Modelado de pérdidas dinámicas en nuevos dispositivos semiconductores para futuros convertidores de potencia ferroviarios

Soria Gómez, María (2018). Modelado de pérdidas dinámicas en nuevos dispositivos semiconductores para futuros convertidores de potencia ferroviarios. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Modelado de pérdidas dinámicas en nuevos dispositivos semiconductores para futuros convertidores de potencia ferroviarios
Author/s:
  • Soria Gómez, María
Contributor/s:
  • Oliver Ramírez, Jesús Angel
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: July 2018
Subjects:
Freetext Keywords: IGBT, MOSFET, electrónica, potencia, pérdidas, semiconductores, combinación de dispositivos, modelo térmico
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Este Trabajo de Fin de Grado se centra en analizar la posibilidad de combinar un módulo IGBT con uno de MOSFET de carburo de silicio, buscando aprovechar las mejores propiedades de cada uno. Por un lado, el módulo IGBT está fabricado con silicio, un material semiconductor cuyas propiedades y funcionamiento son ya perfectamente conocidos. Por otro, el MOSFET de SiC, basado en un semiconductor de banda ancha. Dispositivos basados en este tipo de materiales son aún bastante nuevos, pero sus prestaciones son a día de hoy muy prometedoras, ya que podrían manejar mayores tensiones, corrientes, temperaturas y frecuencias de conmutación, a la vez que permitirían disminuir el tamaño de los dispositivos empleados. Primeramente, se comienza realizando un pequeño resumen de los dispositivos a tratar y de su modo de caracterización, en concreto MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) e IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) mediante el Test de Doble Pulso, y de los materiales de los que están conformados. Entre las diferencias reseñables entre ambos tipos de transistores es: la mayor velocidad y menores pérdidas de conmutación de los MOSFET, así como la baja potencia necesaria para su control, frente a la mayor capacidad de soportar tensión (incluso tensiones negativas) y menor precio y menor resistencia de conducción de los IGBT. A continuación, se realizó un cálculo analítico de pérdidas y, tras establecer unos supuestos para determinar un punto concreto de funcionamiento (tensión de bloqueo, rango de intensidades, resistencia de puerta, voltaje puerta-emisor, ciclo de trabajo y temperatura de unión), se obtuvieron las ecuaciones de las gráficas necesarias de las hojas de datos proporcionadas por el fabricante para cada uno de los dispositivos. A partir de las mismas pudieron calcularse las pérdidas en función de la corriente para ambos módulos por separado y para la combinación de ambos, obteniéndose una aparente mejora en el funcionamiento conjunto de ambos dispositivos (MOSFET en conmutación, IGBT en conducción). En tercer lugar, se calculó el modelo térmico de ambos módulos en base a la información proporcionada en las gráficas de las hojas de datos. De ella pudo extraerse la impedancia térmica transitoria tanto para el IGBT y el MOSFET, como para sus diodos respectivos. Además, se programó un fichero .m en MATLAB que obtiene directamente (a partir de los valores introducidos en forma de tabla) los parámetros de una de las dos redes más frecuentemente empleadas para representar mediante un modelo eléctrico el comportamiento térmico: la red de Cauer. Y, a partir de ella, la red de Foster, más exacta físicamente. La validez de ambos resultados se comprobó con SIMETRIX. Con estos datos, pudo realizarse una tabla comparando los distintos elementos de los dispositivos y se obtuvo como resultado que el elemento más restrictivo es la parte IGBT del módulo IGBT, por lo que deberá tenerse en cuenta especialmente a la hora de elegir la frecuencia de conmutación. Para tratar de llevar a cabo la comprobación de los cálculos de pérdidas anteriores, se dispuso un montaje con ambos dispositivos, condensadores, fuente de tensión y demás elementos necesarios para realizar las medidas. Sin embargo, al obtenerse un resultado muy peculiar en la corriente medida, se creó un modelo en SIMETRIX tratando de explicar dicho comportamiento. Aquí se halló que realmente la corriente que había sido medida era la mezcla de varias, por lo que no era posible distinguir una de otra. La conclusión, por tanto, es que era necesario un montaje específico para la toma de medidas, montaje que se propone (habiendo calculado las capacidades e inductancias parásitas que aparecerían, así como la resistencia necesaria para evitar fluctuaciones en la tensión), si bien no se pudo comprobar in situ. Por último, se realiza en SIMETRIX un modelo tratando de buscar la máxima similitud al comportamiento de los módulos al colocarlos lo más próximos posible entre sí. En dicho modelo se observa una mejora significativa respecto al modelo previo, ya que disminuyen las oscilaciones y las resonancias entre elementos.

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Item ID: 53394
DC Identifier: http://oa.upm.es/53394/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:53394
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 09 Jan 2019 12:54
Last Modified: 09 Jan 2019 12:54
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