Design and Analysis of High Frequency Power Converters for Envelope Tracking Applications

In the field of power electronics, designers are constantly researching new methods to improve efficiency while optimizing dynamic performance. As communication technologies progress we are more often dealing with systems of increasing speed and complexity. For instance, from 1991 to 2013 we have observed the mobile broadband communication sector evolve from ~230 Kbits/s (2G) speeds to ~100 Mbits/s (4G LTE), a 430% increase in communication speed. In contrast, we have not observed the same evolutionary development in industrial power converters. Most switch-mode power supplies are still manufactured for 100 KHz to 800 KHz operating frequencies. The main reason for this is that most electrical devices only require steady-state DC power, so high speed conversion performance is largely unnecessary. But as size expectations for portable electronic devices continue to decrease, the only way to meet future demand is to realize power electronics that operate at much higher switching frequencies. Furthermore there is increasing demand to improve the transient response requirements in processor-based systems and achieve practical envelope tracking in RF communication systems. The most straightforward method of increasing the dynamic response for these systems is to increase the switching frequency of the power electronics in a sustainable and coherent manner

Heikosti kytketyn langattoman tehonsiirtojärjestelmän tehovahvistimen suunnittelu ja toteutus

The exploitation of magnetic resonance induction in wireless power transfer system where two magnetically coupled tuned resonators forms an energy transfer path is introduced. Starting from equivalent circuit of coupled LC-resonators the expression for maximum power transfer efficiency was derived and it was found that coupling factor and resonators Q values are determinant in power transfer efficiency. Class D ZVS (zero voltage switching) and Class E switch mode power amplifiers were studied and prototype power stages were designed and implemented. Both amplifiers were tested with A4WP compliant coil set at 6.78MHz operation frequency. Several performance tests were carried out and at the end amplifier topologies were compared with respect to power transfer efficiency. According to the results both amplifier topologies met the high efficiency requirement needed in wireless power transfer, even though those both have their own optimal operation conditions where maximum efficiency is achieved. As a result topology selection table was presented as a tool for designer and design guidelines concerning amplifier topology selection, PWB layout, amplifier ZVS tuning and EMI were introduced. Previously in RF engineering exclusively seen GaN FETs are breaking into area of power electronics and the interest in their excellent switching characteristics brought them also part of this work. Both amplifiers were implemented by using GaN FETs as a switching device and high performance were proved by thermal measurements and observing switching waveforms. Main characteristics of GaN FET were studied and some qualitative comparison with MOSFET introduced.Magneettista resonanssi-induktiota hyödyntävässä langattomassa tehonsiirtojärjestelmässä kaksi heikosti toisiinsa kytkettyä resonaattoria muodostavat tehonsiirtotien. Lähtien liikkeelle kytkettyjen LC-resonaattorien piirikaaviosta johdetaan lauseke tehonsiirtohyötysuhteelle ja havaitaan kytkentäkertoimen ja resonaattoreiden Q-arvojen olevan määrääviä tekijöitä tehonsiirtohyötysuhteen arvossa. Työssä suunnitellaan ja toteutetaan kytkemistekniikkaan perustuvat D ja E-luokan tehovahvistimet. Kumpikin vahvistin testataan A4WP standardin mukaisella lähetin-vastaanotin parilla 6,78 MHz toimintataajuudella. Useita suorituskyky mittauksia suoritetaan ja lopuksi vahvistin topologioiden hyötysuhde arvoja vertaillaan. Kummankin vahvistin topologian havaitaan täyttävän langattoman tehonsiirto järjestelmän korkeat hyötysuhde vaatimukset, vaikka vahvistimien optimaaliset toiminta olosuhteet eroavatkin toisistaan. Työ tarjoaa suunnittelijoille ohjeita oikean vahvistin topologian valinnassa, piirilevyn suunnittelussa, vahvistimien optimaalisesta virityksestä sekä EMI näkökohdista. Aiemmin yksinomaan radiotekniikassa käytetyt GaN FET transistorit ovat alkaneet herättää kiinnostusta myös tehoelektroniikan puolella. GaN FET kytkinkomponenttien erinomaiset kytkentäominaisuudet toivat ne myös osaksi tätä työtä. Työn molemmat vahvistimet toteutettiin GaN FET kytkimillä ja niiden erinomainen suorituskyky vahvistettiin mittauksin

Overview of Power Electronic Switches: A Summary of the Past, State-of-the-Art and Illumination of the Future

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Towards a More Flexible, Sustainable, Efficient and Reliable Induction Cooking: A Power Semiconductor Device Perspective

Esta tesis tiene como objetivo fundamental la mejora de la flexibilidad, sostenibilidad, eficiencia y fiabilidad de las cocinas de inducción por medio de la utilización de dispositivos semiconductores de potencia: Dentro de este marco, existe una funcionalidad que presenta un amplio rango de mejora. Se trata de la función de multiplexación de potencia, la cual pretende resolverse de una manera más eficaz por medio de la sustitución de los comúnmente utilizados relés electromecánicos por dispositivos de estado sólido. De entre todas las posibles implementaciones, se ha identificado entre las más prometedoras a aquellas basadas en dispositivos de alta movilidad de electrones (HEMT) de Nitruro de Galio (GaN) y de aquellas basadas en Carburo de Silicio (SiC), pues presentan unas características muy superiores a los relés a los que se pretende sustituir. Por el contrario, otras soluciones que inicialmente parecían ser muy prometedoras, como los MOSFETs de Súper-Unión, han presentado una serie de comportamientos anómalos, que han sido estudiados minuciosamente por medio de simulaciones físicas a nivel de chip. Además, se analiza en distintas condiciones la capacidad en cortocircuito de dispositivos convencionalmente empleados en cocinas de inducción, como son los IGBTs, tratándose de encontrar el equilibrio entre un comportamiento robusto al tiempo que se mantienen bajas las pérdidas de potencia. Por otra parte, también se estudia la robustez y fiabilidad de varios GaN HEMT de 600- 650 V tanto de forma experimental como por medio de simulaciones físicas. Finalmente se aborda el cálculo de las pérdidas de potencia en convertidores de potencia resonantes empleando técnicas de termografía infrarroja. Por medio de esta técnica no solo es posible medir de forma precisa las diferentes contribuciones de las pérdidas, sino que también es posible apreciar cómo se distribuye la corriente a nivel de chip cuando, por ejemplo, el componente opera en modo de conmutación dura. Como resultado, se obtiene información relevante relacionada con modos de fallo. Además, también ha sido aprovechar las caracterizaciones realizadas para obtener un modelo térmico de simulación.This thesis is focused on addressing a more flexible, sustainable, efficient and reliable induction cooking approach from a power semiconductor device perspective. In this framework, this PhD Thesis has identified the following activities to cover such demands: In view of the growing interest for an effective power multiplexing in Induction Heating (IH) applications, improved and efficient Solid State Relays (SSRs) as an alternative to the electromechanical relays (EMRs) are deeply investigated. In this context, emerging Gallium Nitride (GaN) High‐Electron‐Mobility Transistors (GaN HEMTs) and Silicon Carbide (SiC) based devices are identified as potential candidates for the mentioned application, featuring several improved characteristics over EMRs. On the contrary, other solutions, which seemed to be very promising, resulted to suffer from anomalous behaviors; i.e. SJ MOSFETs are thoroughly analysed by electro‐thermal physical simulations at the device level. Additionally, the Short Circuit (SC) capability of power semiconductor devices employed or with potential to be used in IH appliances is also analysed. On the one hand, conventional IGBTs SC behavior is evaluated under different test conditions so that to obtain the trade‐off between ruggedness and low power losses. Moreover, ruggedness and reliability of several normally‐off 600‐650 V GaN HEMTs are deeply investigated by experimentation and physics‐based simulation. Finally, power losses calculation at die‐level is performed for resonant power converters by means of using Infrared Thermography (IRT). This method assists to determine, at the die‐level, the power losses and current distribution in IGBTs used in resonant soft‐switching power converters when functioning within or outside the Zero Voltage Switching (ZVS) condition. As a result, relevant information is obtained related to decreasing the power losses during commutation in the final application, and a thermal model is extracted for simulation purposes.<br /

Contributions to the design of power modules for electric and hybrid vehicles: trends, design aspects and simulation techniques

314 p.En la última década, la protección del medio ambiente y el uso alternativo de energías renovables están tomando mayor relevancia tanto en el ámbito social y político, como científico. El sector del transporte es uno de los principales causantes de los gases de efecto invernadero y la polución existente, contribuyendo con hasta el 27 % de las emisiones a nivel global. En este contexto desfavorable, la electrificación de los vehículos de carretera se convierte en un factor crucial. Para ello, la transición de la actual flota de vehículos de carretera debe ser progresiva forzando la investigación y desarrollo de nuevos conceptos a la hora de producir vehículos eléctricos (EV) y vehículos eléctricos híbridos (HEV) más eficientes, fiables, seguros y de menor coste. En consecuencia, para el desarrollo y mejora de los convertidores de potencia de los HEV/EV, este trabajo abarca los siguientes aspectos tecnológicos: - Arquitecturas de la etapa de conversión de potencia. Las principales topologías que pueden ser implementadas en el tren de potencia para HEV/EV son descritas y analizadas, teniendo en cuenta las alternativas que mejor se adaptan a los requisitos técnicos que demandan este tipo de aplicaciones. De dicha exposición se identifican los elementos constituyentes fundamentales de los convertidores de potencia que forman parte del tren de tracción para automoción.- Nuevos dispositivos semiconductores de potencia. Los nuevos objetivos y retos tecnológicos solo pueden lograrse mediante el uso de nuevos materiales. Los semiconductores Wide bandgap (WBG), especialmente los dispositivos electrónicos de potencia basados en nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC), son las alternativas más prometedoras al silicio (Si) debido a las mejores prestaciones que poseen dichos materiales, lo que permite mejorar la conductividad térmica, aumentar las frecuencias de conmutación y reducir las pérdidas.- Análisis de técnicas de rutado, conexionado y ensamblado de módulos de potencia. Los módulos de potencia fabricados con dies en lugar de dispositivos discretos son la opción preferida por los fabricantes para lograr las especificaciones indicadas por la industria de la automoción. Teniendo en cuenta los estrictos requisitos de eficiencia, fiabilidad y coste es necesario revisar y plantear nuevos layouts de las etapas de conversión de potencia, así como esquemas y técnicas de paralelización de los circuitos, centrándose en las tecnologías disponibles.Teniendo en cuenta dichos aspectos, la presente investigación evalúa las alternativas de semiconductores de potencia que pueden ser implementadas en aplicaciones HEV/EV, así como su conexionado para la obtención de las densidades de potencia requeridas, centrándose en la técnica de paralelización de semiconductores. Debido a la falta de información tanto científica como comercial e industrial sobre dicha técnica, una de las principales contribuciones del presente trabajo ha sido la propuesta y verificación de una serie de criterios de diseño para el diseño de módulos de potencia. Finalmente, los resultados que se han extraído de los circuitos de potencia propuestos demuestran la utilidad de dichos criterios de diseño, obteniendo circuitos con bajas impedancias parásitas y equilibrados eléctrica y térmicamente. A nivel industrial, el conocimiento expuesto en la presente tesis permite reducir los tiempos de diseño a la hora de obtener prototipos de ciertas garantías, permitiendo comenzar la fase de prototipado habiéndose realizado comprobaciones eléctricas y térmicas

Discussion on Electric Power Supply Systems for All Electric Aircraft

The electric power supply system is one of the most important research areas within sustainable and energy-efcient aviation for more- and especially all electric aircraft. This paper discusses the history in electrication, current trends with a broad overview of research activities, state of the art of electrication and an initial proposal for a short-range aircraft. It gives an overviewof the mission prole, electrical sources, approaches for the electrical distribution system and the required electrical loads. Current research aspects and questions are discussed, including voltage levels, semiconductor technology, topologies and reliability. Because of the importance for safety possible circuit breakers for the proposed concept are also presented and compared, leading to a initial proposal. Additionally, a very broad review of literature and a state of the art discussion of the wiring harness is given, showing that this topic comes with a high number of aspects and requirements. Finally, the conclusion sums up the most important results and gives an outlook on important future research topics