenges. The fast switching speeds of SiC MOSFETs can cause over-voltages and over-currents that lead to electromagnetic interference (EMI) problems. For this reason, gate drivers (GD) development is a fundamental stage in SiC MOSFETs circuitry design. The reduction of the problems at high switching frequencies, thus increasing their performance, will allow to take advantage of these devices and achieve more efficient and high power density systems. This Thesis consists of a study, design and development of active gate drivers (AGDs) aimed to improve the switching performance of SiC MOSFETs applied to high-frequency power converters. Every developed stage regarding the GDs is validated through tests and experimental studies. In addition, the developed GDs are applied to converters for wireless charging systems of electric vehicle batteries. The results show the effectiveness of the proposed GDs and their viability in power converters based on SiC MOSFET devices. La tendencia en el diseño y desarrollo de convertidores de potencia está enfocada en realizar sistemas eficientes con alta densidad de potencia, fiabilidad y bajo costo. Los retos para cubrir esta tendencia están centrados principalmente en el uso de nuevas tecnologías de dispositivos de conmutación tales como, MOSFETs de carburo de silicio (SiC). Los MOSFETs de SiC presentan mejores características que sus homólogos de silicio; tienen baja resistencia de conducción, pueden trabajar a mayores velocidades de conmutación y pueden operar a mayores niveles de temperatura y tensión. A pesar de las ventajas de los transistores de SiC, existen problemas que se manifiestan cuando estos dispositivos operan a altas frecuencias de conmutación. Las rápidas velocidades de conmutación de los MOSFETs de SiC pueden provocar sobre-voltajes y sobre-corrientes que conllevan a problemas de interferencia electromagnética (EMI). Por tal motivo, el desarrollo de controladores de puertas es una etapa fundamental en los MOSFETs de SiC para eliminar los problemas a altas frecuencias de conmutación y aumentar su rendimiento. En consecuencia, aprovechar las ventajas de estos dispositivos y lograr sistemas más eficientes y con alta densidad de potencia. En esta tesis, se realiza un estudio, diseño y desarrollo de controladores activos de puerta para mejorar el rendimiento de conmutación de los MOSFETs de SiC aplicados a convertidores de potencia de alta frecuencia. Los controladores son validados a través de pruebas y estudios experimentales. Además, los controladores de puerta desarrollados son aplicados en convertidores para sistemas de carga inalámbrica de baterías de vehículos eléctricos. Los resultados muestran la importancia de los controladores de compuerta propuestos y su viabilidad en convertidores de potencia basados en carburo de silicio.